Kuinka tehdä kuumaa jäätä etikan ja ruokasoodan kanssa?

On olemassa suuri määrä kotikokeita, jotka havainnollistavat monia tieteen ja erityisesti kemian tärkeimpiä näkökohtia. Yksi näistä kokeista on kuuma jää, joka koostuu natriumasetaatin vesiliuoksen nopeasta ja eksotermisestä kiteytymisestä. Seuraavaksi näytämme kaiken tarvittavan natriumasetaatin synteesin suorittamiseksi etikasta ja natriumbikarbonaatista, ja valmistamme myös tästä orgaanisesta suolasta ylikyllästetyn liuoksen, joka kiteytyessään havainnollistaa eksotermisten reaktioiden voimaa.

Mikä on kuuma jää?

Huolimatta siitä, mitä nimi antaa ymmärtää, kuuma jää ei todellakaan ole jäätä. Muistakaamme, että jää ei ole muuta kuin yleinen nimi, jolla vesi tunnetaan kiinteässä tilassa. Ympäristön lämpötila- ja paineolosuhteissa vesi on nestemäisessä tilassa ja sen sulamispiste on 0 °C. Normaalilla 1 ilmakehän paineella jäätä ei ole mahdollista lämmittää sen sulamispisteen yläpuolelle, koska kaikki toimittamamme lisälämpö kuluu jään sulattamiseen sen lämmittämisen sijaan. Tästä syystä ajatus todellisen jään (kiinteän veden) valmistamisesta ympäristön paineessa ja huoneenlämpötilassa tai pahempaa korkeammassa lämpötilassa rikkoo termodynamiikan lakeja. Toisin sanoen se on mahdotonta.

Kuuma jää on itse asiassa kemiallinen yhdiste, jota kutsutaan natriumasetaatiksi . Tämä yhdiste on orgaaninen suola, jonka muodostavat asetaatti-ionit, jotka vastaavat keittiössä käyttämämme etikan sisältämää etikkahapon konjugaattiemästä ja natriumioneja. Etikkahappo on orgaaninen happo, joka kuuluu karboksyylihappojen perheeseen ja on tämän perheen toiseksi yksinkertaisin jäsen. Siksi sen suoloja kutsutaan orgaanisiksi suoloiksi.

Natriumasetaatin kaava voidaan kirjoittaa eri tavoin. Sen kemiallinen kaava on NaC ₂ H ₃ O ₂ . Puolilaajennetussa muodossa se on kirjoitettu CH ₃ COONa, ja asetaatti-ionista käytetään joskus lyhennettä Ac ^– , joten natriumasetaattia edustaa NaAc. Tämän yhdisteen kemiallinen rakenne on:

Tästä rakenteestaan ​​huolimatta natriumasetaatti kiteytyy vesiliuoksesta trihydratoidun suolan muodossa, jonka kaava on NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O.

Natriumasetaatin synteesireaktio

Suoloja voidaan syntetisoida eri tavoin ja erilaisista kemiallisista reagensseista. Yksi helpoimmista tavoista tehdä tämä on neutralointireaktio hapon ja sopivan anionin (tässä tapauksessa etikkahapon) ja sopivan kationin sisältävän emäksen välillä. Etikkahappo on heikko happo, joka on helposti saatavilla ja turvallinen käsitellä. Mitä tulee emäkseen, on olemassa useita vaihtoehtoja, jotka toimisivat natriumasetaatille, mutta kaksi sopivinta on natriumhydroksidi (kaustinen sooda) ja natriumbikarbonaatti .

Ensimmäinen emäs, natriumhydroksidi, on hyvä valinta nopeaan synteesiin, koska se on vahva emäs, joka reagoi nopeasti etikkahapon kanssa muodostaen natriumasetaattia ja reaktion sivutuotteena on vesi. , joka on jo joka tapauksessa läsnä.

Tässä tapauksessa kemiallinen reaktio olisi:

Tällä reaktiolla on kuitenkin kaksi suurta ongelmaa. Ensinnäkin vaikka natriumhydroksidia on helposti saatavilla, koska se on useimpien syövyttävien uuninpuhdistusaineiden ja rasvanpoistoaineiden pääkomponentti, se on melko vaarallinen aine, jota on käsiteltävä erittäin huolellisesti.

Toiseksi on tarpeen mitata huolellisesti liuokseen lisätyn natriumhydroksidin määrät ja tarkistaa pH lakmuspaperilla tai muulla vastaavalla osoittamaan, milloin kaikki etikkahappo on neutraloitunut, koska jos lisätään ylimäärä. suolaliuos voi olla voimakkaasti emäksistä ja vaarallista käsitellä.

Sopivampi ja paljon turvallisempi vaihtoehto, joka tarjoaa eniten natriumhydroksidin etuja, mutta ei yhtään haitoista, on ruokasooda. Tämä suola vastaa hiilihapon konjugaattiemäksen natriumsuolaa. Se on amfoteerinen yhdiste, joka voi reagoida sekä happojen että emästen kanssa ja pystyy neutraloimaan etikkahappoa muodostaen natriumasetaattia ja hiilihappoa. Jälkimmäinen saattaa häiritä saastuttamalla muodostunutta natriumasetaattia, mutta se hajoaa nopeasti tuottaen vettä ja kaasumaista hiilidioksidia, joka poistuu nopeasti paljaalla silmällä näkyvän kuohumisen muodossa.

Natriumasetaatin synteesireaktio natriumbikarbonaattia käyttämällä on:

Tämä on reaktio, jota käytämme tässä natriumasetaatin synteesissä.

Valkoinen etikka on puhdistettu etikkahapon vesiliuos, joka sisältää yleensä 3-5 painoprosenttia happoa. Koska tiheys on hyvin lähellä puhtaan veden tiheyttä, tämä tarkoittaa, että 1 litra etikkaa sisältää noin 30-50 g etikkahappoa. Tämä tarkoittaa, että litra etikkaa tarvitsee noin 42-70 g natriumbikarbonaattia reagoidakseen stoikiometrisissä suhteissa. Jos sitä löydettäisiin suurimmassa osuudessa, muodostuisi noin 113 g trihydratoitua natriumasetaattia.

Menettely kuuman jään valmistamiseksi kotona

reagenssit

• 1 l valkoviinietikkaa (etikkahappoa noin 5 %)
• 100 g ruokasoodaa

materiaaleja ja laitteita

• Liesi lämmittää.
• Dekantterilasi, jonka tilavuus on vähintään 1,5 litraa. Jos sinulla ei sellaista ole, voit korvata sen lasista ja lopulta metallista valmistetulla kattilalla tai pannulla.
• Lasisäiliö, jonka tilavuus on 200-250 ml. Säiliön tulee olla erittäin puhdas, eikä se saa naarmuuntua.
• Keittiövaaka, mieluiten digitaalinen.

Ylikyllästyneen natriumasetaattiliuoksen valmistus

Syntetisoi natriumasetaatti seuraavasti:

1. Punnitse ruokasooda vaa’alla ja aseta sivuun.
2. Lisää etikka dekantterilasiin ja lisää ruokasooda liuokseen hitaasti pienissä erissä sekoittaen lusikalla, kunnes poreileminen lakkaa, ennen kuin lisäät seuraavan annoksen. Tämä estää liian suuren hiilidioksidin muodostumisen ja vuotamisen yli dekantterilasin reunojen yli. Tässä vaiheessa natriumasetaatti on jo muodostunut.
3. Kuumenna liuos kiehuvaksi keskilämmöllä ja jatka kuumentamista veden haihduttamiseksi ja tilavuuden pienentämiseksi, kunnes säiliön reunoihin ilmestyy natriumasetaattikiteitä. Tässä vaiheessa tilavuuden tulee olla noin 100-150 ml.
4. Lisää tässä vaiheessa pieni määrä vettä (noin 5 ml pitäisi riittää) ja jatka kuumennusta, kunnes kaikki muodostunut kiinteä aine on täysin liuennut.
5. Siirrä kuuma liuos varovasti toiseen lasiastiaan. Jos siirron aikana muodostuu kiteitä, lämmitä astiaa kiehuvassa vesihauteessa, kunnes se on liuennut. Jos kiteitä säilyy, lisää taas pieni määrä vettä ja kuumenna vielä vähän aikaa. On erittäin tärkeää, että tässä liuoksessa ei ole yhtä kidettä ennen seuraavaa vaihetta.
6. Peitä liuosta sisältävä säiliö muovikelmulla ja aseta se jääkaappiin välttäen iskuja tai säiliön kovaa käsittelyä.

kuuman jään kokeiluja

Näin saatu kylmä liuos on natriumasetaatin ylikyllästetty liuos, joka kiteytyy nopeasti minkä tahansa häiriön jälkeen muodostaen kuuman jäätä muistuttavan kidelohkon.

• Voit kokeilla tätä ratkaisua eri tavoilla. Kokeile lisätä pieniä kiteitä pintaan ja näet kuinka ne kasvavat kaikkiin suuntiin muodostaen kauniita neuloja.
• Voit myös siirtää pienen määrän liuosta petrimaljaan ja toiseen matalaan lasiastiaan sekä siemenkiteitä kahdessa päässä nähdäksesi kumpi kasvaa nopeammin.
• Lopuksi monet ihmiset nauttivat liuoksen hitaasti kaatamisesta pienen kourallisen kiteiden päälle jollekin pinnalle. Kun liuos putoaa, se kiteytyy muodostaen pystysuoran natriumasetaatin stalagmiitin.

Selitys kuuman jään kokeesta

Natriumasetaatin nopea kiteytyminen johtuu siitä, että valmistettu kylmä liuos on suolan ylikyllästynyt liuos. Tämä tarkoittaa, että se sisältää enemmän liuennutta natriumasetaattia kuin vesi pystyy liukenemaan kyseisessä lämpötilassa. Tämä tarkoittaa, että liuos on metastabiilissa tilassa, joka voidaan helposti saostaa millä tahansa häiriöllä, joka synnyttää ensimmäisten kiteiden muodostumisen, tai lisäämällä joitain kiteitä, jotka toimivat ytimina uusien kiteiden muodostumiselle.

Tämä häiriö voi muodostua pienen kiteen kylvämisestä pinnalle, liuoksen koskettamisesta sormella tai säiliön pinnan naarmuuntumisesta metallityökalulla. Joskus pelkkä astiaan osuminen riittää käynnistämään kiteytymisen

Kiteytysprosessi leviää nopeasti koko liuoksen läpi. Lämpö tulee siitä, että kiteytymisen kemiallinen reaktio on eksoterminen, eli se vapauttaa lämpöä.

Turvatoimet

Onneksi mikään tässä kokeessa käytetyistä kemiallisista reagensseista ei ole myrkyllinen tai vaarallinen millään tavalla. Natriumasetaatti ei myöskään ole vaarallinen yhdiste. Itse asiassa sitä käytetään lisäaineena elintarviketeollisuudessa.

Kokeilu vaatii kuitenkin liuoksen lämmittämistä kiehuvaksi ja kuuman liuoksen käsittelyä, mikä aiheuttaa merkittävän palovamman. Tätä koetta ei saa suorittaa ilman aikuisen valvontaa ja ilman lämpökäsineitä suojaamaan käsiä kuumuudelta.

Viitteet

Amokemikaalit. (nd). Kaustinen sooda: mitä se on, ominaisuudet ja varotoimet . amochemicals.com. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS ja Herranz, ZR (2020). Kemia (10. ^painos ). McGraw-Hill koulutus.

Experiencias. (2017, 7. helmikuuta). Välittömästi kuumaa jäätä . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=ujuwKEZevfY

Laboratorio Discounter. (2021). Natriumasetaatti . laboratoriumdiscounter.nl. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/en/chemicals/az/n/sodic-acetate/

Toimituksellinen CuídatePlus. (2020, 27. elokuuta). bikarbonaatti . Ole varovainenPlus. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/bikarbonato.html

Seara, B. (2017, 7. helmikuuta). Instant Hot Ice – upeita kokeita . kokemus Tiede. https://www.experciencia.com/hielo-caliente/