Mitrās attiecības - 1. daļa
Neorganiskie savienojumi parasti nav saistīti ar mitrumu, savukārt organiskie savienojumi ir otrādi. Galu galā pirmie ir sausi ieži, bet pēdējie nāk no ūdens dzīviem organismiem. Tomēr plaši izplatītajām asociācijām ar realitāti ir maz sakara. Šajā gadījumā tas ir līdzīgi: no akmeņiem var izspiest ūdeni, un organiskie savienojumi var būt ļoti sausi.
Ūdens ir visuresoša viela uz Zemes, un nav pārsteidzoši, ka to var atrast arī citos ķīmiskos savienojumos. Dažkārt tas ir vāji saistīts ar tiem, ietverts tajos, izpaužas latentā formā vai atklāti veido kristālu struktūru.
Pirmās lietas vispirms. Sākumā…
…mitrums
Daudzi ķīmiskie savienojumi mēdz uzsūkt ūdeni no savas vides – piemēram, labi zināmais galda sāls, kas virtuves tveicīgajā un mitrajā atmosfērā bieži saspiežas kopā. Šādas vielas ir higroskopiskas un to radītais mitrums higroskopisks ūdens. Tomēr galda sālim ir nepieciešams pietiekami augsts relatīvais mitrums (skatiet lodziņu: Cik daudz ūdens ir gaisā?), lai saistītu ūdens tvaikus. Tikmēr tuksnesī ir vielas, kas spēj absorbēt ūdeni no apkārtējās vides.
Cik daudz ūdens ir gaisā?
Absolūtais mitrums ir ūdens tvaiku daudzums, kas atrodas gaisa tilpuma vienībā noteiktā temperatūrā. Piemēram, pie 0°С 1 m3 Gaisā maksimāli var būt (lai neveidotos kondensāts) apmēram 5 g ūdens, 20 ° C temperatūrā - apmēram 17 g ūdens, bet 40 ° C temperatūrā - vairāk nekā 50 g. Siltā virtuvē vai vannas istaba, tāpēc tā ir diezgan mitra.
Relatīvais mitrums ir ūdens tvaiku daudzuma uz gaisa tilpuma vienību attiecība pret maksimālo daudzumu noteiktā temperatūrā (izteikta procentos).
Nākamajam eksperimentam būs nepieciešams nātrija NaOH vai kālija hidroksīds KOH. Novietojiet saliktu tableti (kā tās tiek pārdotas) uz pulksteņa stikla un atstājiet uz laiku gaisā. Drīz jūs pamanīsit, ka pastila sāk pārklāties ar šķidruma pilieniem un pēc tam izplatīties. Tā ir NaOH vai KOH higroskopiskuma ietekme. Novietojot paraugus dažādās mājas telpās, varat salīdzināt šo vietu relatīvo mitrumu (1).
1. NaOH nogulsnes uz pulksteņa stikla (pa kreisi) un tās pašas nogulsnes pēc dažām stundām gaisā (pa labi).
2. Laboratorijas eksikators ar silikona gēlu (foto: Wikimedia/Hgrobe)
Ķīmiķi, un ne tikai viņi, risina vielas mitruma satura problēmu. Higroskopisks ūdens tas ir nepatīkams piesārņojums ar ķīmisku savienojumu, turklāt tā saturs ir nestabils. Šis fakts apgrūtina reakcijai nepieciešamā reaģenta daudzuma nosvēršanu. Risinājums, protams, ir vielas žāvēšana. Rūpnieciskā mērogā tas notiek apsildāmās kamerās, tas ir, palielinātā mājas krāsns versijā.
Laboratorijās papildus elektriskajiem žāvētājiem (atkal krāsnīm), eksikatorija (arī jau izžuvušu reaģentu uzglabāšanai). Tie ir cieši noslēgti stikla trauki, kuru apakšā ir ļoti higroskopiska viela (2). Tās uzdevums ir absorbēt mitrumu no žāvētā maisījuma un uzturēt zemu mitrumu eksikatorā.
Desikantu piemēri: bezūdens CaCl sāļi.2 MgSO4, fosfora (V) oksīdi P4O10 un kalcija CaO un silikagelu (silikagelu). Pēdējo jūs atradīsiet arī desikantu paciņu veidā, kas ievietotas rūpnieciskos un pārtikas iepakojumos (3).
3. Silikona gēls pārtikas un rūpniecības preču aizsardzībai no mitruma.
Daudzus gaisa sausinātājus var atjaunot, ja tie absorbē pārāk daudz ūdens – vienkārši uzsildiet tos.
Ir arī ķīmisks piesārņojums. ūdens pudelēs. Tas iekļūst kristālos to straujās augšanas laikā un rada telpas, kas piepildītas ar šķīdumu, no kura veidojās kristāls, ko ieskauj cieta viela. Jūs varat atbrīvoties no šķidrajiem burbuļiem kristālā, izšķīdinot savienojumu un pārkristalizējot to, bet šoreiz apstākļos, kas palēnina kristāla augšanu. Tad molekulas “glīti” nogulēsies kristāla režģī, neatstājot spraugas.
slēptais ūdens
Dažos savienojumos ūdens pastāv latentā formā, bet ķīmiķis spēj to no tiem iegūt. Var pieņemt, ka pareizos apstākļos jūs atbrīvosit ūdeni no jebkura skābekļa-ūdeņraža savienojuma. Jūs liksit tai atteikties no ūdens, karsējot vai iedarbojoties ar kādu citu vielu, kas spēcīgi uzsūc ūdeni. Ūdens šādās attiecībās konstitucionālais ūdens. Izmēģiniet abas ķīmiskās dehidratācijas metodes.
4. Kad ķīmiskās vielas tiek dehidrētas, mēģenē kondensējas ūdens tvaiki.
Mēģenē ieber nedaudz cepamās sodas, t.i. nātrija bikarbonāts NaHCO.3. To var iegādāties pārtikas preču veikalā, un to izmanto, piemēram, virtuvē. kā raudzēšanas līdzeklis cepšanai (bet tam ir arī daudz citu pielietojumu).
Novietojiet mēģeni degļa liesmā aptuveni 45° leņķī ar izejas atveri pret jums. Tas ir viens no laboratorijas higiēnas un drošības principiem – šādi jūs pasargājat sevi, ja no mēģenes pēkšņi izplūst sakarsusi viela.
Sildīšana ne vienmēr ir spēcīga, reakcija sāksies 60 ° C temperatūrā (pietiek ar metilspirta degli vai pat sveci). Pievērsiet uzmanību kuģa augšdaļai. Ja caurule ir pietiekami gara, pie izejas (4) sāks savākties šķidruma pilieni. Ja jūs tos neredzat, novietojiet aukstu pulksteņa stiklu virs mēģenes izplūdes atveres - uz tās kondensējas ūdens tvaiki, kas izdalās cepamās sodas sadalīšanās laikā (simbols D virs bultiņas norāda uz vielas karsēšanu):
5. No krūzes iznāk melna šļūtene.
Otro gāzveida produktu, oglekļa dioksīdu, var noteikt, izmantojot kaļķa ūdeni, t.i. piesātināts šķīdums kalcija hidroksīds Sa (ON)2. Tā duļķainība, ko izraisa kalcija karbonāta nogulsnēšanās, liecina par CO klātbūtni2. Pietiek paņemt pilienu šķīduma uz bagetes un novietot to mēģenes galā. Ja jums nav kalcija hidroksīda, pagatavojiet kaļķa ūdeni, pievienojot NaOH šķīdumu jebkuram ūdenī šķīstošam kalcija sāls šķīdumam.
Nākamajā eksperimentā jūs izmantosit nākamo virtuves reaģentu - parasto cukuru, tas ir, saharozi C.12H22O11. Jums būs nepieciešams arī koncentrēts sērskābes H šķīdums2SO4.
Es nekavējoties atgādinu par noteikumiem darbam ar šo bīstamo reaģentu: ir nepieciešami gumijas cimdi un aizsargbrilles, un eksperiments tiek veikts uz plastmasas paplātes vai plastmasas iesaiņojuma.
Mazā vārglāzē ieber cukuru uz pusi tik daudz, cik trauks ir piepildīts. Tagad ielej sērskābes šķīdumu tādā daudzumā, kas vienāds ar pusi izlietā cukura. Samaisiet saturu ar stikla stienīti, lai skābe vienmērīgi sadalītos visā tilpumā. Kādu laiku nekas nenotiek, bet pēkšņi cukurs sāk kļūt tumšāks, tad kļūst melns un beidzot sāk "atstāt" trauku.
Poraina melna masa, kas vairs neizskatās pēc baltā cukura, kā čūska no fakīru groza lien laukā no stikla. Viss sasilst, ir redzami ūdens tvaiku mākoņi un atskan pat šņākšana (tas arī ir ūdens tvaiki, kas izplūst no plaisām).
Pieredze atraktīva, no kategorijas t.s. ķīmiskās šļūtenes (5). Koncentrēta H šķīduma higroskopiskums ir atbildīgs par novērotajām sekām.2SO4. Tas ir tik liels, ka ūdens nokļūst šķīdumā no citām vielām, šajā gadījumā no saharozes:
Cukura dehidratācijas atlikumi ir piesātināti ar ūdens tvaikiem (atcerieties, ka, sajaucot koncentrētu H2SO4 ar ūdeni izdalās daudz siltuma), kas izraisa ievērojamu to tilpuma palielināšanos un masas pacelšanas efektu no stikla.
