Mokry związek - część 1

Związki nieorganiczne zwykle nie są związane z wilgocią, podczas gdy związki organiczne odwrotnie. W końcu te pierwsze to suche skały, a te drugie pochodzą od żywych organizmów wodnych. Jednak rozpowszechnione skojarzenia mają niewiele wspólnego z rzeczywistością. W tym przypadku jest podobnie: wodę można wycisnąć z kamieni, a związki organiczne mogą być bardzo suche.

Woda jest wszechobecną substancją na Ziemi i nic dziwnego, że można ją znaleźć również w innych związkach chemicznych. Czasem jest z nimi słabo powiązany, zamknięty w nich, objawia się w postaci utajonej lub jawnie buduje strukturę kryształów.

Po pierwsze. Najpierw…

…wilgoć

Wiele związków chemicznych ma tendencję do wchłaniania wody z otoczenia - na przykład dobrze znana sól kuchenna, która często skleja się w parnej i wilgotnej atmosferze kuchni. Takie substancje są higroskopijne i wilgoć, którą powodują higroskopijna woda. Jednak sól kuchenna wymaga odpowiednio wysokiej wilgotności względnej (patrz ramka: Ile wody jest w powietrzu?), aby związać parę wodną. Tymczasem na pustyni występują substancje, które mogą wchłaniać wodę z otoczenia.

Ile wody jest w powietrzu?

Wilgotność bezwzględna to ilość pary wodnej zawartej w jednostce objętości powietrza w danej temperaturze. Na przykład w temperaturze 0°С w odległości 1 m³ W powietrzu może znajdować się maksymalnie (aby nie doszło do kondensacji) około 5 g wody, w temperaturze 20°C – około 17 g wody, a w temperaturze 40°C – ponad 50 g. W ciepłej kuchni lub łazienka, jest więc dość mokra.

Wilgotność względna to stosunek ilości pary wodnej przypadającej na jednostkę objętości powietrza do ilości maksymalnej w danej temperaturze (wyrażony w procentach).

Następny eksperyment będzie wymagał sodu NaOH lub wodorotlenku potasu KOH. Umieść tabletkę złożoną (tak jak jest sprzedawana) na szkiełku zegarkowym i pozostaw na chwilę w powietrzu. Wkrótce zauważysz, że pastylka zaczyna pokrywać się kroplami płynu, a następnie rozprowadzać. Jest to efekt higroskopijności NaOH lub KOH. Umieszczając próbki w różnych pomieszczeniach domu, można porównać wilgotność względną tych miejsc (1).

1. Wytrącanie NaOH na szkiełku zegarkowym (po lewej) i ten sam osad po kilku godzinach w powietrzu (po prawej).

2. Eksykator laboratoryjny z żelem silikonowym (fot. Wikimedia/Hgrobe)

Chemicy i nie tylko oni rozwiązują problem wilgotności substancji. Woda higroskopijna jest to nieprzyjemne zanieczyszczenie związkiem chemicznym, a ponadto jego zawartość jest nietrwała. Fakt ten utrudnia zważenie ilości odczynnika potrzebnego do reakcji. Rozwiązaniem jest oczywiście wysuszenie substancji. Na skalę przemysłową dzieje się to w ogrzewanych komorach, czyli w powiększonej wersji domowego piekarnika.

W laboratoriach oprócz suszarek elektrycznych (ponownie piekarniki), eksykatory (również do przechowywania już wysuszonych odczynników). Są to naczynia szklane, szczelnie zamknięte, na dnie których znajduje się silnie higroskopijna substancja (2). Jego zadaniem jest pochłanianie wilgoci z wysuszonej mieszanki i utrzymywanie niskiej wilgotności wewnątrz eksykatora.

Przykłady osuszaczy: bezwodne sole CaCl.₂ I MgSOXNUMX₄, tlenek fosforu (V) P₄O₁₀ oraz wapń CaO i żel krzemionkowy (żel krzemionkowy). Te ostatnie znajdziesz również w postaci saszetek ze środkiem osuszającym umieszczanych w opakowaniach przemysłowych i spożywczych (3).

3. Żel silikonowy do ochrony produktów spożywczych i przemysłowych przed wilgocią.

Wiele osuszaczy można zregenerować, jeśli pochłoną zbyt dużo wody - wystarczy je rozgrzać.

