Термодинамический кейс: для реакции A + B ⇌ C измерена зависимость константы равновесия от температуры; объясните, как по этой зависимости определить ΔH° и ΔS° реакции и как интерпретировать эти величины в контексте изменения межмолекулярных взаимодействий
Кратко — по зависимости константы равновесия KTTT используют интегрированное уравнение Вант-Гоффа. Подробно:
1) Уравнение Вант‑Гоффа припредполагаемоймаломеняющейсяΔH°сTпри предполагаемой мало меняющейся ΔH° с TприпредполагаемоймаломеняющейсяΔH°сT
ln K = −ΔH°/RTR TRT + ΔS°/R. Здесь R = 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹, T в К, ln — натуральный логарифм.
2) Практическая процедура
Перевести все температуры в К и вычислить 1/T.Взять натуральный логарифм измеренных K: ln K.Построить график ln K против 1/T и выполнить линейную регрессию.Наклон прямой m = dlnKln KlnK/d1/T1/T1/T = −ΔH°/R ⇒ ΔH° = −m·R.Пересечение c = ln K при 1/T → 0 соответствует c = ΔS°/R ⇒ ΔS° = c·R.
Единицы: ΔH° в Дж·моль⁻¹, ΔS° в Дж·моль⁻¹·K⁻¹.
Важно: если ln K vs 1/T заметно искривлена, значит ΔH° зависит от T ΔCp°≠0ΔCp° ≠ 0ΔCp°=0 — тогда требуется учесть теплоёмкость реакции и использовать более общую форму илиоценитьΔH°(T)каклокальнуювеличинуили оценить ΔH°(T) как локальную величинуилиоценитьΔH°(T)каклокальнуювеличину.
3) Физическая интерпретация ΔH° и ΔS° вконтекстемежмолекулярныхвзаимодействийв контексте межмолекулярных взаимодействийвконтекстемежмолекулярныхвзаимодействий
ΔH° энтальпийнаячастьэнтальпийная частьэнтальпийнаячасть отражает суммарную энергию взаимодействий, возникающих/разрушаемых при реакции: образование/разрыв химических или слабых водородныесвязи,ионныевзаимодействия,ван‑дер‑Ваальсовысилыводородные связи, ионные взаимодействия, ван‑дер‑Ваальсовы силыводородныесвязи,ионныевзаимодействия,ван‑дер‑Ваальсовысилы связей, изменения солвации и т. д.
Большая отрицательная ΔH° экзотермическаяэкзотермическаяэкзотермическая → образование сильных выгодных взаимодействий напр.,сильныеH‑связи,ионныепары,крепкийкомплекснапр., сильные H‑связи, ионные пары, крепкий комплекснапр.,сильныеH‑связи,ионныепары,крепкийкомплекс.Положительная ΔH° эндотермическаяэндотермическаяэндотермическая → требуется энергия для разрушения выгодных связей например,разрушениеструктурированныхводныхслоёвилисолватациинапример, разрушение структурированных водных слоёв или солватациинапример,разрушениеструктурированныхводныхслоёвилисолватации и/или образование менее выгодных контактов.
ΔS° энтропийнаячастьэнтропийная частьэнтропийнаячасть отражает изменение числа доступных состояний: терминальные вклады — трансляционная, вращательная, конформационная свобода молекул, а также порядок/беспорядок растворителя и подвижность ионов/контр‑ионов.
Для реакции A + B ⇌ C часто ожидают отрицательное ΔS° 2частиц→1,потерятрансляционнойэнтропии2 частиц → 1, потеря трансляционной энтропии2частиц→1,потерятрансляционнойэнтропии. Поэтому связывание обычно сопровождается упадком энтропии.Тем не менее ΔS° может быть положительной, если при образовании комплекса высвобождаются сильно упорядоченные молекулы растворителя или контр‑ионы эффектдесолвации,гидрофобныйэффектэффект десолвации, гидрофобный эффектэффектдесолвации,гидрофобныйэффект: освобождение упорядоченных молекул воды увеличивает суммарную энтропию системы.Большой положительный ΔS° и положительная или слабая ΔH° — «энтропийно‑управляемая» ассоциация частогидрофобныевзаимодействиячасто гидрофобные взаимодействиячастогидрофобныевзаимодействия.Большой отрицательный ΔH° и отрицательный ΔS° — «энергетически‑управляемая» взаимодействиявыгодныпоэнергии,носопряженыспотерейконфигурационной/трансляционнойсвободывзаимодействия выгодны по энергии, но сопряжены с потерей конфигурационной/трансляционной свободывзаимодействиявыгодныпоэнергии,носопряженыспотерейконфигурационной/трансляционнойсвободы.
4) Доп. замечания
Константа K должна быть для стандартного состояния активностиактивностиактивности; при использовании концентраций в нетидеальных растворах нужно учитывать активностные коэффициенты.Наблюдаемая энтальпия и энтропия — суммарные величины, включающие вклад растворителя и ионов; для молекулярной интерпретации полезно иметь дополнительные данные тепловаямощностьITC,структурныеданные,измерениявразныхионных/солвентныхусловияхтепловая мощность ITC, структурные данные, измерения в разных ионных/солвентных условияхтепловаямощностьITC,структурныеданные,измерениявразныхионных/солвентныхусловиях.Часто встречается «компенсация энтальпии и энтропии»: сильнее отрицательная ΔH° обычно сопровождается более отрицательной ΔS° и наоборот.
Итого: построив ln K против 1/T и получив наклон и пересечение, вы извлекаете ΔH° и ΔS°. По их знакам и величинам можно судить, были ли при образовании C преимущественно выгодные энергичные взаимодействия (ΔH°<0) или ключевую роль сыграло высвобождение упорядоченного растворителя/контр‑ионов (ΔS°>0), а также оценить, какая составляющая определяет термодинамическую устойчивость комплекса при разных температурах.
Кратко — по зависимости константы равновесия KTTT используют интегрированное уравнение Вант-Гоффа. Подробно:
1) Уравнение Вант‑Гоффа припредполагаемоймаломеняющейсяΔH°сTпри предполагаемой мало меняющейся ΔH° с TприпредполагаемоймаломеняющейсяΔH°сT ln K = −ΔH°/RTR TRT + ΔS°/R.
Здесь R = 8.314 J·mol⁻¹·K⁻¹, T в К, ln — натуральный логарифм.
2) Практическая процедура
Перевести все температуры в К и вычислить 1/T.Взять натуральный логарифм измеренных K: ln K.Построить график ln K против 1/T и выполнить линейную регрессию.Наклон прямой m = dlnKln KlnK/d1/T1/T1/T = −ΔH°/R ⇒ ΔH° = −m·R.Пересечение c = ln K при 1/T → 0 соответствует c = ΔS°/R ⇒ ΔS° = c·R.Единицы: ΔH° в Дж·моль⁻¹, ΔS° в Дж·моль⁻¹·K⁻¹.
Важно: если ln K vs 1/T заметно искривлена, значит ΔH° зависит от T ΔCp°≠0ΔCp° ≠ 0ΔCp°=0 — тогда требуется учесть теплоёмкость реакции и использовать более общую форму илиоценитьΔH°(T)каклокальнуювеличинуили оценить ΔH°(T) как локальную величинуилиоценитьΔH°(T)каклокальнуювеличину.
3) Физическая интерпретация ΔH° и ΔS° вконтекстемежмолекулярныхвзаимодействийв контексте межмолекулярных взаимодействийвконтекстемежмолекулярныхвзаимодействий
ΔH° энтальпийнаячастьэнтальпийная частьэнтальпийнаячасть отражает суммарную энергию взаимодействий, возникающих/разрушаемых при реакции: образование/разрыв химических или слабых водородныесвязи,ионныевзаимодействия,ван‑дер‑Ваальсовысилыводородные связи, ионные взаимодействия, ван‑дер‑Ваальсовы силыводородныесвязи,ионныевзаимодействия,ван‑дер‑Ваальсовысилы связей, изменения солвации и т. д.
Большая отрицательная ΔH° экзотермическаяэкзотермическаяэкзотермическая → образование сильных выгодных взаимодействий напр.,сильныеH‑связи,ионныепары,крепкийкомплекснапр., сильные H‑связи, ионные пары, крепкий комплекснапр.,сильныеH‑связи,ионныепары,крепкийкомплекс.Положительная ΔH° эндотермическаяэндотермическаяэндотермическая → требуется энергия для разрушения выгодных связей например,разрушениеструктурированныхводныхслоёвилисолватациинапример, разрушение структурированных водных слоёв или солватациинапример,разрушениеструктурированныхводныхслоёвилисолватации и/или образование менее выгодных контактов.ΔS° энтропийнаячастьэнтропийная частьэнтропийнаячасть отражает изменение числа доступных состояний: терминальные вклады — трансляционная, вращательная, конформационная свобода молекул, а также порядок/беспорядок растворителя и подвижность ионов/контр‑ионов.
Для реакции A + B ⇌ C часто ожидают отрицательное ΔS° 2частиц→1,потерятрансляционнойэнтропии2 частиц → 1, потеря трансляционной энтропии2частиц→1,потерятрансляционнойэнтропии. Поэтому связывание обычно сопровождается упадком энтропии.Тем не менее ΔS° может быть положительной, если при образовании комплекса высвобождаются сильно упорядоченные молекулы растворителя или контр‑ионы эффектдесолвации,гидрофобныйэффектэффект десолвации, гидрофобный эффектэффектдесолвации,гидрофобныйэффект: освобождение упорядоченных молекул воды увеличивает суммарную энтропию системы.Большой положительный ΔS° и положительная или слабая ΔH° — «энтропийно‑управляемая» ассоциация частогидрофобныевзаимодействиячасто гидрофобные взаимодействиячастогидрофобныевзаимодействия.Большой отрицательный ΔH° и отрицательный ΔS° — «энергетически‑управляемая» взаимодействиявыгодныпоэнергии,носопряженыспотерейконфигурационной/трансляционнойсвободывзаимодействия выгодны по энергии, но сопряжены с потерей конфигурационной/трансляционной свободывзаимодействиявыгодныпоэнергии,носопряженыспотерейконфигурационной/трансляционнойсвободы.4) Доп. замечания
Константа K должна быть для стандартного состояния активностиактивностиактивности; при использовании концентраций в нетидеальных растворах нужно учитывать активностные коэффициенты.Наблюдаемая энтальпия и энтропия — суммарные величины, включающие вклад растворителя и ионов; для молекулярной интерпретации полезно иметь дополнительные данные тепловаямощностьITC,структурныеданные,измерениявразныхионных/солвентныхусловияхтепловая мощность ITC, структурные данные, измерения в разных ионных/солвентных условияхтепловаямощностьITC,структурныеданные,измерениявразныхионных/солвентныхусловиях.Часто встречается «компенсация энтальпии и энтропии»: сильнее отрицательная ΔH° обычно сопровождается более отрицательной ΔS° и наоборот.Итого: построив ln K против 1/T и получив наклон и пересечение, вы извлекаете ΔH° и ΔS°. По их знакам и величинам можно судить, были ли при образовании C преимущественно выгодные энергичные взаимодействия (ΔH°<0) или ключевую роль сыграло высвобождение упорядоченного растворителя/контр‑ионов (ΔS°>0), а также оценить, какая составляющая определяет термодинамическую устойчивость комплекса при разных температурах.