Mokre związki - częaść 2
Sól poddana odwodnieniu w eksperymencie kończącym poprzedni artykuł to błękitnej barwy CuSO4·5H2O, czyli pięciowodny siarczan(VI) miedzi( II). O nazewniczych zawiłościach związków zawierających wodę krystalizacyjną (zwanych hydratami) przeczytasz w ramce na następnych stronach. Teraz jednak celem jest ponowne…
…odwodnienie soli
Kolejne doświadczenie będzie podobne do tego, które kończyło poprzedni odcinek cyklu.
Przygotuj próbki barwnych innych uwodnionych soli, np. CuCl2·2H2O, NiCl2·6H2O, CoCl2·6H2O (spróbuj je też nazwać). Potrzebny będzie jeszcze statyw z uchwytem, palnik (może być denaturatowy), parownice porcelanowe, bagietki szklane i szkiełka zegarkowe.
Zdecydowanie polecam przeprowadzenie eksperymentu z odwodnieniem soli w parowniczce zamiast w probówce. Unikniesz w ten sposób przegrzania związków, co powoduje gwałtowne wydzielanie pary wodnej (szczególnie w stosunkowo grubej warstwie soli znajdującej się w probówce) i rozpryskiwanie zawartości naczynia. Z tego też powodu ogrzewaj powoli, niewielkim płomieniem palnika denaturatowego. Cały czas mieszaj zawartość parowniczki bagietką, co pozwoli na równomierny rozkład związku.
Pamiętaj, że zawilgocone sole mogą się rozpływać podczas ogrzewania. Do odwodnienia używaj trwałych soli: chlorków lub siarczanów(VI). Azotany(V) metali ciężkich zwykle ulegają rozkładowi termicznemu w niezbyt wysokich temperaturach, a w parowniczce pozostaną wtedy tlenki odpowiednich metali.
Do umieszczonej w statywie parowniczki nasyp porcję soli. Naczynie ogrzewaj niewielkim płomieniem palnika. Zawartość parowniczki cały czas mieszaj bagietką szklaną. Gdy kryształy zmienią barwę na właściwą dla soli bezwodnej, przerwij ogrzewanie i wysyp pozostałości na szkiełko zegarkowe. Porównaj barwy soli uwodnionej i bezwodnej. W przypadku zaproponowanych wyżej krystalicznych soli zauważysz, że (1):
- CuCl2·2H2O zmienił barwę z zielononiebieskiej na brązową,
- NiCl2·6H2O z zielonej na żółtą,
- CoCl2·6H2O z buraczkowej na niebieską.
Do przechowywania odwodnionych soli użyj szczelnie zamkniętych naczyń, do których dodatkowo możesz włożyć saszetki pochłaniające wilgoć.
Następna próba to…
…ponowne uwodnienie
Na szkiełko zegarkowe nasyp szczyptę soli bezwodnej, rozgarnij proszek i na jedną część nanieś kroplę wody. Porównaj barwy soli bezwodnej, zwilżonej wodą i krystalicznej (uwodnionej). Po zwilżeniu wodą barwa staje się podobna do soli krystalicznej (2). Efekt ten tłumaczy wiązanie cząsteczek wody w tworzącym się hydracie. Jednak kolory nie są dokładnie takie same. Powodem jest częściowe rozpuszczanie się soli w wodzie oraz to, że nie powstają dobrze wykształcone kryształy.
Podobnie jak w przypadku kryształów uwodnionego CuSO4 i jego roztworu wodnego możesz dostrzec pewne różnice barw. W roztworze jony metali (zwłaszcza miedzi, żelaza, niklu, kobaltu czy chromu) "lubią" otaczać się sześcioma cząsteczkami wody, natomiast w krysztale w miejscu niektórych molekuł H2O muszą znaleźć się odpowiednie aniony. A zmiana otoczenia zmienia nieco zabarwienie jonu metalu.
Odczynnik na wodę
Znajomość doktora Johna Watsona z Sherlockiem Holmesem rozpoczęła się w laboratorium chemicznym, od okrzyku tego ostatniego:
- Mam, mam! Odkryłem odczynnik na hemoglobinę, tylko na hemoglobinę.
Genialny detektyw zapewne nie raz wykorzystywał go do wykrywania śladów krwi na miejscu przestępstwa. Ty zaś dysponujesz bardzo czułym odczynnikiem na wodę, o czym za chwilę przekonasz się doświadczalnie.
Jest nim bezwodna sól, którą niedawno otrzymałeś, czyli biały proszek CuSO4. Koniec bagietki szklanej lub ołówka owiń dwustronną taśmą klejącą. Dotknij oklejonym końcem pałeczki do bezwodnej soli tak, aby przywarło do niego nieco proszku. Wstaw koniec w strumień pary wodnej, np. nad szklankę z gorącą wodą. Proszek po chwili nabiera niebieskiej barwy, co sygnalizuje uwodnienie soli i oczywiście obecność wody w otoczeniu (3). Dla wywołania zmiany koloru wcale nie są jednak potrzebne kłęby pary wodnej. Wystarczy nawet chuchnięcie, aby biały proszek z powrotem stał się niebieski.
Pamiętasz doświadczenie z poprzedniego miesiąca, z pastylkami wodorotlenku sodu? Możesz je powtórzyć, umieszczając na szkiełkach zegarkowych porcje bezwodnego CuSO4. Szybkość zniebieszczenia proszku jest miarą wilgotności panującej w danym miejscu mieszkania.
Higroskopijność bezwodnego siarczanu(VI) miedzi( II) wykorzystasz również do wykrywania wody w cieczach organicznych. Do probówki nalej kilka cm3 wody i taką samą objętość lżejszej, niemieszającej się z nią cieczy, np. benzyny ekstrakcyjnej czy rozpuszczalnika do farb olejnych. Kilka razy mocno wstrząśnij naczyniem - tak, aby ciecze zmieszały się ze sobą - i odstaw próbówkę do rozwarstwienia.
Przy pomocy suchej pipetki pobierz niewielką objętość rozpuszczalnika organicznego (znajduje się w górnej warstwie) i wpuść go do nowej, suchej probówki, na której dno wsypałeś uprzednio biały proszek bezwodnego CuSO4. Wstrząśnij zawartością naczynia i pozwól soli opaść na dno. Proszek stał się wyraźnie niebieski, co świadczy o obecności wody w - pozornie się z nią nie mieszającej - cieczy organicznej (4).
Zapamiętaj, że nie ma cieczy, które się ze sobą całkowicie nie mieszają - zawsze w jednej rozpuści się odrobina drugiej (i na odwrót), choć czasem są to ilości śladowe. W wykonanym doświadczeniu woda rozpuściła się w benzynie, a niewielka ilość benzyny w wodzie. Ten sam mechanizm, który posłużył do wykrycia wody w rozpuszczalniku, stosowany jest do osuszania cieczy organicznych (zwykle używa się bezwodnych siarczanów sodu, magnezu i wapnia).
Wykonaj jeszcze kilka prób z wykrywaniem wody, np. w oleju roślinnym (po zmieszaniu z wodą), maśle czy kremach kosmetycznych.
Odczynnik na wodę numer 2
Przygotuj bibułę filtracyjną z sączków (lub inną) pociętą na paski, parowniczkę, bagietkę szklaną oraz aceton i bezwodny chlorek kobaltu(II) CoCl2. Do parowniczki wsyp szczyptę soli i wlej niewielką ilość acetonu. Po wymieszaniu zawartości bagietką zanurz w roztworze paski bibuły. Gdy wyschną (susz np. suszarką do włosów), przechowuj je w szczelnie zamkniętym naczyniu z saszetką pochłaniającą wilgoć. Papierki kobaltowe w kontakcie ze śladami wilgoci zmieniają barwę z niebieskiej na odcienie różu. Wykonaj próby: pozostaw papierki na powietrzu, umieść je nad szklanką z wodą czy też sprawdź obecność wody w rozpuszczalniku organicznym, który uprzednio z nią wymieszałeś (5).
Powodem zmian barwy papierków kobaltowych jest pochłanianie wilgoci przez bezwodny chlorek kobaltu(II) i tworzenie hydratów tego związku o różowofioletowym zabarwieniu. Papierki kobaltowe, oprócz zastosowania do wykrywania śladów wody w cieczach organicznych, używane są jako wilgotnościomierz określający zawartość pary wodnej w otoczeniu. Chlorek kobaltu(II) jest dodawany do silikażelu stosowanego jako pochłaniacz wilgoci w eksykatorach - zmiana barwy granulek żelu krzemionkowego z niebieskiej na różową sygnalizuje konieczność jego wysuszenia.
Własny wzór hydratu
A teraz zadanie dla zaawansowanych chemików (ale bez przesady): wyznaczyć liczbę cząsteczek wody w uwodnionym CuSO4.
Oprócz zestawu do odwodnienia soli potrzebna będzie waga. Wystarczy nawet kieszonkowa waga jubilerska za kilkanaście złotych. Zważ pustą parowniczkę, a następnie parowniczkę z wsypanymi błękitnymi kryształami siarczanu(VI) miedzi(II). Ostrożnie ogrzewając, odwodnij sól. Gdy już przybierze barwę białą bez śladu koloru niebieskiego, przerwij ogrzewanie, a parowniczkę ostudź w eksykatorze lub słoiku (na dnie umieść torebki z substancją suszącą). Po ostudzeniu ponownie zważ naczynie.
Koniec części doświadczalnej. Pora na obliczenia.
Z różnicy mas pustej parowniczki i parowniczki z zawartością otrzymasz masę soli uwodnionej, np. 5,0 g (patrz: zdjęcia). Zważenie parowniczki po ogrzewaniu i ostudzeniu da masę soli bezwodnej, np. 3,2 g. Różnica to oczywiście masa wody usuniętej ze związku: 5,0 g - 3,2 g = 1,8 g.
Z układu okresowego odczytaj masy atomowe pierwiastków wchodzących w skład soli (Cu, S, O, H) i zaokrąglij je do liczb całkowitych. Oblicz masy cząsteczkowe CuSO4 (160 u) i H2O (18 u), a następnie wyznacz liczby moli związków (0,02 mola CuSO4 i 0,1 mola H2O). Teraz już widzisz, że na 1 mol CuSO4 przypada 5 moli H2O, czyli wzór soli uwodnionej to CuSO4·5H2O (6).
Jak zwykle "diabeł tkwi w szczegółach". Możesz otrzymać ułamkową liczbę cząsteczek wody przypadającą na jedną molekułę soli (zwłaszcza, gdy do obliczeń zastosujesz masy atomowe wzięte z większą dokładnością). W takim przypadku zaokrąglij obliczony iloraz do liczby całkowitej. Powodem błędów może być też niecałkowite odwodnienie soli (za mała masa wody) lub zawilgocenie preparatu (wtedy wody jest za dużo). Ciekawe, czy uda Ci się wyznaczyć wzory innych soli uwodnionych?
Kobaltowy bonus
I jeszcze jeden eksperyment, którego nie może zabraknąć podczas doświadczeń z hydratami.
Potrzebny będzie roztwór chlorku kobaltu(II) CoCl2 o stężeniu 1-2%. Na kartce wykonaj napis roztworem i pozostaw ją do wyschnięcia. Ogrzej papier w strumieniu ciepłego powietrza z suszarki do włosów. Ukryty tekst staje się widoczny w postaci niebieskich znaków (7). Po obejrzeniu efektu doświadczenia, umieść papier nad zlewką z parującą wodą, co spowoduje ponowne zniknięcie napisu (próby można powtarzać).
Napis był początkowo ukryty, ponieważ po wyschnięciu CoCl2 znajduje się w postaci hydratów o bladoróżowej barwie, praktycznie niewidocznej na kartce. Ogrzanie do temperatury powyżej 35°C powoduje utratę wody krystalizacyjnej i powstanie bezwodnej soli o niebieskim zabarwieniu. Ochłodzenie i umieszczenie w wilgotnym środowisku na powrót umożliwia wiązanie pary wodnej i zmianę zabarwienia na bladoróżowe.
Wszystkie związki chemiczne muszą mieć nazwy jednoznacznie określające ich skład i budowę. W przypadku związków uwodnionych wzory zapisuje się ze znakiem mnożenia oddzielającym wzór soli od cząsteczek wody (podając przy tym ich liczbę), np. Na2CO3×10H2O. Stosowane są dwa style nazewnictwa:
• węglan sodu-woda (1/10), przy czym nie odczytujemy kreski rozdzielającej sól i wodę, a zapis w nawiasie czytamy jako "jeden dziesięć";
• dziesięciowodny węglan sodu.
Krzysztof Orliński
