2.4 : Entropia e solvatação

O processo de envolver um soluto com solvente é chamado de solvatação. Envolve distribuir uniformemente o soluto dentro do solvente. A regra para determinar um solvente para determinado composto é que semelhante dissolve semelhante. Um bom solvente possui características moleculares semelhantes às do composto a ser dissolvido. Por exemplo, soluções polares dissolvem solutos polares e solventes apolares dissolvem solutos apolares. Um solvente polar é um solvente que possui uma constante dielétrica alta (ϵ ≥ 15); um solvente apolar é aquele com baixa constante dielétrica. A constante dielétrica é definida pela lei da eletrostática, que fornece a energia de interação E entre dois íons com cargas respectivas q₁ e q₂ separados por uma distância r. Um solvente polar separa ou protege efetivamente os íons uns dos outros. Portanto, a tendência de associação de íons com cargas opostas é menor em um solvente polar do que em um solvente apolar.

No caso de um hidrocarboneto e água, um é polar (água) e o outro é apolar (hidrocarboneto). Na introdução de moléculas de hidrocarbonetos na água, as moléculas de água ao longo da interface hidrocarboneto-água formam uma estrutura semelhante a uma concha chamada camada de solvatação em torno de cada molécula de hidrocarboneto. A água dentro desses arranjos em forma de concha é mais ordenada e tem menor entropia em comparação com a água no solvente. Como qualquer sistema na natureza tenta atingir um estado de entropia máxima, o sistema busca minimizar as interações entre hidrocarbonetos e água, resultando na formação de camadas separadas de hidrocarbonetos e água. Essa separação impulsionada pela entropia entre hidrocarbonetos e água é denominada efeito hidrofóbico.

Como a entropia é o fator determinante da insolubilidade dos hidrocarbonetos na água, a temperatura do sistema também influencia o processo, por exemplo, nos hidratos ou clatratos gasosos, uma das maiores reservas de gás natural. Hidratos gasosos são formas sólidas cristalinas de água e gás. Eles se formam quando o metano e a água congelam sob altas pressões e baixas temperaturas. As moléculas de hidrocarbonetos são confinadas em gaiolas estáveis ​​de gelo, que possuem espaços abertos relativamente grandes dentro de sua estrutura cristalina. As moléculas de hidrocarbonetos se encaixam nesses espaços, possibilitando prever o tamanho máximo das moléculas de hidrocarbonetos que podem formar clatratos.