Мокрые отношения – часть 1
Неорганические соединения обычно не связаны с влагой, а органические – наоборот. Ведь первые представляют собой сухие породы, а вторые происходят из водных живых организмов. Однако широко распространенные ассоциации имеют мало общего с реальностью. В этом случае аналогично: из камней можно выжать воду, а органические соединения могут быть очень сухими.
Вода — вездесущее вещество на Земле, и неудивительно, что ее можно найти и в других химических соединениях. Иногда она слабо связана с ними, заключена внутри них, проявляется в скрытой форме или открыто выстраивает структуру кристаллов.
Перво-наперво. В начале…
…влага
Многие химические соединения имеют тенденцию поглощать воду из окружающей среды — например, хорошо известная поваренная соль, которая часто слипается в парной и влажной атмосфере кухни. Такие вещества гигроскопичны, и влага, которую они вызывают, гигроскопичная вода. Однако для поваренной соли требуется достаточно высокая относительная влажность (см. вставку: Сколько воды в воздухе?), чтобы связать водяной пар. Между тем, в пустыне есть вещества, способные поглощать воду из окружающей среды.
Сколько воды в воздухе?
Абсолютная влажность это количество водяного пара, содержащегося в единице объема воздуха при данной температуре. Например, при 0°С в 1 м3 В воздухе может быть максимум (чтобы не было конденсата) около 5 г воды, при 20°С – около 17 г воды, а при 40°С – более 50 г. В теплой кухне или ванной это поэтому довольно мокрый.
Относительная влажность представляет собой отношение количества водяного пара в единице объема воздуха к максимальному количеству при данной температуре (выражается в процентах).
Для следующего эксперимента потребуется натрий NaOH или гидроксид калия KOH. Поместите составную таблетку (как они продаются) на часовое стекло и оставьте на воздухе на некоторое время. Вскоре вы заметите, что пастилка начинает покрываться каплями жидкости, а затем растекаться. Это эффект гигроскопичности NaOH или KOH. Разместив образцы в разных комнатах дома, вы сравните относительную влажность этих мест (1).
1. Осадок NaOH на часовом стекле (слева) и тот же осадок через несколько часов на воздухе (справа).
2. Лабораторный эксикатор с силиконовым гелем (фото: Wikimedia/Hgrobe)
Химики, и не только они, решают проблему влажности вещества. Гигроскопичная вода это неприятное загрязнение химическим соединением, а его содержание, кроме того, непостоянно. Этот факт затрудняет взвешивание количества реагента, необходимого для реакции. Решение, конечно же, заключается в том, чтобы высушить вещество. В промышленных масштабах это происходит в отапливаемых камерах, то есть в увеличенной версии домашней печи.
В лабораториях, помимо электросушилок (опять же духовки), применяется eksykatory (также для хранения уже высушенных реагентов). Это стеклянные сосуды, плотно закрытые, на дне которых находится сильно гигроскопичное вещество (2). Его задача состоит в том, чтобы поглощать влагу из высушенного соединения и поддерживать низкую влажность внутри эксикатора.
Примеры осушителей: безводные соли CaCl.2 я MgSO4, оксиды фосфора (V) P4O10 и кальций CaO и силикагель (силикагель). Вы также найдете последний в виде содержимого пакетиков-влагопоглотителей, помещенных в упаковки промышленных и пищевых продуктов (3).
3. Силиконовый гель для защиты пищевых и промышленных изделий от влаги.
Многие осушители можно регенерировать, если они поглощают слишком много воды — просто подогрейте их.
Также имеет место загрязнение химическими соединениями закупоренная вода. Он проникает внутрь кристаллов при их быстром росте и создает пространства, заполненные раствором, из которого образовался кристалл, окруженные твердым телом. Вы можете избавиться от пузырьков жидкости в кристалле, растворив соединение и перекристаллизовав его, но на этот раз в условиях, которые замедлят рост кристалла. Тогда молекулы «аккуратно» устроятся в кристаллической решетке, не оставляя зазоров.
Скрытая вода
В некоторых соединениях вода существует в скрытом виде, но химик способен извлечь ее и из них. Можно предположить, что вы будете выделять воду из любого кислородно-водородного соединения при правильных условиях. Вы заставите его отдавать воду нагреванием или действием другого вещества, которое сильно поглощает воду. Вода в таких отношениях конституционная вода. Попробуйте оба метода обезвоживания химикатов.
4. Водяной пар конденсируется в пробирке при обезвоживании химических веществ.
Насыпьте в пробирку немного пищевой соды, т.е. гидрокарбоната натрия NaHCO.3. Вы можете получить его в продуктовом магазине, а на кухне он используется, например. в качестве разрыхлителя для выпечки (но также имеет много других применений).
Поместите пробирку в пламя горелки под углом приблизительно 45° так, чтобы выходное отверстие было направлено против вас. Это один из принципов гигиены и безопасности лаборатории — так вы обезопасите себя в случае внезапного выброса нагретого вещества из пробирки.
Нагрев не обязательно сильный, реакция начнется при 60°С (достаточно горелки с денатуратом или даже свечи). Следите за верхней частью сосуда. Если трубка достаточно длинная, на выходе (4) начнут собираться капли жидкости. Если вы их не видите, поставьте над выходным отверстием пробирки холодное часовое стекло — на нем конденсируются водяные пары, выделяющиеся при разложении пищевой соды (символ D над стрелкой указывает на нагрев вещества):
5. Черный шланг выходит из стакана.
Второй газообразный продукт – углекислый газ – можно обнаружить с помощью известковой воды, т.е. насыщенного раствора гидроксид кальция Са (ОН)2. Его мутность, вызванная осаждением карбоната кальция, свидетельствует о присутствии CO.2. Достаточно взять каплю раствора на багет и поместить его на конец пробирки. Если у вас нет гидроксида кальция, сделайте известковую воду, добавив раствор NaOH в раствор любой водорастворимой соли кальция.
В следующем эксперименте вы будете использовать следующий кухонный реагент — обычный сахар, то есть сахарозу С.12H22O11. Еще понадобится концентрированный раствор серной кислоты H2SO4.
Сразу напоминаю правила работы с этим опасным реагентом: обязательны резиновые перчатки и очки, а опыт проводится на пластиковом подносе или полиэтиленовой пленке.
В небольшую мензурку насыпать сахар вдвое меньше, чем наполняется сосуд. Теперь влейте раствор серной кислоты в количестве, равном половине всыпанного сахара. Перемешайте содержимое стеклянной палочкой, чтобы кислота равномерно распределилась по всему объему. Некоторое время ничего не происходит, но вдруг сахар начинает темнеть, затем чернеет и, наконец, начинает «выходить» из сосуда.
Пористая черная масса, уже не похожая на белый сахар, вылезает из стакана, как змея из корзины факиров. Все это дело прогревается, видны облака водяного пара и даже слышно шипение (это тоже водяной пар, вырывающийся из щелей).
Опыт привлекательный, из разряда т.н. химические шланги (5). Гигроскопичность концентрированного раствора H ответственна за наблюдаемые эффекты.2SO4. Она настолько велика, что в раствор поступает вода из других веществ, в данном случае сахарозы:
Остатки дегидратации сахара насыщаются парами воды (помните, что при смешивании концентрированных H2SO4 с водой выделяется много тепла), что вызывает значительное увеличение их объема и эффект подъема массы из стакана.
В ловушке в кристалле
6. Нагревание кристаллического сульфата меди (II) в пробирке. Видна частичная дегидратация соединения.
И еще один вид воды, содержащейся в химикатах. На этот раз она проявляется явно (в отличие от конституционной воды), и ее количество строго определено (а не произвольно, как в случае гигроскопической воды). Этот кристаллизационная водачто придает цвет кристаллам – при снятии они распадаются на аморфный порошок (что вы и увидите экспериментально, как и подобает химику).
Запаситесь голубыми кристаллами гидратированного сульфата меди (II) CuSO4×5ч2О, один из самых популярных лабораторных реагентов. Насыпьте небольшое количество мелких кристаллов в пробирку или испаритель (второй способ лучше, но в случае небольшого количества соединения можно использовать и пробирку; об этом через месяц). Осторожно начните нагревать над пламенем горелки (достаточно денатурированной спиртовой лампы).
Часто встряхивайте пробирку, отвернув от себя, или размешивайте багетом в испарителе, помещенном в ручку штатива (не наклоняйтесь над посудой). По мере повышения температуры цвет соли начинает тускнеть, пока, наконец, она не станет почти белой. При этом в верхней части пробирки собираются капли жидкости. Это вода, удаленная из кристаллов соли (нагревая их в испарителе, вы обнаружите воду, поместив над сосудом холодное часовое стекло), которая тем временем распалась в порошок (6). Дегидратация соединения происходит поэтапно:
Дальнейшее повышение температуры выше 650°С вызывает разложение безводной соли. Белый порошок безводного CuSO4 хранить в плотно завинчивающейся посуде (в нее можно положить влагопоглощающий пакетик).
Вы можете спросить: откуда мы знаем, что обезвоживание происходит так, как описывается уравнениями? Или почему отношения следуют этому образцу? Определением количества воды в этой соли вы займетесь в следующем месяце, сейчас я отвечу на первый вопрос. Метод, с помощью которого мы можем наблюдать изменение массы вещества при повышении температуры, называется термогравиметрический анализ. Исследуемое вещество помещается на поддон, так называемый термобаланс и нагревает, считывая изменения веса.
Конечно, сегодня термовесы сами фиксируют данные, заодно рисуя соответствующий график (7). Форма кривой графика показывает, при какой температуре «что-то» происходит, например, из соединения выделяется летучее вещество (потеря веса) или оно соединяется с газом в воздухе (тогда масса увеличивается). Изменение массы позволяет определить, что и в каком количестве уменьшилось или увеличилось.
7. График термогравиметрической кривой кристаллического сульфата меди (II).
Гидратированный CuSO4 он имеет почти такой же цвет, как и его водный раствор. Это не совпадение. Ион Cu в растворе2+ окружен шестью молекулами воды, а в кристалле – четырьмя, лежащими по углам квадрата, центром которого он является. Выше и ниже иона металла находятся сульфат-анионы, каждый из которых «обслуживает» два соседних катиона (так что стехиометрия верна). Но где же пятая молекула воды? Он лежит между одним из сульфатных ионов и молекулой воды в поясе, окружающем ион меди (II).
И снова любознательный читатель спросит: откуда вы это знаете? На этот раз из изображений кристаллов, полученных путем облучения их рентгеновскими лучами. Однако объяснение того, почему безводное соединение белого цвета, а гидратированное соединение синего цвета, — это продвинутая химия. Ей пора учиться.
Смотрите также:
