Šlapieji santykiai – 1 dalis

Neorganiniai junginiai dažniausiai nesusiję su drėgme, o organiniai – atvirkščiai. Juk pirmosios yra sausos uolienos, o antrosios – iš vandens gyvų organizmų. Tačiau plačiai paplitusios asociacijos turi mažai ką bendro su tikrove. Šiuo atveju panašiai: iš akmenų galima išspausti vandenį, o organiniai junginiai – labai išdžiūti.

Vanduo Žemėje yra visur esanti medžiaga ir nenuostabu, kad jo galima rasti ir kituose cheminiuose junginiuose. Kartais jis su jais yra laisvai susietas, uždarytas jose, pasireiškia latentiniu pavidalu arba atvirai kuria kristalų struktūrą.

Visų pirmą. Pradžioje…

...drėgmė

Daugelis cheminių junginių linkę sugerti vandenį iš savo aplinkos – pavyzdžiui, gerai žinoma valgomoji druska, kuri dažnai susikaupia garuojančioje ir drėgnoje virtuvės atmosferoje. Tokios medžiagos yra higroskopinės ir jų sukeliama drėgmė higroskopinis vanduo. Tačiau valgomajai druskai reikalinga pakankamai didelė santykinė drėgmė (žr. langelį: Kiek vandens yra ore?), kad surištų vandens garus. Tuo tarpu dykumoje yra medžiagų, kurios gali sugerti vandenį iš aplinkos.

Kiek vandens yra ore?

Absoliuti drėgmė yra vandens garų kiekis, esantis oro tūrio vienete tam tikroje temperatūroje. Pavyzdžiui, esant 0°С per 1 m³ Ore gali būti daugiausia (kad nesikondensuotų) apie 5 g vandens, esant 20 ° C - apie 17 g vandens, o esant 40 ° C - daugiau nei 50 g. Šiltoje virtuvėje arba vonios kambarys, todėl jis yra gana šlapias.

Santykinė drėgmė yra vandens garų kiekio, tenkančio oro tūrio vienetui, ir didžiausio kiekio tam tikroje temperatūroje santykis (išreiškiamas procentais).

Kitam eksperimentui reikės natrio NaOH arba kalio hidroksido KOH. Ant laikrodžio stiklo uždėkite sudėtinę tabletę (kaip jos parduodamos) ir kurį laiką palikite ore. Netrukus pastebėsite, kad pastilė pradeda pasidengti skysčio lašeliais, o tada pasklisti. Tai yra NaOH arba KOH higroskopiškumo poveikis. Padėję mėginius skirtingose ​​namo patalpose, galite palyginti šių vietų santykinę drėgmę (1).

1. NaOH nusodinimas ant laikrodžio stiklo (kairėje) ir tos pačios nuosėdos po kelių valandų ore (dešinėje).

2. Laboratorinis eksikatorius su silikono geliu (nuotrauka: Wikimedia/Hgrobe)

Chemikai, ir ne tik jie, sprendžia medžiagos drėgmės problemą. Higroskopinis vanduo tai nemalonus užterštumas cheminiu junginiu, o jo kiekis, be to, yra nestabilus. Dėl šio fakto sunku pasverti reakcijai reikalingą reagento kiekį. Žinoma, sprendimas yra išdžiovinti medžiagą. Pramoniniu mastu tai atsitinka šildomose kamerose, tai yra, padidintoje namų krosnies versijoje.

Laboratorijose, be elektrinių džiovintuvų (vėl orkaitės), eksykatorinis (taip pat jau išdžiovintų reagentų laikymui). Tai stikliniai indai, sandariai uždaryti, kurių apačioje yra labai higroskopinė medžiaga (2). Jo užduotis yra sugerti drėgmę iš džiovinto junginio ir išlaikyti žemą drėgmę eksikatoriaus viduje.

Sausinamųjų medžiagų pavyzdžiai: bevandenės CaCl druskos.₂ MgSO₄, fosforo (V) oksidai P₄O₁₀ ir kalcio CaO ir silikagelio (silikagelio). Pastarųjų taip pat rasite sausiklio paketėlių pavidalu, dedami į pramonines ir maisto pakuotes (3).

3. Silikoninis gelis, skirtas apsaugoti maisto ir pramonės gaminius nuo drėgmės.

Daugelis oro sausintuvų gali būti regeneruojami, jei jie sugeria per daug vandens – tereikia juos pašildyti.

Taip pat yra cheminis užterštumas. vanduo buteliuose. Jis prasiskverbia į kristalus jiems sparčiai augant ir sukuria erdves, užpildytas tirpalu, iš kurio susiformavo kristalas, apsuptas kietos medžiagos. Skysčių burbuliukų kristale galite atsikratyti ištirpindami junginį ir jį perkristalizuodami, tačiau šį kartą tokiomis sąlygomis, kurios sulėtino kristalo augimą. Tada molekulės „tvarkingai“ įsikurs kristalinėje gardelėje, nepalikdamos tarpų.

paslėptas vanduo

Kai kuriuose junginiuose vanduo egzistuoja latentinėje formoje, tačiau chemikas sugeba jį iš jų išgauti. Galima daryti prielaidą, kad tinkamomis sąlygomis iš bet kurio deguonies ir vandenilio junginio išleisite vandenį. Priversite jį atsisakyti vandens kaitindami arba veikdami kita medžiaga, kuri stipriai sugeria vandenį. Vanduo tokiuose santykiuose konstitucinis vanduo. Išbandykite abu cheminio dehidratavimo būdus.

4. Vandens garai kondensuojasi mėgintuvėlyje, kai cheminės medžiagos dehidratuojamos.

Į mėgintuvėlį įberkite šiek tiek sodos, t.y. natrio bikarbonatas NaHCO.₃. Jį galite įsigyti bakalėjos parduotuvėje, o, pavyzdžiui, jis naudojamas virtuvėje. kaip rauginantis agentas kepiniams (bet turi ir daug kitų naudojimo būdų).

Įdėkite mėgintuvėlį į degiklio liepsną maždaug 45° kampu, išėjimo anga nukreipta į save. Tai vienas iš laboratorinės higienos ir saugos principų – taip apsisaugosite staiga iš mėgintuvėlio išsiskiriant įkaitusiai medžiagai.

Kaitinimas nebūtinai stiprus, reakcija prasidės 60°C temperatūroje (užtenka metilspirito degiklio ar net žvakės). Stebėkite laivo viršų. Jei vamzdelis pakankamai ilgas, prie išleidimo angos (4) pradės kauptis skysčio lašai. Jei jų nematote, ant mėgintuvėlio išleidimo angos uždėkite šaltą laikrodžio stiklą – ant jo kondensuojasi vandens garai, išsiskiriantys irstant sodai (simbolis D virš rodyklės rodo medžiagos kaitinimą):

5. Iš puodelio išeina juoda žarna.

Antrasis dujinis produktas – anglies dioksidas – gali būti aptiktas naudojant kalkių vandenį, t.y. prisotintas tirpalas kalcio hidroksidas Sa (ĮJUNGTA)₂. Jo drumstumas, kurį sukelia kalcio karbonato nusodinimas, rodo, kad yra CO₂. Pakanka paimti lašelį tirpalo ant bagetės ir uždėti ant mėgintuvėlio galo. Jei neturite kalcio hidroksido, pasigaminkite kalkių vandens į bet kurį vandenyje tirpų kalcio druskos tirpalą įpildami NaOH tirpalo.

Kitame eksperimente naudosite kitą virtuvės reagentą – įprastą cukrų, tai yra, sacharozę C.₁₂H2₂O₁₁. Jums taip pat reikės koncentruoto sieros rūgšties H tirpalo₂SO₄.

Iš karto primenu darbo su šiuo pavojingu reagentu taisykles: reikalingos guminės pirštinės ir akiniai, o eksperimentas atliekamas ant plastikinio padėklo arba plastikinės plėvelės.

Į nedidelę stiklinę supilkite cukraus perpus tiek, kiek pripildomas indas. Dabar supilkite sieros rūgšties tirpalą tokiu kiekiu, kuris lygus pusei supilto cukraus. Išmaišykite turinį stikline lazdele, kad rūgštis tolygiai pasiskirstytų visame tūryje. Kurį laiką nieko nevyksta, bet staiga cukrus pradeda tamsėti, tada pajuoduoja ir galiausiai pradeda „išeiti“ iš indo.

Akyta juoda masė, nebepanaši į baltąjį cukrų, kaip gyvatė iš fakyrų krepšelio iššliaužia iš stiklo. Viskas sušyla, matosi vandens garų debesys ir net pasigirsta šnypštimas (tai irgi iš plyšių išbėgantys vandens garai).

Patirtis patraukli, iš vadinamųjų kategorijos. cheminės žarnos (5). Koncentruoto H tirpalo higroskopiškumas yra atsakingas už pastebėtą poveikį.₂SO₄. Jis yra toks didelis, kad vanduo į tirpalą patenka iš kitų medžiagų, šiuo atveju sacharozės:

Cukraus dehidratacijos likučiai prisotinami vandens garais (atminkite, kad maišydami koncentruotą H₂SO₄ su vandeniu išsiskiria daug šilumos), dėl to labai padidėja jų tūris ir atsiranda masės pakėlimo nuo stiklo efektas.

Įstrigęs kristale

6. Kristalinio vario sulfato (II) kaitinimas mėgintuvėlyje. Matoma dalinė junginio dehidratacija.

Ir kitos rūšies vanduo, esantis cheminėse medžiagose. Šį kartą jis pasirodo aiškiai (skirtingai nuo konstitucinio vandens), o jo kiekis yra griežtai apibrėžtas (ir ne savavališkas, kaip higroskopinio vandens atveju). Tai kristalizacijos vanduokas suteikia kristalams spalvą - išėmus jie suyra į amorfinius miltelius (kaip ir dera chemikui, pamatysite eksperimentiškai).

Surinkite mėlynus hidratuoto vario(II) sulfato CuSO kristalus₄× 5h₂O, vienas populiariausių laboratorinių reagentų. Į mėgintuvėlį ar garintuvą supilkite nedidelį kiekį smulkių kristalų (geresnis antras būdas, bet esant nedideliam junginio kiekiui galima naudoti ir mėgintuvėlį; daugiau apie tai po mėnesio). Švelniai pradėkite kaitinti virš degiklio liepsnos (užteks denatūruoto alkoholio lempos).

Dažnai purtykite vamzdelį nuo savęs arba maišydami batoną garintuve, esančiame ant trikojo rankenos (nelenkite virš indų). Kylant temperatūrai, druskos spalva pradeda blukti, kol galiausiai tampa beveik balta. Tokiu atveju skysčio lašai kaupiasi viršutinėje mėgintuvėlio dalyje. Tai vanduo, pašalintas iš druskos kristalų (kaitinant juos garintuve, ant indo uždėjus šaltą laikrodžio stiklą, vanduo atsiskleis), kuris tuo tarpu subyrėjo į miltelius (6). Junginio dehidratacija vyksta etapais:

Tolesnis temperatūros padidėjimas virš 650°C sukelia bevandenės druskos skilimą. Balti milteliai bevandenis CuSO₄ laikyti sandariai užsuktame inde (į jį galite įdėti drėgmę sugeriantį maišelį).

Galite paklausti: kaip mes žinome, kad dehidratacija vyksta taip, kaip aprašyta lygtyse? Arba kodėl santykiai seka tokiu modeliu? Kitą mėnesį dirbsite su vandens kiekio nustatymu šioje druskoje, dabar atsakysiu į pirmą klausimą. Metodas, kuriuo galime stebėti medžiagos masės kitimą kylant temperatūrai, vadinamas termogravimetrinė analizė. Tiriamoji medžiaga dedama ant padėklo, vadinamojo terminio balanso, ir kaitinama, nuskaitant svorio pokyčius.

Žinoma, šiandien termobalansai patys įrašo duomenis, tuo pačiu nubraižydami atitinkamą grafiką (7). Grafiko kreivės forma parodo, kokioje temperatūroje „kažkas“ atsitinka, pavyzdžiui, iš junginio išsiskiria laki medžiaga (svoris mažėja) arba ji susijungia su ore esančiomis dujomis (tada masė didėja). Masės pokytis leidžia nustatyti, kas ir kokiu kiekiu sumažėjo ar padidėjo.

7. Kristalinio vario(II) sulfato termogravimetrinės kreivės grafikas.

Hidratuotas CuSO₄ jo spalva beveik tokia pati kaip ir vandeninis tirpalas. Tai nėra atsitiktinumas. Cu jonas tirpale₂+ yra apsuptas šešių vandens molekulių, o kristale - keturios, esančios kvadrato, kurio jis yra centras, kampuose. Virš ir žemiau metalo jono yra sulfatų anijonai, kurių kiekvienas „tarnauja“ dviem gretimiems katijonams (taigi stechiometrija yra teisinga). Bet kur yra penktoji vandens molekulė? Jis yra tarp vieno iš sulfato jonų ir vandens molekulės juostoje, supančioje vario (II) joną.

Ir vėl smalsus skaitytojas paklaus: iš kur tu tai žinai? Šį kartą iš kristalų vaizdų, gautų apšvitinus juos rentgeno spinduliais. Tačiau paaiškinimas, kodėl bevandenis junginys yra baltas, o hidratuotas junginys yra mėlynas, yra pažangi chemija. Jai laikas mokytis.

Taip pat žiūrėkite: