Мокрі стосунки – частина 1

Неорганічні сполуки зазвичай пов'язані з вологою, а органічні – навпаки. Адже перші є сухі породи, а другі походять з водних живих організмів. Проте найпоширеніші асоціації мають мало спільного із реальністю. В цьому випадку аналогічно: з каменів можна вичавити воду, а органічні сполуки можуть бути дуже сухими.

Вода - всюдисуща речовина на Землі, і не дивно, що її можна знайти і в інших хімічних сполуках. Іноді вона слабко пов'язана з ними, укладена всередині них, проявляється у прихованій формі або відкрито вибудовує структуру кристалів.

Насамперед. На початку…

…волога

Багато хімічних сполук мають тенденцію поглинати воду з навколишнього середовища — наприклад, добре відома кухонна сіль, яка часто злипається у парній та вологій атмосфері кухні. Такі речовини гігроскопічні, і волога, яку вони спричиняють, гігроскопічна вода. Однак для кухонної солі потрібна досить висока відносна вологість (див. вставку: Скільки води у повітрі?), щоб зв'язати водяну пару. Тим часом у пустелі є речовини, здатні поглинати воду з навколишнього середовища.

Скільки води у повітрі?

Абсолютна вологість це кількість водяної пари, що міститься в одиниці об'єму повітря за даної температури. Наприклад, при 0°С 1 м³ У повітрі може бути максимум (щоб не було конденсату) близько 5 г води, при 20 ° С - близько 17 г води, а при 40 ° С - більше 50 г. У теплій кухні або ванній тому досить мокрий.

Відносна вологість є відношенням кількості водяної пари в одиниці об'єму повітря до максимальної кількості при даній температурі (виражається у відсотках).

Для наступного експерименту потрібно натрій NaOH або гідроксид калію KOH. Покладіть складову таблетку (як вони продаються) на годинникове скло і залиште на повітрі на деякий час. Незабаром ви помітите, що пастилка починає покриватись краплями рідини, а потім розтікатися. Це ефект гігроскопічності NaOH чи KOH. Розмістивши зразки у різних кімнатах будинку, ви порівняєте відносну вологість цих місць (1).

1. Осад NaOH на годинному склі (ліворуч) і той же осад через кілька годин на повітрі (праворуч).

2. Лабораторний ексікатор із силіконовим гелем (фото: Wikimedia/Hgrobe)

Хіміки, і вони, вирішують проблему вологості речовини. Гігроскопічна вода це неприємне забруднення хімічною сполукою, яке вміст, крім того, непостійно. Цей факт ускладнює зважування кількості реагенту, необхідного для реакції. Рішення, звичайно, полягає в тому, щоб висушити речовину. У промислових масштабах це відбувається в опалювальних камерах, тобто у збільшеній версії домашньої печі.

У лабораторіях, крім електросушарок (знову ж таки духовки), застосовується eksykatory (Також для зберігання вже висушених реагентів). Це скляні судини, щільно закриті, на дні яких знаходиться дуже гігроскопічна речовина (2). Його завдання полягає в тому, щоб поглинати вологу з висушеного з'єднання та підтримувати низьку вологість усередині ексікатора.

Приклади осушувачів: безводні солі CaCl.₂ я MgSO₄, оксиди фосфору (V) P₄O₁₀ і кальцій CaO та силікагель (силікагель). Ви також знайдете останній як вміст пакетиків-вологопоглиначів, поміщених в упаковки промислових і харчових продуктів (3).

3. Силіконовий гель для захисту харчових та промислових виробів від вологи.

Багато осушувачів можна регенерувати, якщо вони поглинають дуже багато води – просто підігрійте їх.

Також має місце забруднення хімічними сполуками закупорена вода. Він проникає всередину кристалів при їх швидкому зростанні та створює простори, заповнені розчином, з якого утворився кристал, оточені твердим тілом. Ви можете позбутися бульбашок рідини в кристалі, розчинивши з'єднання і перекристалізувавши його, але цього разу в умовах, які уповільнять зростання кристала. Тоді молекули «акуратно» влаштуються в кристалічній решітці, не залишаючи зазорів.

Прихована вода

У деяких з'єднаннях вода існує в прихованому вигляді, але хімік здатний витягти її з них. Можна припустити, що ви виділятимете воду з будь-якої киснево-водневої сполуки за правильних умов. Ви змусите його віддавати воду нагріванням або дією іншої речовини, яка сильно поглинає воду. Вода у таких відносинах конституційна вода. Спробуйте обидва методи зневоднення хімікатів.

4. Водяна пара конденсується в пробірці при зневодненні хімічних речовин.

Насипте пробірку трохи харчової соди, тобто. гідрокарбонату натрію NaHCO.₃. Ви можете отримати його у продуктовому магазині, а на кухні він використовується, наприклад. як розпушувач для випічки (але також має багато інших застосувань).

Помістіть пробірку в полум'я пальника під кутом приблизно 45° так, щоб вихідний отвір був спрямований проти вас. Це один із принципів гігієни та безпеки лабораторії – так ви убезпечите себе у разі раптового викиду нагрітої речовини з пробірки.

Нагрів не обов'язково сильний, реакція почнеться при 60 ° С (достатньо пальника з денатуратом або навіть свічки). Слідкуйте за верхньою частиною судини. Якщо трубка досить довга, на виході (4) почнуть збиратися краплі рідини. Якщо їх не бачите, поставте над вихідним отвором пробірки холодне годинникове скло — на ньому конденсуються водяні пари, що виділяються при розкладанні харчової соди (символ D над стрілкою вказує на нагрівання речовини):

5. Чорний шланг виходить із склянки.

