ぬれた関係 - パート 1
通常、無機化合物は水分と関係ありませんが、有機化合物はその逆です。 結局のところ、前者は乾燥した岩石であり、後者は水生生物に由来します。 しかし、広く広まっている関連性は現実とはほとんど関係がありません。 この場合も同様です。石から水を絞り出すことはできますが、有機化合物は非常に乾燥している可能性があります。
水は地球上に遍在する物質であり、他の化合物の中に水が含まれていても不思議ではありません。 時には、それはそれらと弱く結びついたり、それらの中に閉じ込められたり、隠れた形で現れたり、あるいは公然と結晶の構造を構築したりします。
まず最初に。 初めに…
…水分
多くの化合物は環境から水分を吸収する傾向があります。たとえば、よく知られている食塩は、キッチンの蒸気が多く湿気の多い雰囲気の中で凝集することがよくあります。 このような物質は吸湿性があり、湿気を引き起こします。 吸湿性の水。 ただし、食塩は水蒸気を結合するために十分に高い相対湿度を必要とします (ボックス: 空気中にどれだけの水が存在しますか? を参照)。 一方、砂漠には環境から水を吸収する物質が存在します。
空気中にはどれくらいの水が含まれているのでしょうか？
絶対湿度 これは、特定の温度で単位体積の空気に含まれる水蒸気の量です。 たとえば、0℃、1mの場合3 空気中には最大約 5 g の水、20 ° C では約 17 g の水、40 ° C では 50 g 以上の水 (結露がないように) が存在する可能性があります。バスルーム、したがって、これはかなり濡れています。
相対湿度 空気の単位体積あたりの水蒸気の量と、所定の温度における最大量との比を表します（パーセントで表されます）。
次の実験では、NaOH ナトリウムまたは水酸化カリウム KOH が必要になります。 化合物の錠剤（市販されているもの）を時計皿の上に置き、しばらく空気中に放置します。 すぐに、トローチが液体の滴で覆われ始め、広がり始めることに気づくでしょう。 これはNaOHまたはKOHの吸湿効果です。 家のさまざまな部屋にサンプルを置き、これらの場所の相対湿度を比較します (1)。
1. 時計皿上の NaOH 堆積物 (左)、および空気中で数時間放置した後の同じ堆積物 (右)。
2. シリコーンゲルを備えた実験用デシケーター (写真: Wikimedia/Hgrobe)
化学者だけではありませんが、化学者は物質の水分含有量の問題を解決します。 吸湿性の水 これは化合物による不快な汚染であり、さらにその含有量は一定ではありません。 このため、反応に必要な試薬の量を計量することが困難になります。 もちろん、解決策は物質を乾燥させることです。 工業規模では、これは加熱されたチャンバー、つまり家庭用オーブンの大型版で発生します。
研究室では、電気乾燥機 (これもオーブン) に加えて、 エクシカトリー (乾燥済みの試薬の保管にも)。 これらは密閉されたガラス容器で、その底には吸湿性の高い物質があります (2)。 その役割は、乾燥した化合物から水分を吸収し、デシケーター内の湿度を低く維持することです。
乾燥剤の例: 無水 CaCl 塩。2 IMgSO4、酸化リン (V) P4O10 カルシウムCaOおよびシリカゲル（シリカゲル）。 後者は、工業用および食品の包装に乾燥剤小袋の形で使用されることもあります (3)。
3. 食品や工業製品を湿気から守るシリコーンゲル。
多くの除湿剤は、水分を吸収しすぎても温めるだけで再生できます。
化学物質による汚染もある 水の詰まり。 それは結晶が急速に成長するときに結晶に浸透し、固体に囲まれた、結晶が形成された溶液で満たされた空間を作成します。 化合物を溶解して再結晶させることで結晶内の液体の泡を取り除くことができますが、この場合は結晶の成長が遅くなる条件下で行われます。 そうすれば、分子は結晶格子内に「きちんと」配置され、隙間がなくなります。
隠された水
一部の化合物には水が潜在的な形で存在しますが、化学者は化合物からそれを抽出することができます。 適切な条件下では、酸素と水素の化合物から水が放出されると想定できます。 加熱するか、水を強く吸収する別の物質の作用によって、強制的に水を放出させます。 そのような関係における水 憲法上の水。 化学薬品を脱水する両方の方法を試してください。
4. 化学薬品が脱水されると、試験管内で水蒸気が凝結します。
試験管に重曹を注ぎます。 重炭酸ナトリウム NaHCO。3。 食料品店で購入でき、キッチンなどでも使用されます。 ベーキングパウダーとして（他にも多くの用途があります）。
試験管をバーナーの炎の中に、出口を手前に向けて約 45°の角度で置きます。 これは研究室の衛生と安全の原則の XNUMX つです。これにより、試験管から加熱された物質が突然放出された場合に身を守ることができます。
加熱は強くする必要はなく、60℃で反応が始まります（変性アルコールを備えたバーナーやろうそくでも十分です）。 容器の上部に注目してください。 チューブが十分に長い場合は、液体の滴が出口 (4) に集まり始めます。 それらが見えない場合は、試験管の出口に冷たい時計皿を置きます。重曹の分解中に放出された水蒸気がその上で凝縮します (矢印の上の D 記号は物質の加熱を示します)。
5. 黒いホースがガラスから出てきます。
XNUMX 番目の気体生成物である二酸化炭素は、石灰水を使用して検出できます。 飽和溶液 水酸化カルシウム (ON)あり2。 炭酸カルシウムの沈殿によって生じるその濁りは、CO の存在を示します。2。 バゲットに溶液を一滴取り、試験管の端に置くだけで十分です。 水酸化カルシウムがない場合は、水溶性カルシウム塩の溶液に NaOH 溶液を加えて石灰水を作ります。
次の実験では、次のキッチン試薬、通常の砂糖、つまりスクロース C を使用します。12H22O11。 濃硫酸H溶液も必要です。2SO4.
