Lika löser lika – vad betyder principen i kemi?

”Lika löser lika” är en tumregel som säger att ämnen ofta löser sig bäst i lösningsmedel med liknande polaritet och liknande typer av intermolekylära krafter.

Polära ämnen är därför ofta mer lösliga i polära lösningsmedel som vatten, medan opolära ämnen ofta löser sig bättre i mindre polära eller opolära lösningsmedel.

Regeln är användbar, men den är inte en naturlag och kan inte ensam förutsäga all löslighet.

Vad händer när ett ämne löses?

För att ett ämne ska lösas måste partiklar i det rena ämnet skiljas från varandra och blandas med lösningsmedlets partiklar.

Det kostar energi att bryta eller försvaga vissa interaktioner mellan lösta partiklar och mellan lösningsmedlets molekyler. Samtidigt frigörs energi när nya interaktioner bildas mellan ämnet och lösningsmedlet.

Om helheten är tillräckligt gynnsam, inklusive entropieffekten av blandningen, kan lösningen bildas spontant.

Polaritet är central

En molekyl är polär när den har en ojämn laddningsfördelning som ger ett permanent elektriskt dipolmoment.

Vatten är starkt polärt. Bindningarna mellan syre och väte är polära och molekylens böjda form gör att bindningsdipolerna inte tar ut varandra.

En kolvätemolekyl som heptan är däremot i huvudsak opolär och domineras av dispersionskrafter.

Varför blandas vatten och etanol?

Etanol har både en polär hydroxylgrupp, –OH, och en opolär kolvätdel.

Hydroxylgruppen kan bilda vätebindningar med vatten. Därför är etanol och vatten blandbara i alla proportioner vid normala förhållanden.

Om kolvätekedjan görs längre minskar vattenlösligheten hos motsvarande alkoholer. Den opolära delen blir då en större del av molekylen.

Varför blandas vatten och heptan dåligt?

Vattenmolekyler stabiliserar varandra genom starka dipolinteraktioner och vätebindningar.

Heptan kan inte erbjuda motsvarande polära interaktioner. Att sprida heptanmolekyler jämnt i vatten kompenserar därför inte tillräckligt för de interaktioner som störs.

Resultatet blir två separata vätskefaser.

Vad är en vätebindning?

En vätebindning är en särskilt stark och riktad intermolekylär attraktion som typiskt involverar väte bundet till starkt elektronegativa atomer och ett elektronrikt område på en annan molekyl eller annan del av samma molekyl.

I grundläggande kemi möter man framför allt vätebindning i ämnen med O–H- och N–H-grupper.

Vätebindning är inte samma sak som den kovalenta bindningen inne i en vattenmolekyl.

Joniska ämnen och vatten

Principen ”lika löser lika” används ofta för molekyler, men joniska ämnen kräver ett extra steg i resonemanget.

Vatten kan stabilisera positiva och negativa joner genom jon–dipolinteraktioner. Därför är många salter lösliga i vatten.

Alla salter är dock inte lättlösliga. Kristallgittrets stabilitet och hydratiseringen av jonerna avgör tillsammans om upplösningen är gynnsam.

Löslighet och blandbarhet är olika begrepp

Löslighet anger hur mycket av ett ämne som kan finnas löst i ett annat vid angivna förhållanden.

Blandbarhet används ofta för två vätskor. Vatten och etanol är fullständigt blandbara, medan vatten och heptan bildar två faser.

Temperaturen påverkar också lösligheten och måste anges när exakta värden jämförs.

pH kan ändra en molekyls vattenlöslighet

Syror och baser kan ändra laddning när pH förändras.

En karboxylsyra kan exempelvis deprotoneras till en negativt laddad karboxylatjon. Den joniserade formen samverkar ofta starkare med vatten än den oladdade formen.

Detta är viktigt i bland annat läkemedelskemi, biokemi och extraktion. Det ska däremot inte översättas till en generell uppmaning att tillsätta stark bas i ett laboratorium utan handledning och riskbedömning.

Amfifila molekyler har både polära och opolära delar

Vissa molekyler passar inte enkelt i kategorin polär eller opolär.

Fosfolipider har exempelvis en polär huvudgrupp och opolära kolvätekedjor. I vatten kan de organisera sig i dubbellager där de opolära delarna skyddas från vattnet.

Det är en grundprincip bakom biologiska cellmembran.

Fördelning mellan två faser

Ett ämne behöver inte hamna helt i en enda fas. Vid vätske-vätskeextraktion fördelar sig ämnet mellan två lösningsmedel enligt sin relativa löslighet i dem.

Detta kan beskrivas med en fördelningskvot eller fördelningskoefficient. Därför kan flera mindre extraktioner ibland separera ett ämne effektivare än en enda stor, även när ”lika löser lika” ger rätt kvalitativ förutsägelse om vilken fas som föredras.

”Lika löser lika” är en tumregel, inte en fullständig modell

Löslighet beror på fler saker än ett enda polaritetsmått. Molekylstorlek, temperatur, kristallstruktur, möjlighet till vätebindning, jonisering och entropi spelar också roll.

Två ämnen som båda kallas ”polära” behöver därför inte vara obegränsat blandbara, och ett ämne kan ha begränsad men ändå betydande löslighet i ett lösningsmedel som verkar olikt.

För exakta svar behövs experimentella löslighetsdata eller en mer detaljerad termodynamisk modell.

Så använder du regeln i skoluppgifter

1. Identifiera laddningar och tydligt polära funktionella grupper.
2. Bedöm hur stor del av molekylen som är opolär.
3. Jämför med lösningsmedlets polaritet och möjliga intermolekylära krafter.
4. Kontrollera om ämnet kan joniseras vid aktuellt pH.
5. Använd ”lika löser lika” som första hypotes, inte som slutgiltigt bevis.

Exempel

System	Förväntning	Förklaring
vatten + etanol	blandbara	etanol kan vätebinda med vatten
vatten + heptan	två faser	stor skillnad i polaritet
vatten + NaCl	betydande löslighet	joner hydratiseras av polärt vatten
olja + heptan	god blandning för många oljekomponenter	dominerande opolära interaktioner

Kärnan är alltså att gynnsamma interaktioner mellan löst ämne och lösningsmedel måste kunna ersätta de interaktioner som störs vid blandningen. ”Lika löser lika” är ett snabbt sätt att börja det resonemanget, men inte en ersättning för kemisk förståelse.