Ieslodzīts kristālā
6. Kristāliskā vara sulfāta (II) karsēšana mēģenē. Ir redzama savienojuma daļēja dehidratācija.
Un cita veida ūdens, ko satur ķīmiskas vielas. Šoreiz tas parādās skaidri (atšķirībā no konstitucionālā ūdens), un tā daudzums ir stingri noteikts (un nav patvaļīgs, kā tas ir higroskopiskā ūdens gadījumā). Šis kristalizācijas ūdenskas piešķir kristāliem krāsu - noņemot tie sadalās amorfā pulverī (ko redzēsiet eksperimentāli, kā jau ķīmiķim pienākas).
Uzkrāj zilos hidratētā vara(II) sulfāta CuSO kristālus4× 5ч2Ak, viens no populārākajiem laboratorijas reaģentiem. Nelielu daudzumu mazu kristāliņu ieber mēģenē vai iztvaicētājā (labāka ir otrā metode, bet neliela savienojuma daudzuma gadījumā var izmantot arī mēģeni; par to pēc mēneša). Uzmanīgi sāciet karsēt virs degļa liesmas (pietiks ar denaturēta spirta lampu).
Bieži kratiet mēģeni prom no sevis vai maisiet bageti iztvaicētājā, kas atrodas statīva rokturī (neliecieties pāri stikla traukiem). Temperatūrai paaugstinoties, sāls krāsa sāk izbalēt, līdz beidzot tā kļūst gandrīz balta. Šajā gadījumā mēģenes augšējā daļā sakrājas šķidruma pilieni. Tas ir ūdens, kas tiek noņemts no sāls kristāliem (karsējot tos iztvaicētājā, ūdens tiks atklāts, virs trauka novietojot aukstu pulksteņa stiklu), kas tikmēr ir sadalījies pulverī (6). Savienojuma dehidratācija notiek posmos:
Tālāka temperatūras paaugstināšanās virs 650°C izraisa bezūdens sāls sadalīšanos. Balts pulveris bezūdens CuSO4 uzglabāt cieši pieskrūvētā traukā (tajā var ievietot mitrumu uzsūcošu maisiņu).
Jūs varat jautāt: kā mēs zinām, ka dehidratācija notiek, kā aprakstīts vienādojumos? Vai arī kāpēc attiecības seko šim modelim? Pie ūdens daudzuma noteikšanas šajā sālī strādāsiet nākammēnes, tagad atbildēšu uz pirmo jautājumu. Tiek saukta metode, ar kuras palīdzību mēs varam novērot vielas masas izmaiņas, palielinoties temperatūrai termogravimetriskā analīze. Testējamo vielu novieto uz paletes, tā sauktā termiskā līdzsvara, un karsē, nolasot svara izmaiņas.
Protams, mūsdienās termobalansi paši ieraksta datus, vienlaikus uzzīmējot atbilstošo grafiku (7). Grafika līknes forma parāda, kādā temperatūrā "kaut kas" notiek, piemēram, no savienojuma izdalās gaistoša viela (svara zudums) vai tā savienojas ar gāzi gaisā (tad masa palielinās). Masas izmaiņas ļauj noteikt, kas un kādā daudzumā ir samazinājies vai palielinājies.
7. Kristāliskā vara(II) sulfāta termogravimetriskās līknes grafiks.
Hidrats CuSO4 tai ir gandrīz tāda pati krāsa kā tā ūdens šķīdumam. Tā nav nejaušība. Cu jons šķīdumā2+ ieskauj sešas ūdens molekulas, bet kristālā - četras, kas atrodas kvadrāta stūros, kura centrs tas atrodas. Virs un zem metāla jona atrodas sulfātu anjoni, no kuriem katrs "apkalpo" divus blakus esošus katjonus (tātad stehiometrija ir pareiza). Bet kur ir piektā ūdens molekula? Tas atrodas starp vienu no sulfāta joniem un ūdens molekulu joslā, kas ieskauj vara (II) jonu.
Un atkal zinātkārais lasītājs jautās: kā jūs to zināt? Šoreiz no kristālu attēliem, kas iegūti, tos apstarojot ar rentgena stariem. Tomēr izskaidrošana, kāpēc bezūdens savienojums ir balts un hidratēts savienojums ir zils, ir progresīva ķīmija. Viņai ir pienācis laiks mācīties.
Skatīt arī:
