O explicație a acetatului de sodiu și a gheții fierbinți

"Gheața fierbinte" se referă la o demonstrație chimică populară în care o soluție de acetat de sodiu dizolvată în apă și plasată într-un congelator se solidifică instantaneu atunci când este turnată din recipientul său sau când un singur cristal de acetat de sodiu solid este aruncat în soluție. Procesul de solidificare eliberează căldură și astfel oferă aspectul formării gheții fierbinți. Instructorii de chimie folosesc acest lucru pentru a demonstra fenomenul suprasaturației sau capacitatea unor soluții de a conține mai mult material dizolvat decât ar trebui în mod normal.

Faceți "gheața fierbinte" din acetat de sodiu dizolvat în apă, apoi înghețați. (Imagine: unclepodger / iStock / Getty Images)

Compuși ionici

În chimie, termenul "compus" se referă la un material compus din mai mult de un element chimic. De exemplu, sarea de masă, cunoscută și sub denumirea de clorură de sodiu, conține atomi de sodiu și clor. Când compușii conțin atât metale, cât și nemetal - așa cum se disting pe tabelul periodic al elementelor - chimistii se referă la compus ca la "ionic". Unii compuși ionici se dizolvă în apă și în timpul procesului de dizolvare metalul încărcat pozitiv, numită cation, se separă de nonmetalul încărcat negativ, numit anion. Procesul de precipitații reprezintă opusul acestui proces; adică cationul și anionul se combină pentru a forma cristale solide în soluție.

Solubilitate

Chimisti descriu capacitatea unui compus de a se dizolva in apa ca solubilitate. Prin definiție, compusul prezent în cantitate mai mică reprezintă solutul, iar compusul prezent în cantitate mai mare reprezintă solventul. În cazul dizolvării unui solid în lichid, lichidul se califică, de obicei, ca solvent. În general, chimiștii afișează solubilitatea în unități, cum ar fi grame pe litru, ceea ce înseamnă "grame de substanță dizolvată care se va dizolva în 1 I de solvent" sau "grame la 100 ml." Saturația are loc când cantitatea maximă de substanță dizolvată sa dizolvat într- cantitate dată de solvent. Unii compuși prezintă o solubilitate inerent mai mare decât alții, dar în toate cazurile solubilitatea variază în funcție de temperatură. În general, cu cât este mai mare temperatura, cu atât mai multă substanță dizolvată se va dizolva într-o cantitate dată de solvent. Procesul de supraaglomerare sau soluții "suprasaturate" se bazează pe manipularea temperaturii.

suprasaturație

Fenomenul suprasaturării apare atunci când cantitatea de substanță dizolvată dizolvată într-o anumită cantitate de solvent depășește punctul de saturație. Oamenii de știință nu înțeleg pe deplin mecanismul prin care soluțiile devin suprasaturate. Precipitarea necesită formarea unui mic cristal solid în soluție, un proces numit "nucleation". După formele cristalite, un al doilea proces, cunoscut ca creștere, mărește cristalitele la nivel macroscopic, astfel încât acestea să poată fi observate și izolate. Dar creșterea nu se produce fără nucleare, iar unele soluții, în anumite condiții, rezistă acestui proces. Nuclearea tinde să necesite o suprafață "durată" pe care să se inițieze. Suprafața aspră poate fi o impuritate, cum ar fi particule de praf sau o zgârietură în interiorul containerului de sticlă în care se află soluția. În mod alternativ, un experimentator poate iniția nuclearea în mod deliberat prin adăugarea unui singur cristal mic al compusului care este precipitat. În consecință, majoritatea instrucțiunilor pentru demonstrarea gheții fierbinți necesită adăugarea a câteva porții de acetat de sodiu solid în soluția suprasaturată pentru a induce cristalizarea.

Acetat de sodiu

Acetat de sodiu este un compus ionic format din cationi de sodiu, Na (+) și ioni acetați, C2H3O2 (-). Ca majoritatea acetaților, aceasta prezintă o solubilitate ridicată în apă: 76 g se dizolvă în 100 ml la 0 ° C. Solubilitatea, totuși, crește substanțial la temperaturi ridicate. Demonstrația cu gheață fierbinte necesită crearea unei soluții saturate de acetat de sodiu în apă fierbinte, apoi plasarea soluției într-un congelator. Pe măsură ce soluția se răcește și se apropie de 0 ° C, concentrația de acetat de sodiu va rămâne peste 76 g pe 100 ml, adică soluția va fi suprasaturată.

Gheata fierbinte

Precipitarea unui solid dintr-o soluție duce la scăderea tulburării sistemului. Adică, în soluție, ionii se mișcă liber în direcții aleatorii și, prin urmare, prezintă tulburări mari. Atunci când ionii se combină pentru a forma cristalite solide, libertatea lor de mișcare devine restrânsă. Oamenii de știință descriu aceasta ca o scădere a entropiei sau a tulburării sistemului. Legile termodinamicii stipulează că pentru un proces care prezintă o scădere a entropiei să apară în mod spontan, cum ar fi precipitarea unui solid dintr-o soluție, procesul trebuie să elibereze de asemenea căldură. În consecință, introducerea unei cristalite solide de acetat de sodiu se va încălzi ca precipitatul acetat de sodiu din soluție.