この危険な試薬を扱う際のルールをすぐに思い出してください。ゴム手袋とゴーグルが必要で、実験はプラスチックトレイまたはプラスチックフィルムの上で行われます。
容器を満たす小さなビーカーに砂糖の半分の量を注ぎます。 次に、加えた砂糖の半分に等しい量の硫酸溶液を注ぎます。 酸が全体積全体に均一に分散されるように内容物をガラス棒でかき混ぜます。 しばらくは何も起こりませんでしたが、突然砂糖が黒ずみ始め、次に黒くなり、最後には容器から「出てき」始めます。
もはや白砂糖には似ていない多孔質の黒い塊が、ファキールの籠から出てきた蛇のようにガラスから這い出てくる。 全体が加熱し、水蒸気の雲が見え、シューシューという音さえ聞こえます（これも亀裂から漏れる水蒸気です）。
いわゆるカテゴリーからの体験が魅力的です。 化学薬品ホース (5)。 濃 H 溶液の吸湿性が観察された効果の原因となります。2SO4。 非常に大きいため、他の物質 (この場合はスクロース) から水が溶液に入ります。
砂糖の脱水の残留物は水蒸気で飽和しています（濃HXNUMXを混合するときは注意してください）2SO4 水とともに大量の熱が放出されます）、これにより体積が大幅に増加し、ガラスから質量が持ち上げられる効果が生じます。
クリスタルの中に閉じ込められて
6. 結晶性硫酸銅(II)を試験管内で加熱します。 化合物の部分的な脱水が見られます。
そしてもう一つは化学薬品に含まれる水分です。 今回はそれが明確に現れ（体質的な水とは異なり）、その量は厳密に定義されています（吸湿性の水の場合のように恣意的ではありません）。 これ 結晶水結晶に色を与えるもの - 除去すると、非晶質の粉末に崩壊します (化学者にふさわしいように、実験で確認できます)。
水和硫酸銅(II) CuSO の青い結晶を備蓄しましょう4×5時間2ああ、最も人気のある実験用試薬の XNUMX つです。 少量の小さな結晶を試験管またはエバポレーターに注ぎます (XNUMX 番目の方法の方が優れていますが、化合物が少量の場合は試験管を使用できます。これについては XNUMX か月後に詳しく説明します)。 トーチの炎で慎重に加熱を開始します（変性アルコールランプで十分です）。
試験管を自分の反対側に向けて頻繁に振るか、スタンドのハンドルに置かれたエバポレーターの中でバゲットをかき混ぜます (皿にもたれかからないでください)。 温度が上がると塩の色が薄くなり、最終的にはほぼ白になります。 同時に、液体の滴が試験管の上部に集まります。 これは塩の結晶から除去された水分であり（蒸発器で塩の結晶を加熱することにより、冷たい時計皿を容器の上に置くと水が得られます）、その間に粉末に分解されます（6）。 化合物の脱水は段階的に起こります。
650℃を超える温度がさらに上昇すると、無水塩の分解が起こります。 白色無水CuSO粉末4 しっかりとネジを締めた容器に保管してください（乾燥剤の袋を入れても構いません）。
「方程式で説明されているように脱水症状が起こっていることをどうやって知ることができるのでしょうか?」と疑問に思うかもしれません。 あるいは、なぜ人間関係がこのパターンに従うのでしょうか? 来月、この塩に含まれる水の量を決定することになります。ここで最初の質問に答えます。 温度の上昇に伴う物質の質量の変化を観察できる方法はと呼ばれます 熱重量分析。 研究対象の物質をトレイ、いわゆる熱天秤に置き、加熱して重量の変化を読み取ります。
もちろん、今日では熱天秤自体がデータを記録し、同時に対応するグラフを描画します (7)。 グラフの曲線の形状は、どの温度で化合物が揮発性物質を放出する（重量減少）、または空気中のガスと結合する（その後、質量が増加する）などの「何か」が起こることを示しています。 質量の変化により、何がどの程度減少または増加したかを判断できます。
7. 結晶性硫酸銅(II)の熱重量曲線のグラフ。
水和CuSO4 水溶液とほぼ同じ色です。 これは偶然ではありません。 溶液中のCuイオン2+はXNUMXつの水分子に囲まれ、結晶内ではXNUMXつに囲まれ、その中心である正方形の隅にあります。 金属イオンの上と下には硫酸塩陰イオンがあり、それぞれが隣接する XNUMX つの陽イオンに「作用」します (したがって、化学量論は正しいです)。 しかし、XNUMX 番目の水分子はどこにあるのでしょうか? これは、硫酸イオンの XNUMX つと、銅 (II) イオンを囲むベルト内の水分子の間にあります。
そしてまた、好奇心旺盛な読者はこう尋ねるでしょう：どうしてこれがわかるのですか？ 今回は結晶にX線を照射して得られた画像から。 しかし、なぜ無水化合物が白く、水和化合物が青いのかを説明するのは高度な化学です。 彼女は勉強する時間だ。
参照してください：