Istnieje również zanieczyszczenie chemiczne. woda butelkowana. Wnika w kryształy podczas ich szybkiego wzrostu i tworzy przestrzenie wypełnione roztworem, z którego powstał kryształ, otoczone ciałem stałym. Możesz pozbyć się pęcherzyków cieczy w krysztale, rozpuszczając związek i rekrystalizując go, ale tym razem w warunkach, które spowalniają wzrost kryształu. Wtedy molekuły „ładnie” ułożą się w sieci krystalicznej, nie pozostawiając żadnych luk.

ukryta woda

W niektórych związkach woda występuje w postaci utajonej, ale chemik jest w stanie ją z nich wydobyć. Można założyć, że w odpowiednich warunkach uwolnisz wodę z dowolnego związku tlenowo-wodorowego. Sprawisz, że będzie oddawał wodę przez ogrzewanie lub działanie innej substancji, która silnie chłonie wodę. Woda w takim związku woda konstytucyjna. Wypróbuj obie metody odwadniania chemicznego.

4. Para wodna skrapla się w probówce, gdy chemikalia ulegają odwodnieniu.

Do probówki wsyp trochę sody oczyszczonej, tj. wodorowęglan sodu NaHCO.₃. Można go kupić w sklepie spożywczym i jest używany na przykład w kuchni. jako środek spulchniający do pieczenia (ale ma też wiele innych zastosowań).

Umieść probówkę w płomieniu palnika pod kątem około 45°, otworem wylotowym skierowanym do siebie. Jest to jedna z zasad higieny i bezpieczeństwa w laboratorium – w ten sposób zabezpieczasz się w przypadku nagłego uwolnienia podgrzanej substancji z probówki.

Ogrzewanie niekoniecznie mocne, reakcja rozpocznie się przy 60°C (wystarczy palnik na spirytus metylowany lub nawet świeca). Miej oko na górę naczynia. Jeśli rurka jest wystarczająco długa, na wylocie (4) zaczną zbierać się krople płynu. Jeśli ich nie widzisz, umieść zimne szkiełko nad wylotem probówki - skrapla się na nim para wodna wydzielająca się podczas rozkładu sody oczyszczonej (symbol D nad strzałką oznacza nagrzewanie się substancji):

5. Czarny wąż wychodzi ze szkła.

Drugi produkt gazowy, dwutlenek węgla, można wykryć za pomocą wody wapiennej, tj. roztwór nasycony wodorotlenek wapnia z (WŁ.)₂. Jego zmętnienie spowodowane wytrącaniem się węglanu wapnia wskazuje na obecność CO₂. Wystarczy nabrać kroplę roztworu na bagietkę i umieścić ją na końcu probówki. Jeśli nie masz wodorotlenku wapnia, przygotuj wodę wapienną, dodając roztwór NaOH do dowolnego rozpuszczalnego w wodzie roztworu soli wapnia.

W kolejnym eksperymencie użyjesz kolejnego odczynnika kuchennego - zwykłego cukru, czyli sacharozy C.₁₂H2₂O₁₁. Będziesz także potrzebował stężonego roztworu kwasu siarkowego H₂SO₄.

Od razu przypominam o zasadach pracy z tym niebezpiecznym odczynnikiem: wymagane są gumowe rękawice i okulary, a eksperyment przeprowadza się na plastikowej tacce lub folii.

Wlej cukier do małej zlewki o połowę mniej niż naczynie jest wypełnione. Teraz wlej roztwór kwasu siarkowego w ilości równej połowie wlanego cukru. Wymieszaj zawartość szklanym prętem, aby kwas był równomiernie rozprowadzony w całej objętości. Przez chwilę nic się nie dzieje, ale nagle cukier zaczyna ciemnieć, potem robi się czarny, aż w końcu zaczyna „opuszczać” naczynie.

Porowata czarna masa, która nie wygląda już jak biały cukier, wypełza ze szklanki jak wąż z koszyka fakirów. Całość się nagrzewa, widać kłęby pary wodnej, a nawet słychać syk (to też para wodna wydostająca się ze szczelin).

Doświadczenie jest atrakcyjne, z kategorii tzw. węże chemiczne (5). Za obserwowane efekty odpowiada higroskopijność stężonego roztworu H.₂SO₄. Jest tak duży, że woda dostaje się do roztworu z innych substancji, w tym przypadku sacharozy:

Pozostałości po odwodnieniu cukru są nasycane parą wodną (pamiętaj, że mieszając skoncentrowaną H₂SO₄ z wodą wydziela się dużo ciepła), co powoduje znaczne zwiększenie ich objętości i efekt uniesienia masy ze szkła.

