El número de hidratación o número de solvatación de un compuesto se define como el número medio de moléculas unidas al compuesto con más fuerza (en 13,3 kcal / mol o más) de lo que están unidas a otras moléculas de agua. [1] El índice de hidratación depende de la concentración del compuesto en solución y de la identidad del compuesto. Cuando los compuestos se disuelven en agua, las moléculas de agua forman una capa de solvatación que rodea al soluto. Para las especies cargadas , la orientación de las moléculas de agua alrededor del soluto depende de su carga iónica, [2]con cationes que atraen el oxígeno electronegativo del agua y aniones que atraen los hidrógenos. Los compuestos no cargados como el metano también pueden solvatarse con agua y también tienen un índice de hidratación. Aunque las capas de solvatación pueden contener interacciones disolvente-soluto de la capa interna y externa, el número de hidratación generalmente se centra en las moléculas de disolvente de la capa interna que interactúan más directamente con el soluto. [3]
Fondo
Dada la abrumadora abundancia de agua líquida que se encuentra en los sistemas biológicos y la alta prevalencia de especies iónicas disueltas, es fundamental comprender el comportamiento de los iones en solución. Los iones en solución deben superar no solo el estado entrópico preferido de las moléculas de agua desordenadas para formar una capa de solvatación, sino también las poderosas interacciones de enlaces de hidrógeno que se encuentran entre las moléculas de agua. La atracción entre el ion soluto y el agua aumenta con la carga eléctrica del soluto y disminuye con su radio. Las estimaciones del número de hidratación no se limitan a valores enteros (por ejemplo, las estimaciones de sodio incluyen 4, 4.6, 5.3, 5.5, 5.6, 6, 6.5 y 8), y parte de la dispersión de los valores estimados se debe a diferentes métodos de detección. [4]
Determinación del número de hidratación.
Los números de hidratación se pueden determinar utilizando una variedad de métodos experimentales diferentes. Estos incluyen espectroscopía Raman , [5] dispersión de rayos X y neutrones , [6] luminiscencia , [7] y RMN . [8] Los números de hidratación pueden cambiar dependiendo de si la especie está encerrada en una forma de celosía cristalina o fluye libremente en una solución. El número de hidratación aparente de una especie puede variar según el método experimental que se utilizó. [4] Los cationes de metales alcalinos grandes en particular, muy comunes en la naturaleza y en los sistemas biológicos, siguen caracterizados de manera poco confiable. [9]
Clatratos de metano
El metano ( CH 4 ) es el compuesto de hidrocarburo más simple . Aunque es relativamente hidrófobo , su pequeño tamaño permite solvatarlo en una capa cristalina de agua a bajas temperaturas y altas presiones. Esto forma un compuesto cristalino sólido similar al hielo que se puede encontrar en grandes cantidades bajo los sedimentos de los fondos oceánicos del planeta. El índice de hidratación del metano en un clatrato es de 46 moléculas de agua por celda unitaria . El metano en solución tiene un índice de hidratación de 20. [8] Además del metano, otras moléculas simples como el etano y el dióxido de carbono también pueden formar hidratos en estos ambientes extremos. [10]
Dada la dependencia de las bajas temperaturas para mantener el metano hidratado alejado de la atmósfera, el cambio climático antropogénico ha surgido como una posible fuerza desestabilizadora de las vastas reservas de clatratos. Las estimaciones de la cantidad de metano encerrado en clatratos oscilan entre 500 y 2500 gigatoneladas de carbono. [11] Debido a la inflamabilidad del gas metano, los clatratos de metano pueden arder creando un llamativo "hielo ardiente". La abundancia de clatratos de metano también lo convierte en una tentadora fuente futura de energía de combustibles fósiles. [10]
Referencias
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