Sole uwodnione, czyli hydraty

1. Co to są hydraty ?

Hydraty są przede wszystkim strasznie denerwujące, ot co. To jest taka sytuacja, gdzie do jakiejś soli wtrąciły się cząsteczki wody, niczym nieproszeni goście w niedzielę, kiedy masz tylko ochotę siedzieć w dresie pod kocem i oglądać netflixa.

Jeżeli chodzi o hydraty to klasycznie zadania opierają się na ustaleniu wzoru hydratu (a więc ile mamy tam cząsteczek wody) lub na obliczeniach związanych ze stężeniem procentowym, gdzie wszystko kręci się tak naprawdę wokół tego, aby obliczyć ile my mamy czystej substancji w naszym hydracie (bo część to woda). To

Hydraty − związki te można ogólnie zapisać jako :  substancja • n H2O , czyli na przykład NiSO4 • n H2O  (hydrat siarczanu niklu).

Definicja hydratów

Z początku (kiedy odkryto hydraty) właśnie tak się je zapisywało (czyli w takiej formie ,,wzoru sumarycznego”), ponieważ niewiadomo było jak ta woda jest dokładnie połączona z resztą. Nie miało to jednak znaczenia, bo gdy rozpuszczono taki hydrat w wodzie, to ta woda (n H2O) i tak zostawała uwalniana. Czyli nie było różnicy czy przygotowano roztwór wodny z  CuSO4 czy z jego hydratu CuSO4 • 5H2O , bo właściwości powstałego roztworu są takie same.

Różnica tkwi jednak w masie obu związków. Bo jeśli wezmę 100 g CuSO4 to mam właśnie tyle − 100 g. Kiedy jednak nasypałbym 100 g hydratu CuSO4 • 5H2O to tam znajduje się tylko 64 g ,,czystego” siarczanu miedzi (II) (patrz proporcja poniżej).

159,5 g CuSO4 ー 249,5 g CuSO4 • 5H2O

x ー 100 g CuSO4 • 5H2O

Hydraty często powstają podczas krystalizacji.

Krystalizacja to proces oparty na różnicach w rozpuszczalności. Rozpuszczalność substancji to jej określona ilość, która rozpuszcza się w pewnej objętości rozpuszczalnika (w danej temperaturze). Jako że zwykle rozpuszczalność rośnie wraz z temperaturą, to substancja zostaje rozpuszczona w gorącym rozpuszczalniku, a następnie taki roztwór zostaje ochłodzony, w wyniku czego czysta substancja zaczyna  krystalizować − czyli tworzy się ciało stałe, które nazywamy kryształem, ponieważ ułożone w nim cząsteczki są bardzo uporządkowane. Kryształ definiujemy właśnie jako ciało stałe, w którym uporządkowanie atomów (cząsteczek) jest powtarzalne, czyli można wyróżnić najprostszy jej wycinek (znaną nam już komórkę elementarną), z którego złożony jest kryształ. Nie wszystkie ciała stałe muszą być kryształami (atomy mogą być ułożone w losowy, mniej zorganizowany sposób, gdzie nie da się wyróżnić komórki elementarnej). 

2. Nazewnictwo hydratów

Jak to zwykle z nazewnictwem, zaczniemy od podania kilku przykładów hydratów wraz z ich nazwami i sami spróbujemy ustalić jakiś schemat.

➦ CaSO4 • 2H2O : siarczan (VI) wapnia − woda (1/2)

➦ CuCl2 • 5H2O : chlorek miedzi (II) − woda (1/5)

A wiec pierwsza cyferka w nawiasie oznacza ilość cząsteczek naszej soli, która jest potem połamana (/) cyferką oznaczającą liczbę cząsteczek wody, która przypada na jedną cząsteczkę soli.

Powyższe nazwy są takie najbardziej formalne, najbardziej poprawne. Dopuszczalne jest także nazywanie : dihydrat siarczanu wapnia czy pentahydrat chlorku miedzi (II).

3. Zadania z hydratami

Zadanie 1 − Po reakcji chlorku miedzi z siarczanem sodu wykrystalizowała pewna sól X, która po ogrzewaniu daje ubytek masy o wartości 36%Podaj wzór soli X.

Rozwiązanie :

Oczywiście zapisujemy sobie zadaną reakcję uwzględniając tworzenie się hydratu i jego następcze ogrzewanie : 

CuCl2 +  Na2SO4   ⟶  CuSO4  +  2NaCl

CuSO4    + xH2O  ⟶  CuSO4 • xH2O  

CuSO4 • xH2  ⟶ CuSO +  xH2O   

Do większości osób zdecydowanie bardziej trafia rozwiązanie zadania oparte na proporcjach . Ubytek masy stanowi parująca woda, a jej masa to 18x. Masa całego hydratu to natomiast 159,5 + 18x (to jest 100%). Układamy proporcję :

(159,5 + 18x) g ー 100 %

18x ー 36,08%

Skąd wyliczamy x = 5.