Uwięziony w krysztale

6. Ogrzewanie krystalicznego siarczanu miedzi (II) w probówce. Widoczne jest częściowe odwodnienie związku.

I inny rodzaj wody zawartej w chemikaliach. Tym razem występuje ona jawnie (w przeciwieństwie do wody konstytucyjnej), a jej ilość jest ściśle określona (a nie arbitralna, jak w przypadku wody higroskopijnej). Ten woda krystalizacyjnaco nadaje kolor kryształom - po usunięciu rozpadają się na amorficzny proszek (co zobaczycie eksperymentalnie, jak na chemika przystało).

Zaopatrz się w niebieskie kryształy uwodnionego siarczanu miedzi(II) CuSO₄×5h₂O, jeden z najpopularniejszych odczynników laboratoryjnych. Niewielką ilość drobnych kryształków wsypać do probówki lub parownika (druga metoda jest lepsza, ale w przypadku niewielkiej ilości związku można również użyć probówki, o czym za miesiąc). Delikatnie rozpocznij grzanie nad płomieniem palnika (wystarczy lampa ze denaturatem).

Często potrząsaj tubą od siebie lub mieszaj bagietkę w parowniku umieszczonym w uchwycie statywu (nie pochylaj się nad szklanym naczyniem). Wraz ze wzrostem temperatury kolor soli zaczyna blednąć, aż w końcu staje się prawie biały. W takim przypadku krople cieczy zbierają się w górnej części probówki. Jest to woda usunięta z kryształków soli (podgrzanie ich w parowniku ujawni wodę poprzez umieszczenie zimnego szkła zegarkowego nad naczyniem), która w międzyczasie rozpadła się na proszek (6). Odwodnienie związku zachodzi etapami:

Dalszy wzrost temperatury powyżej 650°C powoduje rozkład bezwodnej soli. Biały proszek bezwodny CuSO₄ przechowywać w szczelnie zakręconym pojemniku (można włożyć do niego woreczek pochłaniający wilgoć).

Możesz zapytać: skąd wiemy, że odwodnienie zachodzi w sposób opisany równaniami? Albo dlaczego związki układają się według tego wzorca? Nad określeniem ilości wody w tej soli będziecie pracować w przyszłym miesiącu, teraz odpowiem na pierwsze pytanie. Metoda, dzięki której możemy zaobserwować zmianę masy substancji wraz ze wzrostem temperatury, nazywa się analiza termograwimetryczna. Substancję badaną umieszcza się na palecie, tzw. bilansie termicznym i ogrzewa, odczytując zmiany masy.

Oczywiście dzisiejsze termowagi same rejestrują dane, jednocześnie rysując odpowiedni wykres (7). Kształt krzywej wykresu pokazuje, w jakiej temperaturze „coś” się dzieje, np. substancja lotna jest uwalniana ze związku (utrata masy) lub łączy się z gazem w powietrzu (wtedy masa wzrasta). Zmiana masy pozwala określić, co iw jakiej ilości się zmniejszyło lub zwiększyło.

7. Wykres krzywej termograwimetrycznej krystalicznego siarczanu miedzi(II).

uwodniony CuSO₄ ma prawie taki sam kolor jak jego roztwór wodny. To nie jest przypadek. Jon Cu w roztworze₂+ otoczony jest sześcioma cząsteczkami wody, aw krysztale czterema, leżącymi w rogach kwadratu, którego jest środkiem. Powyżej i poniżej jonu metalu znajdują się aniony siarczanowe, z których każdy „służy” dwóm sąsiednim kationom (więc stechiometria jest poprawna). Ale gdzie jest piąta cząsteczka wody? Leży między jednym z jonów siarczanowych a cząsteczką wody w pasie otaczającym jon miedzi (II).

I znowu dociekliwy czytelnik zapyta: skąd o tym wiesz? Tym razem ze zdjęć kryształów uzyskanych przez naświetlanie ich promieniami rentgenowskimi. Jednak wyjaśnienie, dlaczego związek bezwodny jest biały, a związek uwodniony niebieski, to zaawansowana chemia. Pora, żeby się uczyła.

Zobacz także: