イオン性固体は、イオンの相互接続構造で構成されています。これらのイオンは規則的なパターンで配置されています。正味の電荷を持たないイオン性固体には、陽イオン (陽イオンと呼ばれる) と陰イオン (陰イオンと呼ばれる) の両方があります。水に導入されると、これらの物質は溶解し始めます。イオンは、この格子構造によって水溶液に引き寄せられ、輸送されます。ガス状陽イオンが水と結合すると、アルカリ金属イオンの水和が起こります。このエネルギーは陽イオンの水和エネルギーと呼ばれます。
アルカリ金属イオンの水和
アルカリ金属イオンの水和は、新しいイオン-水結合の形成によって生成されるエネルギーです。アルカリ金属では、イオンのサイズが大きくなるにつれて水和エンタルピーが減少します。たとえば、塩化ナトリウム (NaCl) が水に溶解すると、溶媒分子がイオンを取り囲むため、イオン双極子相互作用によってナトリウム (Na+) イオンと塩化物 (Cl-) イオンが引き寄せられ、結晶が溶解します。個々のイオンは、溶解プロセス中に固体から取り出され、溶液中で完全に異なる水和形態を形成します。
アルカリ金属のうち、塩化リチウム塩は水和します。他のアルカリ金属は、無水塩化物の形成をもたらします。リチウムイオンは最小のアルカリ金属イオンであるため、最大の分極力を持っています。この傾向は、グループの下に行くにつれて目立たなくなります。
水和エンタルピー
水和エンタルピーは、イオンと溶媒分子間の新しい相互作用が形成されるときに生成されるエネルギーを指します。他の1族金属塩と比較して、リチウム塩は最も水溶性です。たとえば、LiClO4 は NaClO4 の約 12 倍の水溶性があります。対照的に、KClO4、RbClO4、および CsClO4 の溶解度は、LiClO4 のわずか 3 ～ 10 倍です。小さい Li+ イオンの強い溶媒和により、Li 塩は非常に溶けやすいです。
アルカリ金属イオンの水和は、イオンのサイズが大きくなるにつれて低下します。
Li+> Na+> K+> Rb+> Cs+
アルカリ金属イオンの水和と溶解度
溶質を溶媒に溶解するには、水分子がイオン間の強い引力に打ち勝たなければなりません。格子エンタルピーは、弦間の引力を打ち破るのに必要なエネルギーを指します。
ほとんどのイオン性化学物質の水溶液は、非水溶液に不溶です。イオンと溶媒の間の相互作用が塩の溶解度を決定します。水は、イオンと相互作用してエネルギーを放出する強力な結合を形成する陰イオン受容体極性分子です。
溶解プロセスには 2 つのステップがあります。 1 つ目は格子エンタルピーと呼ばれ、2 つ目は水和エンタルピーです。
最初の反応は、固体溶質での結合の溶解を含むため、吸熱反応です。 1 モルのイオン性固体が気体イオンに変換されるときに生成されるエネルギーは、格子エンタルピーとして知られています。格子エンタルピーが大きいほど、引力に打ち勝つために必要なエネルギーが大きくなります。特定の化学物質は、格子エンタルピー値がより大きいため、水に不溶です。
水和アルカリ金属イオン形成
固体表面でのアルカリ金属イオンの水和は自然に発生し、多くの自然および技術プロセスにおいて重要です。
水溶液中では、アルカリ金属だけが一価イオンを生成します。イオン電荷が低く、イオン半径がやや大きいため、非常に高い pH 値でも加水分解されません。リチウム、ナトリウム、カリウムのイオン半径は、それぞれ 0.76、1.02、1.38 です。イオン-イオンおよびイオン-水の熱力学的相互作用と、それらが気相への塩の揮発にどのように影響するかをよりよく理解するには、アルカリ金属イオンの加水分解プロセスを理解することが重要です。イオンサイズが大きいため、ルビジウム、セシウム、またはフランシウムイオンと水酸化物イオンとの会合は、カリウムと水酸化物イオンとの会合よりも少なくなるはずです。したがって、加水分解の検出は、アルカリ金属の量が少ない場合でも多い場合でも複雑になります。
アルカリ金属イオンの水和の分析
アルカリ金属イオンは、大角 X 線散乱 (LAXS)、二重差分赤外分光法、およびその他の手法を使用して分析されています。 LAXS 由来の MO 結合距離は、関連する結晶構造で見られるものと同等であることが実証されています。水性媒体中の水和レベルに関するこれらの意味を引き出すことができます。さらに、さまざまなイオン半径が報告されています。水性媒体中のナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウムイオンについて、6、8、および 8 水和数が仮定されます。
LAXS と DDIR の観測結果は、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、およびセシウム イオンがすべて、単一の水分子シェルでわずかに水和されていることを示しています。より小さいリチウム (Li) イオンは、おそらく 2 番目の水和シェルの存在により、よりしっかりと水和されます。研究者は、ルビジウム (Rb) およびセシウム (Cs) イオンが水の構造に及ぼす影響が比較的小さいことを観察しました。
結論
反応性が高いため、天然に存在するアルカリ金属はありません。一部の金属鉱石は広く入手可能ですが、それぞれの鉱石からそれらを分離するのは複雑な手順です。アルカリ金属イオンは水和度が高い。アルカリ金属イオンの水和は、イオンのサイズが小さいほど達成されます。その結果、Li+ イオンは Na+ イオンよりもはるかに水和し、Na+ イオンは K+ イオンなどと比べてかなり水和します。水分補給の量は、リストの下に移動するにつれて減少します。アルカリ金属の水和エンタルピーは水和エネルギーと呼ばれ、負の値もあります。
