מערכת יחסים רטובה - חלק 1
תרכובות אנאורגניות בדרך כלל אינן קשורות ללחות, בעוד תרכובות אורגניות הן להיפך. אחרי הכל, הראשונים הם סלעים יבשים, והאחרונים מגיעים מיצורים חיים מימיים. עם זאת, לאסוציאציות נפוצות יש מעט קשר למציאות. במקרה זה, זה דומה: ניתן לסחוט מים מאבנים, ותרכובות אורגניות יכולות להיות יבשות מאוד.
מים הם חומר שנמצא בכל מקום בכדור הארץ, ואין זה מפתיע שניתן למצוא אותם גם בתרכובות כימיות אחרות. לפעמים הוא קשור איתם באופן רופף, סגור בתוכם, מתבטא בצורה סמויה או בונה בגלוי את מבנה הגבישים.
קודם כל. בהתחלה…
…לַחוּת
תרכובות כימיות רבות נוטות לספוג מים מסביבתן – למשל, מלח השולחן הידוע, שלעתים קרובות מתקבץ יחדיו באווירה המהבילה והלחה של המטבח. חומרים כאלה היגרוסקופיים והלחות שהם גורמים מים היגרוסקופיים. עם זאת, מלח שולחני דורש לחות יחסית גבוהה מספיק (ראה מסגרת: כמה מים יש באוויר?) כדי לקשור את אדי המים. בינתיים, במדבר ישנם חומרים שיכולים לספוג מים מהסביבה.
כמה מים יש באוויר?
לחות מוחלטת הוא כמות אדי המים הכלול ביחידת נפח אוויר בטמפרטורה נתונה. לדוגמה, ב-0°С ב-1 מטר3 באוויר יכול להיות מקסימום (כדי שלא יהיה עיבוי) של כ-5 גרם מים, ב-20 מעלות צלזיוס - כ-17 גרם מים, וב-40 מעלות צלזיוס - יותר מ-50 גרם. במטבח חם או חדר האמבטיה, לכן זה די רטוב.
לחות יחסית הוא היחס בין כמות אדי המים ליחידת נפח אוויר לכמות המקסימלית בטמפרטורה נתונה (מבוטא באחוזים).
הניסוי הבא ידרוש נתרן NaOH או אשלגן הידרוקסיד KOH. מניחים טבלית מורכבת (כפי שהם נמכרים) על זכוכית שעון והשאירו באוויר לזמן מה. עד מהרה תשימו לב שהלכסניה מתחילה להיות מכוסה בטיפות של נוזל, ואז להתפשט. זוהי ההשפעה של ההיגרוסקופיות של NaOH או KOH. על ידי הצבת הדוגמאות בחדרים שונים בבית, ניתן להשוות את הלחות היחסית של מקומות אלו (1).
1. משקעים של NaOH על זכוכית שעון (משמאל) ואותם משקעים לאחר מספר שעות באוויר (מימין).
2. ייבוש מעבדה עם ג'ל סיליקון (צילום: Wikimedia/Hgrobe)
כימאים, ולא רק הם, פותרים את בעיית תכולת הלחות של חומר. מים היגרוסקופיים זהו זיהום לא נעים על ידי תרכובת כימית, ותכולתו, יתר על כן, אינה יציבה. עובדה זו מקשה על שקלול כמות הריאגנט הנדרשת לתגובה. הפתרון, כמובן, הוא לייבש את החומר. בקנה מידה תעשייתי זה קורה בתאים מחוממים, כלומר בגרסה מוגדלת של תנור ביתי.
במעבדות, בנוסף למייבשים חשמליים (שוב, תנורים), אקסיקטורי (גם לאחסון ריאגנטים שכבר מיובשים). מדובר בכלי זכוכית, סגורים היטב, שבתחתיתם יש חומר היגרוסקופי מאוד (2). תפקידו לספוג לחות מהתרכובת המיובשת ולשמור על הלחות בתוך המייבש נמוכה.
דוגמאות לחומרי ייבוש: מלחי CaCl נטול מים.2 אני MgSO4, תחמוצות זרחן (V) P4O10 וסידן CaO וסיליקה ג'ל (סיליקה ג'ל). תוכלו למצוא את האחרון גם בצורה של כיסוני ייבוש המונחים באריזות תעשייתיות ומזון (3).
3. ג'ל סיליקון להגנה על מזון ומוצרים תעשייתיים מפני לחות.
מסירי לחות רבים יכולים להתחדש אם הם סופגים יותר מדי מים - פשוט מחממים אותם.
יש גם זיהום כימי. מים מינרליים. הוא חודר לתוך הגבישים במהלך צמיחתם המהירה ויוצר חללים מלאים בתמיסה שממנה נוצר הגביש, מוקפים במוצק. ניתן להיפטר מבועות הנוזל שבגביש על ידי המסת התרכובת והתגבשותה מחדש, אך הפעם בתנאים שמאטים את צמיחת הגביש. אז המולקולות יתמקמו "בצורה מסודרת" בסריג הגביש, ולא ישאירו רווחים.
מים נסתרים
בתרכובות מסוימות, מים קיימים בצורה סמויה, אך הכימאי מסוגל לחלץ אותם מהם. ניתן להניח שתשחרר מים מכל תרכובת חמצן-מימן בתנאים הנכונים. אתה תגרום לו לוותר על מים על ידי חימום או על ידי פעולה של חומר אחר שסופג מים חזק. מים במערכת יחסים כזו מים חוקתיים. נסה את שתי שיטות ההתייבשות הכימית.
4. אדי מים מתעבים במבחנה כאשר כימיקלים מתייבשים.
יוצקים מעט סודה לשתייה למבחנה, כלומר. נתרן ביקרבונט NaHCO.3. אפשר להשיג אותו במכולת, והוא משמש למשל במטבח. כחומר תפיחה לאפייה (אבל יש לו גם שימושים רבים אחרים).
הנח את המבחנה בלהבת המבער בזווית של כ-45° עם פתח היציאה כלפיך. זהו אחד מעקרונות ההיגיינה והבטיחות של המעבדה - כך אתה מגן על עצמך במקרה של שחרור פתאומי של חומר מחומם ממבחנה.
החימום אינו בהכרח חזק, התגובה תתחיל ב-60 מעלות צלזיוס (מספיק מבער רוח מתיל או אפילו נר). שימו עין על החלק העליון של הכלי. אם הצינור ארוך מספיק, טיפות נוזל יתחילו להצטבר ביציאה (4). אם אינכם רואים אותם, הניחו זכוכית קרה על יציאת המבחנה - אדי מים המשתחררים במהלך פירוק הסודה לשתייה מתעבים עליה (הסמל D מעל החץ מציין את חימום החומר):
5. צינור שחור יוצא מהזכוכית.
את התוצר הגזי השני, פחמן דו חמצני, ניתן לזהות באמצעות מי סיד, כלומר. פתרון רווי סידן הידרוקסיד סא (ON)2. העכירות שלו הנגרמת על ידי משקעים של סידן פחמתי מעידה על נוכחות של CO2. מספיק לקחת טיפה מהתמיסה על בגט ולהניח אותה על קצה המבחנה. אם אין לך סידן הידרוקסיד, הכין מי סיד על ידי הוספת תמיסת NaOH לכל תמיסת מלח סידן מסיס במים.
בניסוי הבא תשתמשו בריאגנט המטבח הבא - סוכר רגיל, כלומר סוכרוז C.12H22O11. תצטרך גם תמיסה מרוכזת של חומצה גופרתית H2SO4.
אני מזכיר לך מיד את הכללים לעבודה עם מגיב מסוכן זה: נדרשות כפפות גומי ומשקפי מגן, והניסוי מתבצע על מגש פלסטיק או עטיפת פלסטיק.
יוצקים סוכר לכוס קטנה בחצי מהכמות שהכלי מלא. כעת יוצקים פנימה תמיסה של חומצה גופרתית בכמות השווה למחצית הסוכר שנשפך. מערבבים את התוכן בעזרת מוט זכוכית כך שהחומצה תתפזר באופן שווה בכל הנפח. שום דבר לא קורה לזמן מה, אבל פתאום הסוכר מתחיל להתכהות, ואז משחיר, ולבסוף מתחיל "לצאת" מהכלי.
מסה שחורה נקבובית, שכבר לא נראית כמו סוכר לבן, זוחלת מהכוס כמו נחש מסלסלת פקיר. כל העניין מתחמם, נראים ענני אדי מים ואפילו נשמעת שריקה (גם זה אדי מים שנמלטים מהסדקים).
החוויה אטרקטיבית, מהקטגוריה של מה שנקרא. צינורות כימיים (5). ההיגרוסקופיות של תמיסה מרוכזת של H אחראית להשפעות הנצפות.2SO4. זה כל כך גדול עד שהמים נכנסים לתמיסה מחומרים אחרים, במקרה זה סוכרוז:
שאריות של התייבשות סוכר רוויות באדי מים (זכור כי בעת ערבוב H מרוכז2SO4 הרבה חום משתחרר עם מים), מה שגורם לעלייה משמעותית בנפחם ולהשפעת הרמת המסה מהכוס.
לכוד בתוך קריסטל
6. חימום של גופרת נחושת גבישית (II) במבחנה. ניכרת התייבשות חלקית של התרכובת.
ועוד סוג של מים הכלולים בכימיקלים. הפעם הוא מופיע במפורש (בניגוד למים חוקתיים), וכמותם מוגדרת בקפדנות (ולא שרירותית, כמו במקרה של מים היגרוסקופיים). זֶה מים של התגבשותמה שנותן צבע לקריסטלים - כשהם מסירים הם מתפרקים לאבקה אמורפית (אותה תראו בניסוי, כיאה לכימאי).
הצטייד בגבישים כחולים של נחושת(II) גופרתית CuSO4× 5ч2אה, אחד מהריאגנטים המעבדתיים הפופולריים ביותר. יוצקים כמות קטנה של גבישים קטנים למבחנה או מאייד (עדיפה השיטה השנייה, אבל במקרה של כמות קטנה של התרכובת אפשר להשתמש גם במבחנה; עוד על כך בעוד חודש). התחל בעדינות לחמם מעל להבת המבער (מנורת אלכוהול דנטורטית תספיק).
נער את הצינור ממך לעתים קרובות, או ערבב את הבאגט במאייד המוצב בידית החצובה (אל תישען על כלי הזכוכית). ככל שהטמפרטורה עולה, צבע המלח מתחיל לדהות, עד שלבסוף הוא הופך כמעט לבן. במקרה זה, טיפות נוזל נאספות בחלק העליון של המבחנה. אלו המים המורחקים מגבישי המלח (חימוםם במאייד יגלה את המים על ידי הנחת כוס שעון קרה מעל הכלי), שבינתיים התפרקה לאבקה (6). ההתייבשות של התרכובת מתרחשת בשלבים:
עלייה נוספת בטמפרטורה מעל 650 מעלות צלזיוס גורמת לפירוק המלח הנטול מים. אבקה לבנה CuSO נטול מים4 מאחסנים בכלי מוברג היטב (אפשר לשים בתוכו שקית סופחת לחות).
אתם עשויים לשאול: איך אנחנו יודעים שהתייבשות מתרחשת כפי שמתואר במשוואות? או מדוע מערכות יחסים עוקבות אחר הדפוס הזה? אתה תעבוד על קביעת כמות המים במלח זה בחודש הבא, כעת אענה על השאלה הראשונה. השיטה שבה נוכל לצפות בשינוי במסה של חומר עם עליית הטמפרטורה נקראת ניתוח תרמוגרווימטרי. החומר הנבדק מונח על משטח, מה שנקרא איזון תרמי, ומחמם, תוך קריאת שינויי המשקל.
כמובן שכיום תרמואיזונים מתעדים את הנתונים עצמם, ובמקביל מציירים את הגרף המתאים (7). צורת העקומה של הגרף מראה באיזו טמפרטורה קורה "משהו", למשל, חומר נדיף משתחרר מהתרכובת (ירידה במשקל) או שהוא מתחבר עם גז באוויר (ואז המסה גדלה). השינוי במסה מאפשר לקבוע מה ובאיזו כמות ירד או גדל.
7. גרף של העקומה התרמו-גרבימטרית של גופרת נחושת(II) גבישית.
CuSO מודר4 יש לו כמעט אותו צבע כמו התמיסה המימית שלו. זה לא צירוף מקרים. Cu יון בתמיסה2+ מוקף בשש מולקולות מים, ובגביש - בארבע, השוכנות בפינות הריבוע, שמרכזו הוא. מעל ומתחת ליון המתכת נמצאים אניוני סולפט, שכל אחד מהם "משרת" שני קטיונים סמוכים (לכן הסטוכיומטריה נכונה). אבל איפה מולקולת המים החמישית? הוא נמצא בין אחד מיוני הסולפט לבין מולקולת מים בחגורה המקיפה את יון הנחושת (II).
ושוב ישאל הקורא הסקרן: איך אתה יודע זאת? הפעם מתמונות של גבישים שהושגו על ידי הקרנתם בקרני רנטגן. עם זאת, הסבר מדוע תרכובת נטולת מים היא לבנה ותרכובת hydrated היא כחולה היא כימיה מתקדמת. הגיע הזמן שהיא תלמד.
ראה גם:
