Tabla de Contenidos
Има голям брой домашни експерименти, които служат за илюстриране на много от най-важните аспекти на науката и по-специално на химията. Един от тези експерименти е този с горещ лед, който се състои от бърза и екзотермична кристализация на воден разтвор на натриев ацетат. След това показваме всичко необходимо за извършване на синтеза на натриев ацетат от оцет и натриев бикарбонат и също така ще подготвим свръхнаситен разтвор на тази органична сол, който, когато кристализира, ще илюстрира силата на екзотермичните реакции.
Какво е горещ лед?
Въпреки това, което подсказва името, горещият лед всъщност не е лед. Нека си припомним, че ледът не е нищо повече от общоприетото име, с което водата е известна в твърдо състояние. При околни условия на температура и налягане водата е в течно състояние и нейната точка на топене е 0 °C. При стандартното околно налягане от 1 атмосфера не е възможно да се нагрее лед над точката му на топене, тъй като всяка допълнителна топлина, която доставяме, ще бъде изразходвана за топене на леда, а не за нагряване. Поради тази причина идеята за правене на истински лед (твърда вода) при околно налягане и при стайна температура, или още по-лошо, при по-висока температура, нарушава законите на термодинамиката. С други думи, невъзможно е.
Горещият лед всъщност е химическо съединение, наречено натриев ацетат . Това съединение е органична сол, образувана от ацетатни йони, които съответстват на конюгираната основа на оцетната киселина, съдържаща се в оцета, който използваме в кухнята, и натриевите йони. Оцетната киселина е органична киселина, принадлежаща към семейството на карбоксилните киселини и е вторият най-прост член на това семейство. Следователно неговите соли се наричат органични соли.
Формулата за натриев ацетат може да бъде написана по различни начини. Химичната му формула е NaC 2 H 3 O 2 . В полуразширена форма се изписва CH 3 COONa, а ацетатният йон понякога се съкращава като Ac – , така че натриевият ацетат се представя като NaAc. Химическата структура на това съединение е:
Въпреки това структурата му, натриевият ацетат кристализира от воден разтвор под формата на трихидратна сол с формула NaC 2 H 3 O 2 · 3 H 2 O.
Реакция на синтез на натриев ацетат
Солите могат да се синтезират по различни начини и от различни химични реагенти. Един от най-лесните начини да направите това е чрез реакцията на неутрализация между киселина с подходящия анион (оцетна киселина в този случай) и основа, съдържаща подходящия катион. Оцетната киселина е слаба киселина, която е лесно достъпна и безопасна за работа. Що се отнася до основата, има няколко варианта, които биха работили за натриев ацетат, но двата най-подходящи са натриев хидроксид (сода каустик) и натриев бикарбонат .
Първата основа, натриевият хидроксид, е добър избор за бърз синтез, защото е силна основа, която реагира бързо с оцетната киселина, за да образува натриев ацетат, а страничният продукт от реакцията е вода, която така или иначе вече присъства.
В този случай химическата реакция ще бъде:
Тази реакция обаче има два основни проблема. Първо, въпреки че натриевият хидроксид е лесно достъпен, тъй като е основният компонент на повечето разяждащи препарати за почистване на фурни и препарати за отстраняване на мазнини, той е доста опасно вещество, с което трябва да се борави много внимателно.
Второ, необходимо е внимателно да се измери количеството натриев хидроксид, добавен към разтвора, и рН трябва да се провери с помощта на лакмусова хартия или нещо подобно, за да се покаже кога цялата оцетна киселина е неутрализирана, тъй като ако се добави излишък На тази основа, соленият разтвор може да бъде силно алкален и опасен за работа.
По-подходяща и много по-безопасна алтернатива, която осигурява най-много ползи от натриевия хидроксид, но нито един от недостатъците, е содата за хляб. Тази сол съответства на натриевата сол на спрегнатата основа на въглеродната киселина. Това е амфотерно съединение, което може да реагира както с киселини, така и с основи и е способно да неутрализира оцетната киселина, образувайки натриев ацетат и въглена киселина. Последният може да попречи, като замърси образувания натриев ацетат, но той бързо се разлага, произвеждайки вода и газообразен въглероден диоксид, който бързо излиза под формата на ефервесценция, видима с просто око.
Реакцията на синтез на натриев ацетат с помощта на натриев бикарбонат е:
Това е реакцията, която ще използваме в настоящия синтез на натриев ацетат.
Белият оцет е пречистен воден разтвор на оцетна киселина, който обикновено съдържа между 3% и 5% от масата на киселината. С плътност, много близка до тази на чистата вода, това означава, че 1 L оцет съдържа приблизително 30 до 50 g оцетна киселина. Това означава, че за да реагират в стехиометрични пропорции, един литър оцет изисква приблизително между 42 g и 70 g натриев бикарбонат. Ако се намери в максималното съотношение, ще се образуват около 113 g трихидратиран натриев ацетат.
Процедура за приготвяне на горещ лед у дома
реактиви
- 1 L бял оцет (оцетна киселина приблизително 5%)
- 100 г сода бикарбонат
материали и оборудване
- Печка за загряване.
- Чаша с вместимост най-малко 1,5 л. Ако нямате, можете да го замените с тенджера или тиган от стъкло и в крайна сметка от метал.
- Стъклен съд с вместимост от 200 до 250 ml. Контейнерът трябва да е много чист и не трябва да бъде надраскан.
- Кухненска везна, за предпочитане цифрова.
Приготвяне на свръхнаситен разтвор на натриев ацетат
За да синтезирате натриев ацетат, изпълнете следните стъпки:
- Претеглете содата за хляб на кантар и я оставете настрана.
- Добавете оцета в чашата и бавно добавете содата за хляб към разтвора на малки порции, като разбърквате с лъжица, докато спре шуменето, преди да добавите следващата порция. Това е, за да се предотврати генерирането на твърде много въглероден диоксид и преливането му през стените на чашата. В този момент натриевият ацетат вече е образуван.
- Оставете разтвора да заври на среден огън и продължете да нагрявате, за да се изпари водата и да се намали обемът, докато по краищата на съда се появят кристали натриев ацетат. В този момент обемът трябва да бъде приблизително 100-150 mL.
- В този момент добавете малко количество вода (около 5 mL трябва да са достатъчни) и продължете нагряването, докато цялото образувано твърдо вещество се разтвори напълно.
- Внимателно прехвърлете горещия разтвор във втория стъклен съд. Ако по време на прехвърлянето се образуват кристали, загрейте съда във вряща водна баня, докато се разтвори. Ако кристалите продължават, добавете отново малко количество вода и загрейте още малко. Много е важно в този разтвор да няма нито един кристал преди следващата стъпка.
- Покрийте съда с разтвора с пластмасова обвивка и го поставете в хладилника, като избягвате удряне или грубо боравене с контейнера.
експерименти с горещ лед
Така полученият студен разтвор е свръхнаситен разтвор на натриев ацетат, който ще кристализира бързо след всяко смущение, образувайки горещ блок от кристали, наподобяващи лед.
- Можете да експериментирате с това решение по различни начини. Опитайте да добавите малки кристали на повърхността и ще видите как те растат във всички посоки, образувайки красиви игли.
- Можете също така да прехвърлите малко количество разтвор в петриево блюдо и друг плитък стъклен съд и зародишни кристали в двата края, за да видите кой расте по-бързо.
- И накрая, много хора обичат бавно да изливат разтвора върху малка шепа кристали върху някаква повърхност. Докато разтворът пада, той кристализира, образувайки вертикален сталагмит от натриев ацетат.
Обяснение на експеримента с горещ лед
Бързата кристализация на натриевия ацетат се дължи на факта, че приготвеният студен разтвор е свръхнаситен разтвор на солта. Това означава, че съдържа повече разтворен натриев ацетат, отколкото водата може да се разтвори при тази температура. Това означава, че разтворът е в метастабилно състояние, което може лесно да се утаи от всяко смущение, което генерира образуването на първите кристали, или чрез добавяне на някои кристали, които служат като ядра за образуването на нови кристали.
Това смущение може да се състои в засяване на малък кристал върху повърхността, докосване на разтвора с пръст или надраскване на повърхността на контейнера с метален предмет. Понякога просто удряне на контейнера е достатъчно, за да предизвика кристализация
Процесът на кристализация ще се разпространи бързо в целия разтвор. Топлината идва от факта, че химическата реакция на кристализация е екзотермична, тоест отделя топлина.
Мерки за сигурност
За щастие нито един от химическите реагенти, използвани в този експеримент, не е токсичен или опасен по никакъв начин. Натриевият ацетат също не е опасно съединение. Всъщност се използва като добавка в хранително-вкусовата промишленост.
Въпреки това, експериментът изисква нагряване на разтвора до кипене и работа с горещия разтвор, което представлява значителна опасност от изгаряне. Този експеримент не трябва да се провежда без надзор на възрастен и без използване на термо ръкавици за защита на ръцете от топлината.
Препратки
Амохимикали. (nd). Сода каустик: какво е това, характеристики и предпазни мерки . amochemicals.com. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica
Чанг, Р., Манзо, А. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Химия (10-то издание ). Образование на McGraw-Hill.
Experciencias. (2017, 7 февруари). Незабавен горещ лед . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=ujuwKEZevfY
Лаборатория Дискаунтър. (2021 г.). Натриев ацетат . laboratoriumdiscounter.nl. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/en/chemicals/az/n/sodic-acetate/
Редакционен CuídatePlus. (2020 г., 27 август). бикарбонат . ВнимавайтеPlus. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/bicarbonato.html
Seara, B. (2017, 7 февруари). Моментално горещ лед – невероятни експерименти . experScience. https://www.experciencia.com/hielo-caliente/