Een verklaring van natriumacetaat en heet ijs
"Heet ijs" verwijst naar een populaire chemische demonstratie waarbij een oplossing van natriumacetaat opgelost in water en geplaatst in een vriezer direct stolt wanneer het uit de houder wordt gegoten of wanneer een enkel kristal van vast natriumacetaat in de oplossing wordt gedruppeld. Het stollingsproces laat warmte vrij en geeft daardoor het uiterlijk van de vorming van heet ijs. Scheikunde-instructeurs gebruiken dit om het fenomeen van oververzadiging aan te tonen, of het vermogen van sommige oplossingen om meer opgelost materiaal te bevatten dan normaal.
Maak "heet ijs" uit natriumacetaat opgelost in water en vervolgens bevroren. (Afbeelding: unclepodger / iStock / Getty Images)Ionische bestanddelen
In de chemie verwijst de term "verbinding" naar een materiaal dat uit meer dan één chemisch element bestaat. Tafelzout, ook bekend als natriumchloride, bevat bijvoorbeeld natrium- en chlooratomen. Wanneer de verbinding zowel een metaal als een niet-metaal bevat - zoals onderscheiden op het periodiek systeem der elementen - noemen scheikundigen de verbinding "ionisch". Sommige ionische verbindingen lossen op in water en tijdens het oplosproces wordt het positief geladen metaal, een kation genaamd, scheidt zich af van het negatief geladen niet-metaal, een anion genaamd. Het neerslagproces vertegenwoordigt het tegenovergestelde van dit proces; dat wil zeggen, het kation en het anion combineren om vaste kristallen in de oplossing te vormen.
oplosbaarheid
Chemici beschrijven het vermogen van een verbinding om op te lossen in water als oplosbaarheid. Per definitie vertegenwoordigt de verbinding die in kleinere hoeveelheden aanwezig is de opgeloste stof en vertegenwoordigt de in grotere hoeveelheid aanwezige verbinding het oplosmiddel. In het geval van een vaste stof die in een vloeistof oplost, kwalificeert de vloeistof gewoonlijk als het oplosmiddel. In het algemeen vermelden chemici de oplosbaarheid in eenheden, zoals gram per liter, wat 'gram opgeloste stof betekent die in 1 l oplosmiddel zal oplossen' of 'gram per 100 ml'. Verzadiging treedt op wanneer de maximale hoeveelheid opgeloste stof is opgelost in een gegeven hoeveelheid oplosmiddel. Sommige verbindingen vertonen een inherent hogere oplosbaarheid dan andere, maar in alle gevallen varieert de oplosbaarheid met de temperatuur. Over het algemeen geldt dat hoe hoger de temperatuur, des te meer opgeloste stoffen oplossen in een bepaalde hoeveelheid oplosmiddel. Het proces van oververzadiging, of "oververzadiging" oplossingen hangt af van de manipulatie van temperatuur.
oververzadiging
Het fenomeen van oververzadiging treedt op wanneer de hoeveelheid opgeloste stof opgelost in een bepaalde hoeveelheid oplosmiddel groter is dan het verzadigingspunt. Wetenschappers begrijpen niet volledig het mechanisme waardoor oplossingen oververzadigd raken. Precipitatie vereist de vorming van een klein vast kristalliet in de oplossing, een proces dat "nucleatie" wordt genoemd. Na de kristallietvormen, vergroot een tweede proces, bekend als groei, de kristallieten tot het macroscopische niveau, zodat ze kunnen worden waargenomen en geïsoleerd. Maar groei vindt niet plaats zonder nucleatie, en sommige opgeloste stoffen onder bepaalde omstandigheden weerstaan dit proces. Nucleatie heeft de neiging om een "ruw" oppervlak te vereisen om te initiëren. Het ruwe oppervlak kan een onzuiverheid zijn, zoals stofdeeltjes, of een kras aan de binnenkant van de glazen container waarin de oplossing zich bevindt. Als alternatief kan een experimentator opzettelijke kiemvorming initiëren door het toevoegen van een enkel, klein kristal van de verbinding die wordt geprecipiteerd. Dientengevolge vragen de meeste instructies voor de demonstratie van heet ijs om het toevoegen van enkele korrels van vast natriumacetaat aan de oververzadigde oplossing om kristallisatie te induceren..
Natriumacetaat
Natriumacetaat is een ionische verbinding die bestaat uit natriumkationen, Na (+) en acetaat-ionen, C2H3O2 (-). Zoals de meeste acetaten vertoont het een hoge oplosbaarheid in water: 76 g lost op in 100 ml bij 0 ° C. De oplosbaarheid neemt echter aanzienlijk toe bij hogere temperatuur. De demonstratie van heet ijs vereist dat een verzadigde oplossing van natriumacetaat wordt aangemaakt in warm water en de oplossing vervolgens in de vriezer wordt geplaatst. Naarmate de oplossing afkoelt en 0 graden C benadert, blijft de concentratie natriumacetaat boven 76 g per 100 ml, d.w.z. de oplossing zal oververzadigd zijn.
Warm ijs
Het neerslaan van een vaste stof uit een oplossing resulteert in een afname van de stoornis van het systeem. Dat wil zeggen, in de oplossing bewegen de ionen zich vrij in willekeurige richtingen en vertonen daarom grote wanorde. Wanneer de ionen zich combineren om vaste kristallieten te vormen, wordt hun bewegingsvrijheid beperkt. Wetenschappers beschrijven dit als een afname van de entropie of stoornis van het systeem. De wetten van de thermodynamica stipuleren dat voor een proces dat een afname in entropie vertoont om spontaan op te treden, zoals het neerslaan van een vaste stof uit een oplossing, het proces ook warmte moet vrijmaken. Dientengevolge zal de introductie van een vast kristalliet van natriumacetaat zichzelf verwarmen als het natriumacetaat uit de oplossing precipiteert.
