Solvatácia

Solvatácia je interakcia medzi iónmi (resp. molekulami alebo koloidmi) a molekulami rozpúšťadla. Solvatácia je založená hlavne na ión-dipólovej interakcii, ktorú popisuje multipólový rozvoj, sú však možné aj vodíkové väzby (solvatácia hydroxidového aniónu), van der Waalsove sily, Londonove disperzné sily. Zmena Gibbsovej energie solvatácie je zodpovedná za rozpúšťanie iónových zlúčenín a v priebehu elektrolytickej disociácie musí byť vyššia ako mriežková energia kryštálu, ktorá drží ióny pohromade v kryštálovej mriežke. 
Solvatácii polárnych molekúl predchádza chemická reakcia štiepenia polárnej kovalentnej väzby, ktorá je prvým krokom elektrolytickej disociácie polárnych molekúl. Ide často o protolytickú reakciu prenosu katiónu vodíka.
V prípade solvatácie molekúl kvapaliny musí byť zmena Gibbsovej energie solvatácie molekúl vyššia ako medzimolekulové interakcie kvapaliny v čistej forme (bez vody). V prospech zmiešavania dvoch miešateľných kvapalín hrá aj zmiešavacia entropia, nárast miery neusporiadanosti v roztoku v porovnaní s čistou kvapalinou (bez vody).
Solvatácia je proces obaľovania rozpustených častíc látky molekulami rozpúšťadla. Špeciálnym prípadom, kedy je rozpúšťadlom voda, je hydratácia.
Tepelné javy pri rozpúšťaní tuhých látok.
Počas elektrolytickej disociácie látky dochádza k rozkladu kryštálovej štruktúry a prechodu jednotlivých molekúl látky do rozpúšťadla. Samotný dej rozpadu kryštálovej štruktúry látky v prostredí rozpúšťadla je endotermický (vyžaduje dodanie tepla), pretože dochádza ku štiepeniu iónových väzieb iónu v kryštáli, čo vyžaduje energiu, ale vďaka solvatácii dochádza ku vzniku väzieb a interakcií (často iónov), čo je proces exotermický. 
Typy interakcií.
Podľa povahy látky dochádza počas solvatácie k vzniku rôznych interakcií. Typicky vznikajú ión-dipólové interakcie, kedy sa rozpúšťadlo (zvyčajne voda) orientuje tak, aby vznikali výhodné elektrostatické interakcie. Takéto interakcie vznikajú pri katiónoch (napríklad alkalických kovov alebo kovov alkalických zemín) i aniónoch. Okrem toho môže dochádzať i k tvorbe dipól-dipólových interakcií (pre polárne nenabité látky). Molekuly rozpúšťadla môžu tvoriť s rozpúšťanou látkou i koordinačné väzby, ako je tomu typicky napríklad u iónov prechodých kovov. V tomto prípade molekuly vody vystupujú ako ligandy.
Bornova teória elektrostatického príspevku.
Elektrostatický príspevok k solvatačnej energii popisuje Bornova rovnica publikovaná v roku 1920 Maxom Bornom v článku "Objemy a hydratačné teplá iónov". Max Born neuvažuje vo svojej teórii vzájomné interakcie medzi molekulami rozpúšťadla ani interakcie medzi molekulami rozpúšťadla a iónmi, pričom tento predpoklad nezodpovedá fyzikálnej realite v roztokoch elektrolytov, napriek tomu sa Bornova rovnoca bežne používa na výpočet Gibbsovej energie elektrostatického príspevku k molárnej Gibbsovej energie solvatácie i-tého iónu. Max Born pokladá rozpúšťadlo za homogénne bezštruktúrne dielektrikum s permitivitou , ióny považuje za tzv. metalizované ióny, čiže za kovové gule s polomerom r, nesúcich elektrický náboj formula_1.
Na odvodenie Bornovej rovnice pre formula_2 sú potrebné nasledujúce predpoklady:
Odvodenie Bornovej rovnice pre elektrostatický príspevok k solvatačnej energii.
"Iné odvodenie viď: Bornova rovnica"
Vybitie metalizovaného iónu vo vákuu.
Predpokladajme, že vo vákuu (ktorého permitivita je formula_3) vybijeme ión s nábojom formula_1, s čím je spojená práca formula_5:
formula_6
kde formula_7 je elektrostatický potenciál na povrchu metalizovaného iónu a rovná sa:
formula_8
Dosadením do určitého integrálu dostaneme pre prácu potrebnú na vybitie iónu formula_5:
formula_10
vyňatím konštanty predintegrál dostaneme:
formula_11
vyriešením integrálu dostaneme
formula_12
dosadením do hranatej zátvorky:
formula_13
po úprave:
formula_14
čo je práca formula_5 potrebná na vybitie metalizovaného iónu formula_16 vo vákuu formula_17s nábojom formula_1, ktorého polomer je formula_19. 
Nabitie metalizovaného iónu v roztoku.
S nabitím elektroneutrálenho metalizovaného iónu na náboj formula_1 v prostredí rozpúšťadla, ktorého permitivita je formula_21, je spojená elektrická práca formula_22:
formula_23
kde formula_7 je elektrostatický potenciál na povrchu metalizovaného iónu a rovná sa:
formula_25
Dosadením do určitého integrálu dostaneme pre prácu potrebnú na vybitie iónu formula_5:
formula_27
vyňatím konštanty predintegrál dostaneme:
formula_28
vyriešením integrálu dostaneme
formula_29
dosadením do hranatej zátvorky:
formula_30
po úprave:
formula_31
čo je práca formula_32 potrebná na NAbitie metalizovaného iónu formula_16 v roztoku formula_21s nábojom formula_1, ktorého polomer je formula_19. 
Prenásobenie súčtu prác Avogadrovou konštantou.
Elektrostatický príspevok formula_2 k solvatačnej energii formula_38 je súčet elektrických prác na vybitie metalizovaného iónu vo vákuu formula_39 a na nabitie v roztoku formula_32 prenásobený Avogadrovou konštanotou:
formula_41
Dosadením dostávame:
formula_42
vyňatím pred zátvorku dostaneme finálny tvar Bornovej rovnice:
formula_43
Max Born ukázal, že Gibbsova energia hydratácie iónu formula_2 má veľmi jednoduchú závislosť na náboji iónu formula_45, polomere iónu formula_46 a dielektrickej konštante rozpúšťadla formula_21.
Uhligova teória disperzného príspevku.
H. H. Uhlig ukázal, že príspevok disperzných síl (vyjadrených ako formula_48) k solvatačnej energii formula_49 je priamo úmerný medzipovrchovému napätiu formula_50 v systéme rozpúšťadlo-vzduch.
Uhlig vychádzal z predstavy, že na prenos iónu z vákua do rozpúšťadla je potrebné vykonať prácu formula_51, ktorá sa nazýva príspevok disperzných síl formula_48k solvatačnej energii formula_49formula_54pričom ide o prácu formula_51, ktorú treba vykonať na vytvorenie guľovej bubliny s polomerom formula_46, ktorý je rovný polomeru prenášaného iónu. 
Objem gule je:
formula_57
Zmena objemu gule o infinitezimálnu zmenu polomeru je:
formula_58
Prenásobením zmeny objemu Avogadrovou konštantou, keďže budeme prenášať z vákua do roztoku 1 mol iónov a prenásobením mdzipovrchovým napätiím záskame finálny vzťah pre príspevok dispezných síl k solvatačnej energii:
formula_59
Solvatačná energia.
Solvatačnú energiu (vyjadrenú vo forme molárnej Gibbsovej energie solvatácie i-tého iónu formula_38) je možno považovať za súčet dvoch príspevkov:
Max Born sa zaoberal príspevkom elektrostatických síl formula_2 k solvatačnej energii formula_38, H.H. Uhlig sa zaoberal príspevkom disperzných síl formula_62 k solvatačnej energii formula_38.
Takže platí:
formula_67
Na základe vyššie uvených odvodení je možné dosadiť:
formula_68