Другий газоподібний продукт – вуглекислий газ – можна знайти з допомогою вапняної води, тобто. насиченого розчину гідроксид кальцію сб (ON)₂. Його каламутність, спричинена осадженням карбонату кальцію, свідчить про наявність CO.₂. Достатньо взяти краплю розчину на багет і помістити його на кінець пробірки. Якщо у вас немає гідроксиду кальцію, зробіть вапняну воду, додавши розчин NaOH розчин будь-якої водорозчинної солі кальцію.

У наступному експерименті ви використовуватимете наступний кухонний реагент - звичайний цукор, тобто сахарозу С.₁₂H2₂O₁₁. Ще знадобиться концентрований розчин сірчаної кислоти H₂SO₄.

Відразу нагадую правила роботи з цим небезпечним реагентом: обов'язкові гумові рукавички та окуляри, а досвід проводиться на пластиковій таці або поліетиленовій плівці.

У маленьку мензурку насипати цукор вдвічі менше, ніж заповнюється судина. Тепер влийте розчин сірчаної кислоти в кількості, що дорівнює половині всипаного цукру. Перемішайте вміст скляною паличкою, щоб кислота рівномірно розподілилася по всьому об'єму. Деякий час нічого не відбувається, але раптом цукор починає темніти, потім чорніє і, нарешті, починає виходити з судини.

Пориста чорна маса, що вже не схожа на білий цукор, вилазить зі склянки, як змія з кошика факірів. Вся ця справа прогрівається, видно хмари водяної пари і навіть чутно шипіння (це теж водяна пара, що виривається з щілин).

Досвід привабливий, із розряду т.зв. хімічні шланги (5). Гігроскопічність концентрованого розчину H відповідальна за ефекти, що спостерігаються.₂SO₄. Вона настільки велика, що в розчин надходить вода з інших речовин, в даному випадку цукрози:

Залишки дегідратації цукру насичуються парами води (пам'ятайте, що при змішуванні концентрованих H₂SO₄ з водою виділяється багато тепла), що викликає значне збільшення їх обсягу та ефект підйому маси зі склянки.

У пастці в кристалі

6. Нагрівання кристалічного сульфату міді (II) у пробірці. Видно часткову дегідратацію з'єднання.

І ще один вид води, що міститься у хімікатах. Цього разу вона проявляється явно (на відміну конституційної води), і її кількість суворо визначено (а чи не довільно, як і разі гігроскопічної води). Цей кристалізаційна водащо надає колір кристалам – при знятті вони розпадаються на аморфний порошок (що ви побачите експериментально, як і належить хіміку).

Запасіться блакитними кристалами сульфату гідратованого міді (II) CuSO₄×5год₂О, один із найпопулярніших лабораторних реагентів. Насипте невелику кількість дрібних кристалів у пробірку або випарник (другий спосіб краще, але у разі невеликої кількості з'єднання можна використовувати пробірку; про це через місяць). Обережно почніть нагрівати над полум'ям пальника (достатньо денатурованої спиртової лампи).

Часто струшуйте пробірку, відвернувши від себе або розмішуйте багетом у випарнику, поміщеному в ручку штатива (не нахиляйтеся над посудом). У міру підвищення температури колір солі починає тьмяніти, поки, нарешті, вона стане майже білою. При цьому у верхній частині пробірки збираються краплі рідини. Це вода, віддалена з кристалів солі (нагріваючи їх у випарнику, ви виявите воду, помістивши над посудиною холодне скло), яка тим часом розпалася в порошок (6). Дегідратація сполуки відбувається поетапно:

Подальше підвищення температури вище 650 ° С викликає розкладання безводної солі. Білий порошок безводного CuSO₄ зберігати в посуді, що щільно загвинчується (в нього можна покласти вологопоглинаючий пакетик).

Ви можете запитати: звідки ми знаємо, що зневоднення відбувається, як описується рівняннями? Або чому стосунки наслідують цей зразок? Визначенням кількості води в цій солі ви займетеся наступного місяця, зараз я відповім на перше запитання. Метод, за допомогою якого ми можемо спостерігати зміну маси речовини у разі підвищення температури, називається термогравіметричний аналіз. Досліджувана речовина міститься на піддон, так званий термобаланс і нагріває, зчитуючи зміни ваги.

Звичайно, сьогодні термоваги самі фіксують дані, заразом малюючи відповідний графік (7). Форма кривої графіка показує, за якої температури «щось» походить, наприклад, з'єднання виділяється летюча речовина (втрата ваги) або вона з'єднується з газом у повітрі (тоді маса збільшується). Зміна маси дозволяє визначити, що й у якій кількості зменшилося чи збільшилося.

7. Графік термогравіметричної кривої кристалічного сульфату міді (ІІ).

Гідратований CuSO₄ він має майже такий самий колір, як і його водний розчин. Це не збіг. Іон Cu у розчині₂+ оточений шістьма молекулами води, а в кристалі – чотирма, що лежать по кутах квадрата, центром якого він є. Вище і нижче іона металу знаходяться сульфат-аніони, кожен з яких «обслуговує» два сусідні катіони (так що стехіометрія вірна). Але де п'ята молекула води? Він лежить між одним із сульфатних іонів і молекулою води в поясі, що оточує іон міді (II).

І знову цікавий читач запитає: звідки ви це знаєте? На цей раз із зображень кристалів, отриманих шляхом опромінення їх рентгенівськими променями. Однак пояснення того, чому безводне з'єднання білого кольору, а гідратоване з'єднання синього кольору, це просунута хімія. Їй настав час вчитися.

Дивіться також: