Mokrý vztah - část 1

Anorganické sloučeniny obvykle nejsou spojeny s vlhkostí, zatímco organické sloučeniny jsou naopak. Koneckonců, první jsou suché horniny a druhé pocházejí z vodních živých organismů. Rozšířené asociace však nemají s realitou mnoho společného. V tomto případě je to podobné: z kamenů lze vytlačit vodu a organické sloučeniny mohou být velmi suché.

Voda je na Zemi všudypřítomná látka a není divu, že ji můžeme najít i v jiných chemických sloučeninách. Někdy je s nimi volně spojena, uzavřena v nich, projevuje se v latentní podobě nebo otevřeně buduje strukturu krystalů.

Pěkně popořádku. Na začátku…

… Vlhkost

Mnohé chemické sloučeniny mají tendenci absorbovat vodu ze svého prostředí – například známá kuchyňská sůl, která se v zapařené a vlhké atmosféře kuchyně často shlukuje. Tyto látky jsou hygroskopické a vlhkost, kterou způsobují hygroskopická voda. Kuchyňská sůl však vyžaduje dostatečně vysokou relativní vlhkost (viz rámeček: Kolik vody je ve vzduchu?), aby vázala vodní páru. Mezitím v poušti existují látky, které mohou absorbovat vodu z prostředí.

Kolik vody je ve vzduchu?

Absolutní vlhkost je množství vodní páry obsažené v jednotkovém objemu vzduchu při dané teplotě. Například při 0°С v 1 m³ Ve vzduchu může být maximálně (aby nedocházelo ke kondenzaci) cca 5 g vody, při 20 ° C - cca 17 g vody a při 40 ° C - více než 50 g. V teplé kuchyni popř. koupelna, je tedy dost mokrá.

Relativní vlhkost je poměr množství vodní páry na jednotku objemu vzduchu k maximálnímu množství při dané teplotě (vyjádřeno v procentech).

Další experiment bude vyžadovat NaOH sodný nebo hydroxid draselný KOH. Umístěte složenou tabletu (jak se prodávají) na hodinové sklíčko a nechte chvíli na vzduchu. Brzy si všimnete, že pastilka začíná být pokryta kapkami tekutiny a poté se roztírá. To je účinek hygroskopičnosti NaOH nebo KOH. Umístěním vzorků do různých místností domu můžete porovnat relativní vlhkost těchto míst (1).

1. Precipitace NaOH na hodinovém sklíčku (vlevo) a stejná sraženina po několika hodinách na vzduchu (vpravo).

2. Laboratorní exsikátor se silikonovým gelem (foto: Wikimedia/Hgrobe)

Chemici, a nejen oni, řeší problém s vlhkostí látky. Hygroskopická voda jde o nepříjemnou kontaminaci chemickou sloučeninou a její obsah je navíc nestabilní. Tato skutečnost ztěžuje vážení množství činidla potřebného pro reakci. Řešením je samozřejmě hmotu vysušit. V průmyslovém měřítku se to děje ve vyhřívaných komorách, tedy ve zvětšené verzi domácí trouby.

V laboratořích se kromě elektrických sušiček (opět pecí) exykatory (také pro skladování již vysušených činidel). Jedná se o skleněné nádoby, těsně uzavřené, na jejichž dně je vysoce hygroskopická látka (2). Jeho úkolem je absorbovat vlhkost ze sušené směsi a udržovat vlhkost uvnitř exsikátoru na nízké úrovni.

Příklady desikantů: Bezvodé CaCl soli.₂ I MgSO₄, oxidy fosforu (V) P₄O₁₀ a vápník CaO a silikagel (silikagel). Poslední jmenované najdete také ve formě sáčků s vysoušedlem umístěných v průmyslových a potravinářských obalech (3).

3. Silikonový gel k ochraně potravin a průmyslových výrobků před vlhkostí.

Mnoho odvlhčovačů může být regenerováno, pokud absorbují příliš mnoho vody – stačí je zahřát.

Dochází také k chemické kontaminaci. balená voda. Proniká do krystalů při jejich rychlém růstu a vytváří prostory vyplněné roztokem, ze kterého krystal vznikl, obklopené pevnou látkou. Kapalných bublin v krystalu se můžete zbavit rozpuštěním sloučeniny a její rekrystalizací, ale tentokrát za podmínek, které zpomalují růst krystalu. Poté se molekuly „úhledně“ usadí v krystalové mřížce a nezanechají žádné mezery.

skrytá voda

V některých sloučeninách existuje voda v latentní formě, ale chemik ji z nich dokáže extrahovat. Dá se předpokládat, že za správných podmínek uvolníte vodu z jakékoli kyslíko-vodíkové sloučeniny. Vodu přimějete zahřátím nebo působením jiné látky, která vodu silně absorbuje. Voda v takovém vztahu konstituční voda. Vyzkoušejte oba způsoby chemické dehydratace.

4. Vodní pára kondenzuje ve zkumavce při dehydrataci chemikálií.

Do zkumavky nasypte trochu jedlé sody, tzn. hydrogenuhličitan sodný NaHCO.₃. Seženete ho v potravinách a používá se například v kuchyni. jako kypřící prostředek do pečení (má ale i mnoho dalších využití).

Umístěte zkumavku do plamene hořáku pod úhlem přibližně 45° s výstupním otvorem směrem k vám. To je jedna ze zásad laboratorní hygieny a bezpečnosti – tak se chráníte při náhlém úniku zahřáté látky ze zkumavky.

Zahřívání nemusí být nutně silné, reakce začne při 60 °C (stačí lihový kahan nebo dokonce svíčka). Sledujte horní část nádoby. Pokud je trubice dostatečně dlouhá, začnou se na výstupu (4) shromažďovat kapky kapaliny. Pokud je nevidíte, umístěte na vývod ze zkumavky studené hodinové sklíčko - vodní pára uvolněná při rozkladu jedlé sody na něm kondenzuje (symbol D nad šipkou označuje zahřívání látky):

5. Ze sklenice vychází černá hadice.

Druhý plynný produkt, oxid uhličitý, lze detekovat pomocí vápenné vody, tzn. nasycený roztok hydroxid vápenatý So (ON)₂. Jeho zákal způsobený srážením uhličitanu vápenatého svědčí o přítomnosti CO₂. Stačí nabrat kapku roztoku na bagetu a umístit ji na konec zkumavky. Pokud nemáte hydroxid vápenatý, připravte si vápennou vodu přidáním roztoku NaOH do jakéhokoli ve vodě rozpustného roztoku vápenaté soli.

V dalším pokusu použijete další kuchyňské činidlo – běžný cukr, tedy sacharózu C.₁₂H2₂O₁₁. Budete také potřebovat koncentrovaný roztok kyseliny sírové H₂SO₄.

Okamžitě vám připomínám pravidla pro práci s tímto nebezpečným činidlem: jsou vyžadovány gumové rukavice a brýle a experiment se provádí na plastovém tácu nebo plastovém obalu.

Do malé kádinky nasypte cukr do poloviny, než je naplněná nádoba. Nyní nalijte roztok kyseliny sírové v množství rovnajícím se polovině nalitého cukru. Obsah promíchejte skleněnou tyčinkou, aby se kyselina rovnoměrně rozprostřela po celém objemu. Chvíli se nic neděje, ale najednou cukr začne tmavnout, pak zčerná a nakonec začne nádobu „opouštět“.

Porézní černá hmota, která už nevypadá jako bílý cukr, leze ze sklenice jako had z fakírského koše. Celé se to prohřeje, jsou vidět oblaka vodní páry a je slyšet i syčení (to je i vodní pára unikající z prasklin).

Zážitek je atraktivní, z kategorie tzv. chemické hadice (5). Za pozorované účinky je zodpovědná hygroskopičnost koncentrovaného roztoku H.₂SO₄. Je tak velký, že voda vstupuje do roztoku z jiných látek, v tomto případě sacharózy:

Zbytky dehydratace cukru jsou nasyceny vodní párou (pamatujte, že při míchání koncentrovaného H₂SO₄ s vodou se uvolňuje hodně tepla), což způsobí výrazné zvětšení jejich objemu a efekt zvedání hmoty ze skla.

Uvězněný v krystalu

6. Zahřívání krystalického síranu měďnatého (II) ve zkumavce. Je viditelná částečná dehydratace sloučeniny.

A další druh vody obsažený v chemikáliích. Tentokrát se objevuje explicitně (na rozdíl od konstituční vody) a její množství je přísně definované (a nikoli libovolné, jako v případě hygroskopické vody). Tento krystalizační vodaco dává krystalům barvu - po odstranění se rozpadnou na amorfní prášek (což experimentálně uvidíte, jak se na chemika sluší).

Zásobte modrými krystaly hydratovaného síranu měďnatého CuSO₄× 5h₂Jedno z nejoblíbenějších laboratorních činidel. Malé množství malých krystalků nasypte do zkumavky nebo odparky (lepší je druhý způsob, ale v případě malého množství sloučeniny lze použít i zkumavku, více za měsíc). Jemně začněte zahřívat nad plamenem hořáku (postačí lampa s denaturovaným lihem).

Zkumavku od sebe často protřepávejte nebo bagetu míchejte ve výparníku umístěném v rukojeti stativu (nenaklánějte se nad nádobí). Jak teplota stoupá, barva soli začíná blednout, až nakonec zbělá. V tomto případě se kapky kapaliny shromažďují v horní části zkumavky. To je voda odstraněná z krystalů soli (jejich zahřátím ve výparníku se voda odhalí přiložením studeného hodinového sklíčka nad nádobu), která se mezitím rozpadla na prášek (6). Dehydratace sloučeniny probíhá ve fázích:

Další zvýšení teploty nad 650 °C způsobí rozklad bezvodé soli. Bílý prášek bezvodý CuSO₄ skladujte v pevně přišroubované nádobě (můžete do ní vložit sáček pohlcující vlhkost).

Můžete se zeptat: jak víme, že dochází k dehydrataci, jak je popsáno v rovnicích? Nebo proč se vztahy řídí tímto vzorem? Na stanovení množství vody v této soli budete pracovat příští měsíc, nyní odpovím na první otázku. Metoda, pomocí které můžeme pozorovat změnu hmotnosti látky s rostoucí teplotou, se nazývá termogravimetrická analýza. Testovaná látka se umístí na paletu, tzv. tepelnou váhu, a zahřívá se, přičemž se odečítají změny hmotnosti.

Termováhy dnes samozřejmě zaznamenávají data samy a zároveň kreslí odpovídající graf (7). Tvar křivky grafu ukazuje, při jaké teplotě se „něco“ děje, např. se ze sloučeniny uvolní těkavá látka (ztráta hmotnosti) nebo se spojí s plynem ve vzduchu (pak se hmotnost zvětší). Změna hmotnosti umožňuje určit, co a v jakém množství se snížilo nebo zvýšilo.

7. Graf termogravimetrické křivky krystalického síranu měďnatého.

Hydratovaný CuSO₄ má téměř stejnou barvu jako jeho vodný roztok. To není náhoda. Cu iont v roztoku₂+ je obklopeno šesti molekulami vody a v krystalu čtyřmi, které leží v rozích čtverce, jehož je středem. Nad a pod kovovým iontem jsou síranové anionty, z nichž každý „obsluhuje“ dva sousední kationty (takže stechiometrie je správná). Ale kde je pátá molekula vody? Leží mezi jedním ze síranových iontů a molekulou vody v pásu obklopujícím iont mědi (II).

A opět se zvídavý čtenář zeptá: jak to víte? Tentokrát ze snímků krystalů získaných ozářením rentgenovým zářením. Vysvětlení, proč je bezvodá sloučenina bílá a hydratovaná sloučenina modrá, je však pokročilá chemie. Je čas, aby se učila.

Viz též: