Υγρή σχέση - μέρος 1

Οι ανόργανες ενώσεις συνήθως δεν συνδέονται με την υγρασία, αλλά οι οργανικές ενώσεις είναι το αντίθετο. Άλλωστε, τα πρώτα είναι ξηρά πετρώματα και τα δεύτερα προέρχονται από υδρόβιους ζωντανούς οργανισμούς. Ωστόσο, οι ευρέως διαδεδομένοι συσχετισμοί έχουν ελάχιστη σχέση με την πραγματικότητα. Σε αυτή την περίπτωση, είναι παρόμοιο: το νερό μπορεί να συμπιεστεί από πέτρες, αλλά οι οργανικές ενώσεις μπορεί να είναι πολύ ξηρές.

Το νερό είναι μια πανταχού παρούσα ουσία στη Γη και δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι μπορεί να βρεθεί σε άλλες χημικές ενώσεις. Μερικές φορές συνδέεται ασθενώς μαζί τους, περικλείεται μέσα τους, εκδηλώνεται με μια κρυφή μορφή ή χτίζει ανοιχτά τη δομή των κρυστάλλων.

Καταρχάς. Αρχικά…

…υγρασία

Πολλές χημικές ενώσεις τείνουν να απορροφούν νερό από το περιβάλλον - για παράδειγμα, το γνωστό επιτραπέζιο αλάτι, το οποίο συχνά συγκεντρώνεται στην αχνιστή, υγρή ατμόσφαιρα μιας κουζίνας. Τέτοιες ουσίες είναι υγροσκοπικές και η υγρασία που προκαλούν υγροσκοπικό νερό. Ωστόσο, το επιτραπέζιο αλάτι απαιτεί αρκετά υψηλή σχετική υγρασία (βλέπε πλαίσιο: Πόσο νερό υπάρχει στον αέρα;) για να δεσμεύσει τους υδρατμούς. Εν τω μεταξύ, στην έρημο υπάρχουν ουσίες που μπορούν να απορροφήσουν νερό από το περιβάλλον.

Πόσο νερό υπάρχει στον αέρα;

Απόλυτη υγρασία Αυτή είναι η ποσότητα υδρατμών που περιέχεται σε μια μονάδα όγκου αέρα σε μια δεδομένη θερμοκρασία. Για παράδειγμα, στους 0°C σε 1 m³ Στον αέρα μπορεί να υπάρχει μέγιστο (έτσι ώστε να μην υπάρχει συμπύκνωση) περίπου 5 g νερού, στους 20 ° C - περίπου 17 g νερού και στους 40 ° C - περισσότερα από 50 g. Σε μια ζεστή κουζίνα ή μπάνιο, επομένως αυτό είναι αρκετά υγρό.

Σχετική υγρασία αντιπροσωπεύει την αναλογία της ποσότητας υδρατμών ανά μονάδα όγκου αέρα προς τη μέγιστη ποσότητα σε μια δεδομένη θερμοκρασία (εκφρασμένη ως ποσοστό).

Για το επόμενο πείραμα θα χρειαστείτε NaOH νατρίου ή υδροξείδιο του καλίου KOH. Τοποθετήστε το σύνθετο δισκίο (όπως πωλούνται) σε ένα ποτήρι ρολογιού και αφήστε το στον αέρα για λίγο. Σύντομα θα παρατηρήσετε ότι η παστίλια αρχίζει να καλύπτεται με σταγόνες υγρού και στη συνέχεια να απλώνεται. Αυτό είναι το αποτέλεσμα υγροσκοπικότητας του NaOH ή του ΚΟΗ. Τοποθετώντας δείγματα σε διαφορετικά δωμάτια του σπιτιού, θα συγκρίνετε τη σχετική υγρασία αυτών των χώρων (1).

1. Εναπόθεση NaOH σε γυαλί ρολογιού (αριστερά) και η ίδια εναπόθεση μετά από αρκετές ώρες στον αέρα (δεξιά).

2. Εργαστηριακός ξηραντήρας με τζελ σιλικόνης (φωτογραφία: Wikimedia/Hgrobe)

Οι χημικοί, και όχι μόνο αυτοί, λύνουν το πρόβλημα της περιεκτικότητας σε υγρασία μιας ουσίας. Υγροσκοπικό νερό Αυτή είναι μια δυσάρεστη μόλυνση με μια χημική ένωση και η περιεκτικότητά της, επιπλέον, δεν είναι σταθερή. Αυτό το γεγονός καθιστά δύσκολη τη στάθμιση της ποσότητας του αντιδραστηρίου που απαιτείται για μια αντίδραση. Η λύση φυσικά είναι να στεγνώσει η ουσία. Σε βιομηχανική κλίμακα, αυτό συμβαίνει σε θερμαινόμενους θαλάμους, δηλαδή σε μια μεγαλύτερη έκδοση ενός οικιακού φούρνου.

Στα εργαστήρια, εκτός από ηλεκτρικά στεγνωτήρια (και πάλι φούρνους), χρησιμοποιούν εξυκτατικός (επίσης για την αποθήκευση ήδη αποξηραμένων αντιδραστηρίων). Πρόκειται για γυάλινα δοχεία, ερμητικά κλειστά, στον πυθμένα των οποίων υπάρχει μια ιδιαίτερα υγροσκοπική ουσία (2). Η δουλειά του είναι να απορροφά την υγρασία από την αποξηραμένη ένωση και να διατηρεί χαμηλή υγρασία μέσα στον ξηραντήρα.

Παραδείγματα ξηραντικών παραγόντων: άνυδρα άλατα CaCl.₂ I MgSO₄, οξείδιο του φωσφόρου (V) P₄O₁₀ και ασβέστιο CaO και silica gel (silica gel). Το τελευταίο θα το βρείτε επίσης με τη μορφή φακελλίσκων ξηραντικού που βρίσκονται σε βιομηχανικές συσκευασίες και συσκευασίες τροφίμων (3).

3. Τζελ σιλικόνης για προστασία τροφίμων και βιομηχανικών προϊόντων από την υγρασία.

Πολλοί αφυγραντήρες μπορούν να αναγεννηθούν εάν απορροφήσουν πολύ νερό - απλώς τους ζεστάνετε.

Υπάρχει επίσης μόλυνση με χημικές ενώσεις βουλωμένο νερό. Διεισδύει στους κρυστάλλους καθώς αναπτύσσονται γρήγορα και δημιουργεί χώρους γεμάτους με το διάλυμα από το οποίο σχηματίστηκε ο κρύσταλλος, που περιβάλλονται από ένα συμπαγές σώμα. Μπορείτε να απαλλαγείτε από τις φυσαλίδες υγρού σε έναν κρύσταλλο διαλύοντας την ένωση και ανακρυσταλλώνοντάς την, αλλά αυτή τη φορά υπό συνθήκες που θα επιβραδύνουν την ανάπτυξη του κρυστάλλου. Τότε τα μόρια θα τακτοποιηθούν «τακτοποιημένα» στο κρυσταλλικό πλέγμα, χωρίς να αφήνουν κενά.

κρυμμένο νερό

Σε ορισμένες ενώσεις, το νερό υπάρχει σε λανθάνουσα μορφή, αλλά ο χημικός είναι σε θέση να το εξάγει από αυτές. Μπορείτε να υποθέσετε ότι θα απελευθερώσετε νερό από οποιαδήποτε ένωση οξυγόνου-υδρογόνου υπό τις κατάλληλες συνθήκες. Θα το αναγκάσετε να απελευθερώσει νερό με θέρμανση ή με τη δράση άλλης ουσίας που απορροφά έντονα το νερό. Νερό σε τέτοιες σχέσεις συνταγματικό νερό. Δοκιμάστε και τις δύο μεθόδους αφυδάτωσης χημικών.

4. Οι υδρατμοί συμπυκνώνονται σε δοκιμαστικό σωλήνα όταν αφυδατωθούν τα χημικά.

Ρίξτε λίγη μαγειρική σόδα στον δοκιμαστικό σωλήνα, δηλ. διττανθρακικό νάτριο NaHCO.₃. Μπορείτε να το προμηθευτείτε από το μπακάλικο, και στην κουζίνα χρησιμοποιείται, για παράδειγμα. ως μπέικιν πάουντερ (αλλά έχει και πολλές άλλες χρήσεις).

Τοποθετήστε τον δοκιμαστικό σωλήνα στη φλόγα του καυστήρα υπό γωνία περίπου 45° με την έξοδο στραμμένη προς το μέρος σας. Αυτή είναι μια από τις αρχές της εργαστηριακής υγιεινής και ασφάλειας - με αυτόν τον τρόπο θα προστατευτείτε σε περίπτωση ξαφνικής απελευθέρωσης θερμαινόμενης ουσίας από τον δοκιμαστικό σωλήνα.

Η θέρμανση δεν χρειάζεται να είναι ισχυρή· η αντίδραση θα ξεκινήσει στους 60°C (αρκεί ένας καυστήρας με μετουσιωμένο οινόπνευμα ή ακόμα και ένα κερί). Προσέχετε την κορυφή του σκάφους. Εάν ο σωλήνας είναι αρκετά μακρύς, θα αρχίσουν να μαζεύονται σταγόνες υγρού στην έξοδο (4). Εάν δεν τα βλέπετε, τοποθετήστε ένα κρύο ποτήρι ρολογιού πάνω από την έξοδο του δοκιμαστικού σωλήνα - οι υδρατμοί που απελευθερώνονται κατά την αποσύνθεση της μαγειρικής σόδας θα συμπυκνωθούν πάνω του (το σύμβολο D πάνω από το βέλος υποδεικνύει τη θέρμανση της ουσίας):

5. Ο μαύρος σωλήνας βγαίνει από το τζάμι.

Το δεύτερο αέριο προϊόν, το διοξείδιο του άνθρακα, μπορεί να ανιχνευθεί χρησιμοποιώντας ασβεστόνερο, δηλ. κορεσμένο διάλυμα υδροξείδιο του ασβεστίου με (ON)₂. Η θολότητά του, που προκαλείται από την καθίζηση ανθρακικού ασβεστίου, υποδηλώνει την παρουσία CO.₂. Αρκεί να πάρετε μια σταγόνα από το διάλυμα σε μια μπαγκέτα και να την τοποθετήσετε στην άκρη του δοκιμαστικού σωλήνα. Εάν δεν έχετε υδροξείδιο του ασβεστίου, φτιάξτε ασβεστόνερο προσθέτοντας ένα διάλυμα NaOH σε ένα διάλυμα οποιουδήποτε υδατοδιαλυτού άλατος ασβεστίου.

Στο επόμενο πείραμα θα χρησιμοποιήσετε το ακόλουθο αντιδραστήριο κουζίνας - κανονική ζάχαρη, δηλαδή σακχαρόζη C.₁₂H2₂O₁₁. Θα χρειαστείτε επίσης ένα συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού οξέος Η₂SO₄.

Σας υπενθυμίζω αμέσως τους κανόνες για την εργασία με αυτό το επικίνδυνο αντιδραστήριο: απαιτούνται λαστιχένια γάντια και γυαλιά και το πείραμα πραγματοποιείται σε πλαστικό δίσκο ή πλαστική μεμβράνη.

Ρίχνουμε τη μισή ποσότητα ζάχαρης σε ένα μικρό ποτήρι που γεμίζει το σκεύος. Ρίξτε τώρα ένα διάλυμα θειικού οξέος σε ποσότητα ίση με τη μισή πρόσθετη ζάχαρη. Ανακατέψτε το περιεχόμενο με μια γυάλινη ράβδο έτσι ώστε το οξύ να κατανεμηθεί ομοιόμορφα σε όλο τον όγκο. Για κάποιο χρονικό διάστημα δεν συμβαίνει τίποτα, αλλά ξαφνικά η ζάχαρη αρχίζει να σκουραίνει, στη συνέχεια μαυρίζει και, τελικά, αρχίζει να «βγαίνει» από το δοχείο.

Μια πορώδης μαύρη μάζα, που δεν μοιάζει πια με τη λευκή ζάχαρη, σέρνεται από το ποτήρι σαν φίδι από το καλάθι των φακίρηδων. Το όλο θέμα θερμαίνεται, σύννεφα υδρατμών είναι ορατά και ακούγεται ακόμη και σφύριγμα (αυτό είναι και υδρατμός που διαφεύγει από τις ρωγμές).

Η εμπειρία είναι ελκυστική, από τη λεγόμενη κατηγορία. χημικοί σωλήνες (5). Η υγροσκοπικότητα του πυκνού διαλύματος Η είναι υπεύθυνη για τα παρατηρούμενα αποτελέσματα.₂SO₄. Είναι τόσο μεγάλο που το νερό εισέρχεται στο διάλυμα από άλλες ουσίες, σε αυτή την περίπτωση σακχαρόζη:

Τα υπολείμματα της αφυδάτωσης του σακχάρου είναι κορεσμένα με υδρατμούς (θυμηθείτε ότι όταν αναμιγνύετε πυκνό H₂SO₄ απελευθερώνεται πολλή θερμότητα με το νερό), γεγονός που προκαλεί σημαντική αύξηση του όγκου τους και την επίδραση της ανύψωσης της μάζας από το ποτήρι.

Παγιδευμένος σε ένα κρύσταλλο

6. Θέρμανση κρυσταλλικού θειικού χαλκού (II) σε δοκιμαστικό σωλήνα. Η μερική αφυδάτωση της ένωσης είναι ορατή.

Και ένα άλλο είδος νερού που περιέχεται σε χημικά. Αυτή τη φορά εκδηλώνεται ξεκάθαρα (σε αντίθεση με το συνταγματικό νερό), και η ποσότητα του είναι αυστηρά καθορισμένη (και όχι αυθαίρετα, όπως στην περίπτωση του υγροσκοπικού νερού). Αυτό νερό κρυστάλλωσηςτι δίνει χρώμα στους κρυστάλλους - όταν αφαιρεθούν, διασπώνται σε μια άμορφη σκόνη (την οποία θα δείτε πειραματικά, όπως αρμόζει σε έναν χημικό).

Αποθηκεύστε μπλε κρυστάλλους ενυδατωμένου θειικού χαλκού (II) CuSO₄×5 ώρες₂Ω, ένα από τα πιο δημοφιλή εργαστηριακά αντιδραστήρια. Ρίξτε μια μικρή ποσότητα μικρών κρυστάλλων σε δοκιμαστικό σωλήνα ή εξατμιστήρα (η δεύτερη μέθοδος είναι καλύτερη, αλλά στην περίπτωση μικρής ποσότητας της ένωσης, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε έναν δοκιμαστικό σωλήνα· περισσότερα σε ένα μήνα). Ξεκινήστε προσεκτικά τη θέρμανση πάνω από μια φλόγα (μια λάμπα μετουσιωμένης αλκοόλης θα είναι αρκετή).

Ανακινείτε συχνά τον δοκιμαστικό σωλήνα, με το βλέμμα μακριά από εσάς ή ανακατεύετε τη μπαγκέτα στον εξατμιστή που βρίσκεται στη λαβή της βάσης (μην γέρνετε πάνω από το πιάτο). Καθώς η θερμοκρασία ανεβαίνει, το χρώμα του αλατιού αρχίζει να ξεθωριάζει έως ότου τελικά γίνει σχεδόν λευκό. Ταυτόχρονα, σταγόνες υγρού συγκεντρώνονται στο πάνω μέρος του δοκιμαστικού σωλήνα. Αυτό είναι το νερό που αφαιρείται από τους κρυστάλλους αλατιού (με τη θέρμανση τους σε έναν εξατμιστή, θα βρείτε νερό τοποθετώντας ένα κρύο ποτήρι ρολογιού πάνω από το δοχείο), το οποίο εν τω μεταξύ έχει διαλυθεί σε σκόνη (6). Η αφυδάτωση της ένωσης συμβαίνει σε στάδια:

Μια περαιτέρω αύξηση της θερμοκρασίας πάνω από 650°C προκαλεί αποσύνθεση του άνυδρου άλατος. Λευκή άνυδρη σκόνη CuSO₄ Αποθηκεύστε σε ένα καλά βιδωμένο δοχείο (μπορείτε να βάλετε μια σακούλα ξηραντικού σε αυτό).

Μπορείτε να ρωτήσετε: Πώς ξέρουμε ότι η αφυδάτωση συμβαίνει όπως περιγράφεται από τις εξισώσεις; Ή γιατί οι σχέσεις ακολουθούν αυτό το μοτίβο; Θα καθορίσετε την ποσότητα νερού σε αυτό το αλάτι τον επόμενο μήνα, τώρα θα απαντήσω στην πρώτη ερώτηση. Η μέθοδος με την οποία μπορούμε να παρατηρήσουμε τη μεταβολή της μάζας μιας ουσίας με την αύξηση της θερμοκρασίας ονομάζεται θερμοβαρυμετρική ανάλυση. Η υπό μελέτη ουσία τοποθετείται σε ένα δίσκο, η λεγόμενη θερμική ισορροπία, και θερμαίνεται, διαβάζοντας τις αλλαγές στο βάρος.

Βέβαια σήμερα οι ίδιοι οι θερμικοί ζυγοί καταγράφουν τα δεδομένα, σχεδιάζοντας ταυτόχρονα και το αντίστοιχο γράφημα (7). Το σχήμα της καμπύλης του γραφήματος δείχνει σε ποια θερμοκρασία συμβαίνει «κάτι», όπως μια ένωση που απελευθερώνει μια πτητική ουσία (απώλεια βάρους) ή συνδυάζεται με ένα αέριο στον αέρα (μετά αυξάνεται η μάζα). Μια αλλαγή στη μάζα σάς επιτρέπει να προσδιορίσετε τι και σε ποια ποσότητα έχει μειωθεί ή αυξηθεί.

7. Γράφημα της θερμοβαρυμετρικής καμπύλης κρυσταλλικού θειικού χαλκού (II).

Ενυδατωμένο CuSO₄ έχει σχεδόν το ίδιο χρώμα με το υδατικό του διάλυμα. Αυτό δεν είναι τυχαίο. Ιόν Cu σε διάλυμα₂Το + περιβάλλεται από έξι μόρια νερού και στον κρύσταλλο - από τέσσερα, που βρίσκεται στις γωνίες του τετραγώνου, το κέντρο του οποίου είναι. Πάνω και κάτω από το μεταλλικό ιόν υπάρχουν θειικά ανιόντα, καθένα από τα οποία «εξυπηρετεί» δύο γειτονικά κατιόντα (άρα η στοιχειομετρία είναι σωστή). Πού είναι όμως το πέμπτο μόριο νερού; Βρίσκεται ανάμεσα σε ένα από τα θειικά ιόντα και ένα μόριο νερού σε μια ζώνη που περιβάλλει το ιόν χαλκού(II).

Και πάλι ο περίεργος αναγνώστης θα ρωτήσει: πώς το ξέρεις αυτό; Αυτή τη φορά από εικόνες κρυστάλλων που λαμβάνονται με ακτινοβολία τους με ακτίνες Χ. Ωστόσο, η εξήγηση του γιατί η άνυδρη ένωση είναι λευκή και η ένυδρη ένωση είναι μπλε είναι προηγμένη χημεία. Ήρθε η ώρα να σπουδάσει.

Δείτε επίσης: