Nasse Beziehung - Teil 1

Anorganische Verbindungen werden normalerweise nicht mit Feuchtigkeit in Verbindung gebracht, organische Verbindungen sind jedoch das Gegenteil. Schließlich handelt es sich bei ersteren um trockenes Gestein, während letztere von im Wasser lebenden Organismen stammen. Allerdings haben weit verbreitete Assoziationen wenig mit der Realität zu tun. In diesem Fall ist es ähnlich: Wasser lässt sich aus Steinen herauspressen, organische Verbindungen können jedoch sehr trocken sein.

Wasser ist eine allgegenwärtige Substanz auf der Erde und es ist nicht verwunderlich, dass es auch in anderen chemischen Verbindungen vorkommt. Manchmal ist es schwach mit ihnen verbunden, in ihnen eingeschlossen, manifestiert sich in einer verborgenen Form oder bildet offen die Struktur der Kristalle.

Das wichtigste zuerst. Am Anfang…

…Feuchtigkeit

Viele chemische Verbindungen neigen dazu, Wasser aus der Umgebung aufzunehmen – zum Beispiel das bekannte Speisesalz, das in der dampfenden, feuchten Atmosphäre einer Küche oft verklumpt. Solche Stoffe sind hygroskopisch und die Feuchtigkeit, die sie verursachen hygroskopisches Wasser. Allerdings benötigt Speisesalz eine ausreichend hohe relative Luftfeuchtigkeit (siehe Kasten: Wie viel Wasser ist in der Luft?), um Wasserdampf zu binden. Mittlerweile gibt es in der Wüste Stoffe, die Wasser aus der Umgebung aufnehmen können.

Wie viel Wasser ist in der Luft?

Absolute Luftfeuchtigkeit Dies ist die Menge an Wasserdampf, die in einer Luftvolumeneinheit bei einer bestimmten Temperatur enthalten ist. Zum Beispiel bei 0°C in 1 m³ In der Luft dürfen maximal etwa 5 g Wasser (damit keine Kondensation auftritt), bei 20 ° C - etwa 17 g Wasser und bei 40 ° C - mehr als 50 g in einer warmen Küche oder Badezimmer, dieses ist daher ziemlich nass.

Relative Luftfeuchtigkeit stellt das Verhältnis der Wasserdampfmenge pro Luftvolumeneinheit zur maximalen Menge bei einer bestimmten Temperatur dar (ausgedrückt in Prozent).

Für das nächste Experiment benötigen Sie Natrium NaOH oder Kaliumhydroxid KOH. Legen Sie die zusammengesetzte Tablette (wie sie verkauft wird) auf ein Uhrglas und lassen Sie sie eine Weile an der Luft. Bald werden Sie bemerken, dass die Lutschtablette beginnt, mit Flüssigkeitstropfen bedeckt zu werden und sich dann auszubreiten. Dies ist der hygroskopische Effekt von NaOH oder KOH. Indem Sie Proben in verschiedenen Räumen des Hauses platzieren, vergleichen Sie die relative Luftfeuchtigkeit dieser Orte (1).

1. NaOH-Ablagerung auf einem Uhrglas (links) und dieselbe Ablagerung nach mehreren Stunden an der Luft (rechts).

2. Laborexsikkator mit Silikongel (Foto: Wikimedia/Hgrobe)

Chemiker, und nicht nur sie, lösen das Problem des Feuchtigkeitsgehalts einer Substanz. Hygroskopisches Wasser Dabei handelt es sich um eine unangenehme Verunreinigung mit einer chemischen Verbindung, deren Gehalt zudem nicht konstant ist. Diese Tatsache macht es schwierig, die für eine Reaktion benötigte Reagenzmenge abzuwiegen. Die Lösung besteht natürlich darin, die Substanz zu trocknen. Im industriellen Maßstab geschieht dies in beheizten Kammern, also einer größeren Variante eines heimischen Backofens.

In Labors werden neben elektrischen Trocknern (wiederum Öfen) auch elektrische Trockner verwendet eksykatorisch (auch zur Aufbewahrung bereits getrockneter Reagenzien). Dabei handelt es sich um fest verschlossene Glasgefäße, an deren Boden sich eine stark hygroskopische Substanz befindet (2). Seine Aufgabe besteht darin, Feuchtigkeit aus der getrockneten Masse zu absorbieren und die Luftfeuchtigkeit im Exsikkator niedrig zu halten.

Beispiele für Trockenmittel: wasserfreie CaCl-Salze.₂ Ich MgSO₄, Phosphoroxid (V) P₄O₁₀ und Calcium CaO und Kieselgel (Kieselgel). Letztere finden Sie auch in Form von Trockenmittelbeuteln in Industrie- und Lebensmittelverpackungen (3).

3. Silikongel zum Schutz von Lebensmitteln und Industrieprodukten vor Feuchtigkeit.

Viele Luftentfeuchter können regeneriert werden, wenn sie zu viel Wasser aufnehmen – einfach aufwärmen.

Es kommt auch zu Verunreinigungen mit chemischen Verbindungen verstopftes Wasser. Es dringt in Kristalle ein, während diese schnell wachsen, und erzeugt Räume, die mit der Lösung gefüllt sind, aus der sich der Kristall gebildet hat, und die von einem festen Körper umgeben sind. Sie können Flüssigkeitsblasen in einem Kristall entfernen, indem Sie die Verbindung auflösen und umkristallisieren, diesmal jedoch unter Bedingungen, die das Wachstum des Kristalls verlangsamen. Dann ordnen sich die Moleküle „sauber“ im Kristallgitter an und hinterlassen keine Lücken.

verstecktes Wasser

In einigen Verbindungen liegt Wasser in latenter Form vor, der Chemiker kann es jedoch aus ihnen extrahieren. Sie können davon ausgehen, dass Sie unter den richtigen Bedingungen aus jeder Sauerstoff-Wasserstoff-Verbindung Wasser freisetzen. Sie zwingen es durch Erhitzen oder durch die Einwirkung einer anderen Substanz, die Wasser stark absorbiert, zur Wasserabgabe. Wasser in solchen Beziehungen Verfassungswasser. Probieren Sie beide Methoden zur Entwässerung von Chemikalien aus.

4. Wasserdampf kondensiert in einem Reagenzglas, wenn Chemikalien dehydriert werden.

Gießen Sie etwas Backpulver in das Reagenzglas, d.h. Natriumbicarbonat NaHCO.₃. Man bekommt es im Supermarkt und in der Küche kommt es zum Beispiel zum Einsatz. als Backpulver (hat aber auch viele andere Verwendungsmöglichkeiten).

Stellen Sie das Reagenzglas in einem Winkel von ca. 45° in die Brennerflamme, wobei der Auslass in Ihre Richtung zeigt. Dies ist einer der Grundsätze der Laborhygiene und -sicherheit – so schützen Sie sich im Falle einer plötzlichen Freisetzung einer erhitzten Substanz aus dem Reagenzglas.

Das Erhitzen muss nicht stark sein, die Reaktion beginnt bei 60°C (ein Brenner mit Brennspiritus oder sogar eine Kerze reicht aus). Behalten Sie die Oberseite des Gefäßes im Auge. Wenn der Schlauch lang genug ist, beginnen sich Flüssigkeitstropfen am Auslass (4) zu sammeln. Wenn Sie sie nicht sehen, stellen Sie ein kaltes Uhrglas über den Auslass des Reagenzglases – darauf kondensiert Wasserdampf, der bei der Zersetzung von Backpulver freigesetzt wird (das D-Symbol über dem Pfeil zeigt eine Erwärmung der Substanz an):

5. Der schwarze Schlauch kommt aus dem Glas.

Das zweite gasförmige Produkt, Kohlendioxid, kann mit Kalkwasser nachgewiesen werden, d.h. gesättigte Lösung Kalziumhydroxid mit ihm)₂. Seine durch die Ausfällung von Calciumcarbonat verursachte Trübung weist auf das Vorhandensein von CO hin.₂. Es genügt, einen Tropfen der Lösung auf ein Baguette zu geben und auf das Ende des Reagenzglases zu geben. Wenn Sie kein Calciumhydroxid haben, stellen Sie Kalkwasser her, indem Sie einer Lösung eines wasserlöslichen Calciumsalzes eine NaOH-Lösung hinzufügen.

Im nächsten Experiment verwenden Sie das folgende Küchenreagenz – normalen Zucker, also Saccharose C.₁₂H2₂O₁₁. Sie benötigen außerdem eine konzentrierte Lösung von Schwefelsäure H₂SO₄.

Ich erinnere Sie sofort an die Regeln für die Arbeit mit diesem gefährlichen Reagenz: Gummihandschuhe und Schutzbrille sind erforderlich, und das Experiment wird auf einer Plastikschale oder Plastikfolie durchgeführt.

Gießen Sie die Hälfte der Zuckermenge in ein kleines Becherglas, das das Gefäß füllt. Gießen Sie nun eine Schwefelsäurelösung in einer Menge ein, die der Hälfte des zugesetzten Zuckers entspricht. Rühren Sie den Inhalt mit einem Glasstab um, damit sich die Säure gleichmäßig im gesamten Volumen verteilt. Eine Zeit lang passiert nichts, aber plötzlich beginnt der Zucker dunkler zu werden, wird dann schwarz und beginnt schließlich, aus dem Gefäß „herauszukommen“.

Eine poröse schwarze Masse, die nicht mehr an weißen Zucker erinnert, kriecht aus dem Glas wie eine Schlange aus einem Fakirkorb. Das Ganze heizt sich auf, Wasserdampfwolken sind sichtbar und sogar ein Zischen ist zu hören (auch das ist Wasserdampf, der aus den Ritzen austritt).

Das Erlebnis ist attraktiv, ab der sogenannten Kategorie. Chemieschläuche (5). Die Hygroskopizität der konzentrierten H-Lösung ist für die beobachteten Effekte verantwortlich.₂SO₄. Es ist so groß, dass aus anderen Stoffen, in diesem Fall Saccharose, Wasser in die Lösung gelangt:

Die Rückstände der Zuckerentwässerung sind mit Wasserdampf gesättigt (denken Sie daran, dass beim Mischen von konzentriertem H₂SO₄ Beim Wasser wird viel Wärme freigesetzt, was zu einer deutlichen Volumenvergrößerung und dem Effekt des Abhebens der Masse vom Glas führt.

Gefangen in einem Kristall

6. Erhitzen von kristallinem Kupfer(II)sulfat in einem Reagenzglas. Es ist eine teilweise Dehydratisierung der Verbindung sichtbar.

Und eine andere Art von Wasser, das in Chemikalien enthalten ist. Diesmal manifestiert es sich deutlich (im Gegensatz zu konstitutionellem Wasser) und seine Menge ist streng definiert (und nicht willkürlich, wie im Fall von hygroskopischem Wasser). Das Kristallwasserwas den Kristallen Farbe gibt - wenn sie entfernt werden, zerfallen sie in ein amorphes Pulver (das Sie experimentell sehen werden, wie es sich für einen Chemiker gehört).

Besorgen Sie sich einen Vorrat an blauen Kristallen aus hydratisiertem Kupfer(II)sulfat CuSO₄×5ch₂Oh, eines der beliebtesten Laborreagenzien. Gießen Sie eine kleine Menge kleiner Kristalle in ein Reagenzglas oder einen Verdampfer (die zweite Methode ist besser, aber im Falle einer kleinen Menge der Verbindung können Sie ein Reagenzglas verwenden; mehr dazu in einem Monat). Beginnen Sie vorsichtig mit dem Erhitzen über einer Fackelflamme (eine Brennspirituslampe reicht aus).

Schütteln Sie das Reagenzglas häufig mit der von Ihnen abgewandten Seite oder rühren Sie das Baguette im Verdampfer am Griff des Ständers um (beugen Sie sich nicht über die Schüssel). Mit steigender Temperatur beginnt die Farbe des Salzes zu verblassen, bis es schließlich fast weiß wird. Gleichzeitig sammeln sich Flüssigkeitstropfen im oberen Teil des Reagenzglases. Dabei handelt es sich um das den Salzkristallen entzogene Wasser (durch Erhitzen in einem Verdampfer, Wasser findet man, indem man ein kaltes Uhrglas über das Gefäß stellt), das mittlerweile zu Pulver zerfallen ist (6). Die Dehydrierung der Verbindung erfolgt in Stufen:

Ein weiterer Temperaturanstieg über 650 °C führt zur Zersetzung des wasserfreien Salzes. Weißes, wasserfreies CuSO-Pulver₄ In einem fest verschließbaren Behälter aufbewahren (Sie können einen Trockenmittelbeutel hineinlegen).

Sie fragen sich vielleicht: Woher wissen wir, dass Dehydration auftritt, wie durch die Gleichungen beschrieben? Oder warum folgen Beziehungen diesem Muster? Sie werden nächsten Monat die Wassermenge in diesem Salz bestimmen, jetzt werde ich die erste Frage beantworten. Die Methode, mit der wir die Änderung der Masse eines Stoffes bei steigender Temperatur beobachten können, heißt thermogravimetrische Analyse. Der zu untersuchende Stoff wird auf ein Tablett, die sogenannte Thermowaage, gelegt und erhitzt, wobei die Gewichtsveränderungen abgelesen werden.

Heutzutage zeichnen Wärmebilanzen natürlich selbst die Daten auf und zeichnen gleichzeitig die entsprechende Grafik (7). Die Form der Kurve des Diagramms zeigt, bei welcher Temperatur „etwas“ passiert, z. B. dass eine Verbindung eine flüchtige Substanz freisetzt (Gewichtsverlust) oder sich mit einem Gas in der Luft verbindet (dann nimmt die Masse zu). Anhand einer Massenänderung können Sie feststellen, was und in welcher Menge abgenommen oder zugenommen hat.

7. Diagramm der thermogravimetrischen Kurve von kristallinem Kupfer(II)sulfat.

Hydratisiertes CuSO₄ es hat fast die gleiche Farbe wie seine wässrige Lösung. Das ist kein Zufall. Cu-Ion in Lösung₂+ ist von sechs Wassermolekülen umgeben und im Kristall von vier, die an den Ecken des Quadrats liegen, dessen Mittelpunkt es ist. Über und unter dem Metallion befinden sich Sulfat-Anionen, von denen jedes zwei benachbarte Kationen "bedient" (damit die Stöchiometrie stimmt). Aber wo ist das fünfte Wassermolekül? Es liegt zwischen einem der Sulfationen und einem Wassermolekül in einem Gürtel, der das Kupfer(II)-Ion umgibt.

Und wieder wird der neugierige Leser fragen: Woher wissen Sie das? Diesmal aus Bildern von Kristallen, die durch Bestrahlung mit Röntgenstrahlen entstanden sind. Die Erklärung, warum die wasserfreie Verbindung weiß und die hydratisierte Verbindung blau ist, ist jedoch fortgeschrittene Chemie. Es ist Zeit für sie zu lernen.

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