Natte relatie - deel 1

Anorganische verbindingen worden meestal niet geassocieerd met vocht, terwijl organische verbindingen omgekeerd zijn. De eerste zijn tenslotte droge rotsen en de laatste zijn afkomstig van in het water levende organismen. Wijdverbreide associaties hebben echter weinig met de werkelijkheid te maken. In dit geval is het vergelijkbaar: water kan uit stenen worden geperst en organische verbindingen kunnen erg droog zijn.

Water is een alomtegenwoordige substantie op aarde en het is niet verwonderlijk dat het ook in andere chemische verbindingen voorkomt. Soms is het er zwak mee verbonden, erin opgesloten, manifesteert het zich in een latente vorm of bouwt het openlijk een structuur van kristallen op.

Eerste dingen eerst. Aanvankelijk…

…vocht

Veel chemische verbindingen hebben de neiging om water uit hun omgeving op te nemen - bijvoorbeeld het bekende tafelzout, dat vaak samenklontert in de stomende en vochtige atmosfeer van de keuken. Dergelijke stoffen zijn hygroscopisch en het vocht dat ze veroorzaken hygroscopisch water. Keukenzout heeft echter een voldoende hoge relatieve vochtigheid nodig (zie kader: Hoeveel water zit er in de lucht?) om de waterdamp te binden. Ondertussen zijn er in de woestijn stoffen die water uit de omgeving kunnen opnemen.

Hoeveel water zit er in de lucht?

Absolute luchtvochtigheid is de hoeveelheid waterdamp in een volume-eenheid lucht bij een bepaalde temperatuur. Bijvoorbeeld bij 0°С op 1 m³ In de lucht kan maximaal (zodat er geen condensatie is) ongeveer 5 g water zijn, bij 20 ° C - ongeveer 17 g water en bij 40 ° C - meer dan 50 g.In een warme keuken of badkamer, deze is daardoor behoorlijk nat.

Relatieve luchtvochtigheid is de verhouding van de hoeveelheid waterdamp per volume-eenheid lucht tot de maximale hoeveelheid bij een bepaalde temperatuur (uitgedrukt als een percentage).

Het volgende experiment vereist natrium NaOH of kaliumhydroxide KOH. Plaats een samengesteld tablet (zoals ze worden verkocht) op een horlogeglas en laat het een tijdje in de lucht hangen. Al snel zul je merken dat de zuigtablet begint te worden bedekt met druppels vloeistof en vervolgens wordt verspreid. Dit is het effect van de hygroscopiciteit van NaOH of KOH. Door de monsters in verschillende kamers van het huis te plaatsen, kunt u de relatieve vochtigheid van deze plaatsen vergelijken (1).

1. Neerslag van NaOH op een horlogeglas (links) en hetzelfde neerslag na enkele uren in lucht (rechts).

2. Laboratoriumexsiccator met siliconengel (foto: Wikimedia/Hgrobe)

Chemici, en niet alleen zij, lossen het probleem van het vochtgehalte van een stof op. Hygroscopisch water het is een onaangename verontreiniging door een chemische verbinding en de inhoud ervan is bovendien onstabiel. Dit feit maakt het moeilijk om de hoeveelheid reagens die nodig is voor de reactie af te wegen. De oplossing is natuurlijk om de substantie te drogen. Op industriële schaal gebeurt dit in verwarmde kamers, dat wil zeggen in een vergrote versie van een thuisoven.

In laboratoria, naast elektrische drogers (opnieuw, ovens), excentriek (ook voor opslag van reeds gedroogde reagentia). Dit zijn goed gesloten glazen vaten met aan de onderkant een sterk hygroscopische substantie (2). Het is zijn taak om vocht uit de gedroogde verbinding te absorberen en de luchtvochtigheid in de exsiccator laag te houden.

Voorbeelden van droogmiddelen: watervrije CaCl-zouten.₂ ik MgSO₄, fosforoxide (V) P₄O₁₀ en calcium CaO en silicagel (silicagel). Die laatste vindt u ook in de vorm van droogzakjes in industriële en voedselverpakkingen (3).

3. Siliconengel om voedsel en industriële producten te beschermen tegen vocht.

Veel luchtontvochtigers kunnen worden geregenereerd als ze te veel water opnemen - gewoon opwarmen.

Er is ook chemische vervuiling. flessenwater. Het dringt door in de kristallen tijdens hun snelle groei en creëert ruimtes gevuld met de oplossing waaruit het kristal is gevormd, omgeven door een vaste stof. Je kunt de vloeibare bellen in het kristal verwijderen door de verbinding op te lossen en te herkristalliseren, maar dit keer onder omstandigheden die de groei van het kristal vertragen. Dan zullen de moleculen zich “netjes” nestelen in het kristalrooster, zonder gaten achter te laten.

verborgen water

In sommige verbindingen komt water in latente vorm voor, maar de chemicus kan het eruit extraheren. Er kan van worden uitgegaan dat je onder de juiste omstandigheden water uit elke zuurstof-waterstofverbinding zult vrijgeven. Je zorgt ervoor dat het water afgeeft door verhitting of door de werking van een andere substantie die sterk water absorbeert. Water in zo'n relatie constitutioneel water. Probeer beide chemische uitdrogingsmethoden.

4. Waterdamp condenseert in de reageerbuis wanneer chemicaliën worden uitgedroogd.

Giet een beetje zuiveringszout in de reageerbuis, d.w.z. natriumbicarbonaat NaHCO.₃. Je kunt het bij de supermarkt krijgen en het wordt bijvoorbeeld in de keuken gebruikt. als rijsmiddel bij het bakken (maar heeft ook vele andere toepassingen).

Plaats de reageerbuis in de vlam van de brander onder een hoek van ongeveer 45° met de uitstroomopening naar u toe. Dit is een van de principes van laboratoriumhygiëne en -veiligheid - zo bescherm je jezelf in het geval van een plotseling vrijkomen van een verwarmde substantie uit een reageerbuis.

Verwarming is niet noodzakelijkerwijs sterk, de reactie begint bij 60 ° C (een brander op spiritus of zelfs een kaars is voldoende). Houd de bovenkant van het vat in de gaten. Als de buis lang genoeg is, zullen zich druppels vloeistof verzamelen bij de uitlaat (4). Als je ze niet ziet, plaats dan een koud horlogeglas over de uitlaat van de reageerbuis - waterdamp die vrijkomt tijdens de ontbinding van zuiveringszout condenseert erop (het symbool D boven de pijl geeft de opwarming van de stof aan):

5. Zwarte slang komt uit de beker.

Het tweede gasvormige product, kooldioxide, kan worden gedetecteerd met behulp van kalkwater, d.w.z. verzadigde oplossing calcium hydroxide met hem)₂. De troebelheid veroorzaakt door neerslag van calciumcarbonaat is indicatief voor de aanwezigheid van CO₂. Het is voldoende om een ​​druppel van de oplossing op een stokbrood te nemen en deze op het uiteinde van de reageerbuis te plaatsen. Als je geen calciumhydroxide hebt, maak dan kalkwater door een NaOH-oplossing toe te voegen aan een in water oplosbare calciumzoutoplossing.

In het volgende experiment gebruikt u het volgende keukenreagens: gewone suiker, dat wil zeggen sucrose C.₁₂H2₂O₁₁. Je hebt ook een geconcentreerde oplossing van zwavelzuur H nodig₂SO₄.

Ik herinner je meteen aan de regels voor het werken met dit gevaarlijke reagens: rubberen handschoenen en een veiligheidsbril zijn vereist en het experiment wordt uitgevoerd op een plastic bakje of plastic folie.

Giet suiker in een kleine beker half zoveel als het vat gevuld is. Giet nu een oplossing van zwavelzuur in een hoeveelheid die gelijk is aan de helft van de gegoten suiker. Roer de inhoud met een glazen staaf zodat het zuur gelijkmatig over het volume wordt verdeeld. Er gebeurt een tijdje niets, maar plotseling begint de suiker donkerder te worden, wordt dan zwart en begint uiteindelijk het vat te "verlaten".

Een poreuze zwarte massa, die er niet meer uitziet als witte suiker, kruipt uit het glas als een slang uit een fakirsmand. Het geheel warmt op, er zijn wolken waterdamp zichtbaar en er is zelfs een sissend geluid te horen (dit is ook waterdamp die uit de scheuren ontsnapt).

De ervaring is aantrekkelijk, uit de categorie van de zogenaamde. chemicaliënslangen (5). De hygroscopiciteit van een geconcentreerde oplossing van H is verantwoordelijk voor de waargenomen effecten.₂SO₄. Het is zo groot dat water uit andere stoffen in de oplossing komt, in dit geval sucrose:

Resten van suikeruitdroging zijn verzadigd met waterdamp (onthoud dat bij het mengen van geconcentreerde H₂SO₄ er komt veel warmte vrij met water), wat een aanzienlijke toename van hun volume veroorzaakt en het effect van het optillen van de massa van het glas.

Gevangen in een kristal

6. Verwarming van kristallijn kopersulfaat (II) in een reageerbuis. Gedeeltelijke uitdroging van de verbinding is zichtbaar.

En een ander soort water in chemicaliën. Deze keer verschijnt het expliciet (in tegenstelling tot constitutioneel water) en is de hoeveelheid strikt gedefinieerd (en niet willekeurig, zoals in het geval van hygroscopisch water). Dit water van kristallisatiewat kleur geeft aan de kristallen - wanneer ze worden verwijderd, vallen ze uiteen in een amorf poeder (wat je experimenteel zult zien, zoals het een chemicus betaamt).

Sla blauwe kristallen van gehydrateerd koper (II) sulfaat CuSO in₄×5u₂Oh, een van de meest populaire laboratoriumreagentia. Giet een kleine hoeveelheid kleine kristallen in een reageerbuis of verdamper (de tweede methode is beter, maar in het geval van een kleine hoeveelheid van de verbinding kan ook een reageerbuis worden gebruikt; daarover meer in een maand). Begin voorzichtig te verwarmen boven de vlam van de brander (een lamp met gedenatureerde alcohol is voldoende).

Schud de tube regelmatig van u af, of roer het stokbrood in de verdamper die in de handgreep van het statief is geplaatst (niet over het glaswerk leunen). Naarmate de temperatuur stijgt, begint de kleur van het zout te vervagen, totdat het uiteindelijk bijna wit wordt. In dit geval verzamelen zich vloeistofdruppels in het bovenste gedeelte van de reageerbuis. Dit is het water dat uit de zoutkristallen is gehaald (verwarmen in een verdamper zal het water onthullen door een koud horlogeglas over het vat te plaatsen), dat inmiddels is uiteengevallen tot een poeder (6). Uitdroging van de verbinding vindt plaats in fasen:

Een verdere temperatuurstijging boven 650°C veroorzaakt ontleding van het watervrije zout. Wit poeder watervrij CuSO₄ bewaar in een goed geschroefde container (je kunt er een vochtabsorberende zak in doen).

U kunt zich afvragen: hoe weten we dat uitdroging optreedt zoals beschreven door de vergelijkingen? Of waarom relaties dit patroon volgen? Volgende maand ga je werken aan het bepalen van de hoeveelheid water in dit zout, nu zal ik de eerste vraag beantwoorden. De methode waarmee we de verandering in de massa van een stof bij toenemende temperatuur kunnen waarnemen, wordt genoemd thermogravimetrische analyse. De teststof wordt op een pallet geplaatst, de zogenaamde thermische balans, en verwarmd, waarbij de gewichtsveranderingen worden afgelezen.

Natuurlijk registreren thermobalansen tegenwoordig zelf de gegevens en tekenen tegelijkertijd de bijbehorende grafiek (7). De vorm van de curve van de grafiek geeft aan bij welke temperatuur er "iets" gebeurt, er komt bijvoorbeeld een vluchtige stof vrij uit de verbinding (gewichtsverlies) of het combineert met een gas in de lucht (dan neemt de massa toe). Door de verandering in massa kun je bepalen wat en in welke hoeveelheid is afgenomen of toegenomen.

7. Grafiek van de thermogravimetrische kromme van kristallijn koper(II)sulfaat.

Gehydrateerd CuSO₄ het heeft bijna dezelfde kleur als zijn waterige oplossing. Dit is geen toeval. Cu-ion in oplossing₂+ is omgeven door zes watermoleculen, en in het kristal - door vier, liggend op de hoeken van het vierkant, waarvan het het middelpunt is. Boven en onder het metaalion bevinden zich sulfaatanionen, die elk twee naburige kationen "dienen" (dus de stoichiometrie is correct). Maar waar is het vijfde watermolecuul? Het ligt tussen een van de sulfaationen en een watermolecuul in een band rond het koper(II)-ion.

En nogmaals, de nieuwsgierige lezer zal vragen: hoe weet je dit? Dit keer van afbeeldingen van kristallen verkregen door ze te bestralen met röntgenstralen. Het is echter geavanceerde chemie om uit te leggen waarom een ​​watervrije verbinding wit is en een gehydrateerde verbinding blauw is. Het wordt tijd dat ze gaat studeren.

Zie ook: