Eine Erklärung zu Natriumacetat und heißem Eis
"Heißes Eis" bezieht sich auf eine beliebte chemische Demonstration, bei der sich eine Lösung von Natriumacetat, die in Wasser gelöst und in einen Gefrierschrank gestellt wird, sofort verfestigt, wenn sie aus ihrem Behälter gegossen wird oder wenn ein Einkristall aus festem Natriumacetat in die Lösung getropft wird. Der Verfestigungsprozess setzt Wärme frei und lässt so die Bildung von heißem Eis entstehen. Chemielehrer demonstrieren damit das Phänomen der Übersättigung oder die Fähigkeit einiger Lösungen, mehr gelöstes Material zu enthalten, als dies normalerweise der Fall ist.
Machen Sie "heißes Eis" aus in Wasser gelöstem Natriumacetat, dann gefroren. (Bild: unclepodger / iStock / Getty Images)Ionische Verbindungen
In der Chemie bezieht sich der Begriff "Verbindung" auf ein Material, das aus mehr als einem chemischen Element besteht. Beispielsweise enthält das Tafelsalz, auch als Natriumchlorid bezeichnet, Natrium- und Chloratome. Wenn die Verbindung sowohl ein Metall als auch ein Nichtmetall enthält - wie im Periodensystem der Elemente unterschieden -, bezeichnen Chemiker die Verbindung als "ionisch". Einige ionische Verbindungen lösen sich in Wasser und während des Auflösungsprozesses das positiv geladene Metall. Kation genannt, trennt sich vom negativ geladenen Nichtmetall, genannt Anion. Der Niederschlagsprozess stellt das Gegenteil dieses Prozesses dar; das Kation und das Anion verbinden sich zu festen Kristallen in der Lösung.
Löslichkeit
Chemiker beschreiben die Löslichkeit einer Verbindung, sich in Wasser aufzulösen. Definitionsgemäß stellt die in geringerer Menge vorliegende Verbindung den gelösten Stoff dar, und die in größeren Mengen vorhandene Verbindung repräsentiert das Lösungsmittel. Im Falle eines Feststoffs, der sich in einer Flüssigkeit löst, gilt die Flüssigkeit normalerweise als Lösungsmittel. Im Allgemeinen geben Chemiker die Löslichkeit in Einheiten an, beispielsweise in Gramm pro Liter. Dies bedeutet „Gramm gelöster Stoff, der sich in 1 l Lösungsmittel löst“, oder „Gramm pro 100 ml“. Sättigung tritt auf, wenn sich die maximale Menge des gelösten Stoffs in a gelöst hat gegebene Menge Lösungsmittel. Einige Verbindungen weisen eine inhärent höhere Löslichkeit als andere auf, aber in allen Fällen variiert die Löslichkeit mit der Temperatur. Je höher die Temperatur, desto mehr löst sich der gelöste Stoff in einer bestimmten Menge Lösungsmittel auf. Der Prozess der Übersättigung oder "Übersättigung" von Lösungen hängt von der Manipulation der Temperatur ab.
Übersättigung
Das Phänomen der Übersättigung tritt auf, wenn die Menge des gelösten Stoffes, die in einer gegebenen Menge Lösungsmittel gelöst ist, den Sättigungspunkt überschreitet. Wissenschaftler verstehen den Mechanismus, durch den Lösungen übersättigt werden, nicht vollständig. Die Ausfällung erfordert die Bildung eines kleinen festen Kristallits in der Lösung, ein Vorgang, der als "Keimbildung" bezeichnet wird. Nach der Bildung des Kristallits vergrößert ein zweiter Prozess, der als Wachstum bekannt ist, die Kristallite auf makroskopisches Niveau, so dass sie beobachtet und isoliert werden können. Wachstum findet jedoch nicht ohne Keimbildung statt, und einige gelöste Stoffe widerstehen diesem Prozess. Die Keimbildung erfordert tendenziell eine "raue" Oberfläche, auf der die Initiierung erfolgen soll. Die raue Oberfläche kann eine Verunreinigung wie Staubpartikel oder ein Kratzer auf der Innenseite des Glasbehälters sein, in dem sich die Lösung befindet. Alternativ kann ein Experimentator die Keimbildung absichtlich durch Zugabe eines einzelnen kleinen Kristalls der ausgefällten Verbindung initiieren. Folglich fordern die meisten Anweisungen für die Heißeisdemonstration die Zugabe einiger Körner festem Natriumacetat zu der übersättigten Lösung, um die Kristallisation zu induzieren.
Natriumacetat
Natriumacetat ist eine ionische Verbindung, die aus Natriumkationen, Na (+) - und Acetationen, C2H3O2 (-) besteht. Wie die meisten Acetate zeigt es eine hohe Löslichkeit in Wasser: 76 g lösen sich bei 0 ° C in 100 ml auf. Die Löslichkeit steigt jedoch bei höherer Temperatur erheblich an. Bei der Heißeisdemonstration wird eine gesättigte Lösung von Natriumacetat in heißem Wasser erzeugt und die Lösung in einen Gefrierschrank gestellt. Wenn sich die Lösung abkühlt und sich 0 ° C nähert, bleibt die Konzentration von Natriumacetat über 76 g pro 100 ml, d. H. Die Lösung wird übersättigt.
Heißes Eis
Die Ausfällung eines Feststoffs aus einer Lösung führt zu einer Abnahme der Systemstörung. Das heißt, in der Lösung bewegen sich die Ionen frei in zufällige Richtungen und zeigen daher eine hohe Unordnung. Wenn sich die Ionen zu festen Kristalliten verbinden, wird ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt. Wissenschaftler beschreiben dies als Abnahme der Entropie oder Störung des Systems. Die Gesetze der Thermodynamik schreiben vor, dass ein Prozess, der eine spontane Abnahme der Entropie zeigt, wie beispielsweise die Ausfällung eines Feststoffs aus einer Lösung, auch Wärme freisetzen muss. Infolgedessen erwärmt sich die Einführung eines festen Kristallits aus Natriumacetat, wenn das Natriumacetat aus der Lösung ausfällt.