Drugi sposób rozwiązania :

Ubytek masy stanowi parująca woda, zatem możemy ułożyć równanie  :

\displaystyle \Delta m = \frac{m_{H_{2}O}}{m_{CuSO_{4} \cdot x H_{2}O}}

\displaystyle  0,3608= \frac{18}{159,5 + 18x} \implies x = 5

Czyli wzór soli X : CuSO4 • 5H2

Zadanie 2 − Gips to hydrat siarczanu wapnia (związek X). Ostrożne ogrzewanie w temperaturze około 120 stopni Celsjusza z dostosowaniem odpowiedniej wilgotności powietrza powoduje powstanie produktu Y, a reakcji tej towarzyszył ubytek masy wynoszący Δm1 = 15,7%. Związek Y można ogrzewać w temperaturze > 170 st. C , w efekcie czego powstaje związek Z, a ubytek masy podczas tej reakcji wynosi Δm1 = 6,21% . Dalsze ogrzewanie nie powoduje już ubytku masy. 

Rozwiązanie :

Odwadnianie zostało tutaj podzielone na etapy i dopiero w ostatnim odłączono wszystkie cząsteczki wody (nie obserwuje się dalszego ubytku masy). Zakładając wzory ogólne :  X =  CaSO4 • xH2O  oraz Y = CaSO4 • yH2O  możemy napisać ogólnie : 

CaSO4 ・xH2  \displaystyle \xrightarrow{120} CaSO4・yH2O    +  (x − y) H2O  

CaSO4・yH2\displaystyle \xrightarrow{ > 170 }   CaSO4    + y H2O

\displaystyle \Delta m_{2} = 0,0621 = \frac{18,02y}{136,14 + 18y } \implies y = 0,5  

\displaystyle \Delta m_{1} = 0,157 = \frac{18,02(x - 0,5)}{145,15 + 18(x - 0,5)} \implies x = 2

Czyli X to  CaSO4 • 2H2O   ,  Y to  CaSO4 • ½ H2O  ,  Z  to  CaSO4

Zadanie 3 − Tlenek jodu (V) bardzo łatwo pochłania wodę, dlatego też często jest dostarczany w swojej uwodnionej formie, którą można opisać wzorem HxIyOz . Podgrzany do temperatury 200 °C traci wodę, czemu towarzyszy ubytek masy wynoszący Δm = 1,766 %. Oblicz wartości x, y oraz  z , jeśli wiadomo, że są liczbami całkowitymi.  Przyjmij masy molowe : MH = 1,01 g/mol , MO = 16 g/mol oraz MI = 126,9 g/mol.

Rozwiązanie :

Z informacji zadania wiemy, że nasz związek możemy zapisać jako I2O5 • pH2O, a podczas ogrzewania zachodzi reakcja :  I2O5・pH2O     I2O5 +  p H2O

\displaystyle \Delta m = \frac{m_{H_{2}O}}{m_{I_{2}O_{5} \cdot x H_{2}O}}

\displaystyle 0,01766 = \frac{18,02p}{333,8 + 18,02p} \implies p = \frac{1}{3}

Zatem nasz związek możemy zapisać jako I2O5 • ⅓ H2O , co powinniśmy przeliczyć na całkowitą liczbę cząsteczek wody (czyli na jedną), otrzymując ostatecznie  3I2O5 • 1 H2O , a zapisując to w formie wzoru sumarycznego mamy :  H2I6O16 . Nie byłoby błędem skrócenie tego wzoru do HI3O8 , ponieważ nie zostało to w zadaniu sprecyzowane. 

4. Nie tylko odejście cząsteczek wody

Patrz na temperaturę ogrzewania (jeśli jest podana) . Woda paruje w 100 stopniach Celsjusza i zazwyczaj odparowywanie wody ma miejsce w temperaturach niewiele większych, a wysokie temperatury (typu 600−1000 ℃) prawdopodobnie wskazują na jeszcze dalej posuniętą reakcją rozkładu, np. na tlenki czy nawet na pojedyncze pierwiastki). Reguła ,,na oko” : im większa temperatura tym mocniejszy (bardziej posunięty) rozkład danego związku

Jeśli w reakcji będą wydzielały się także inne gazy oprócz wody, to one również będą odpowiedzialne za ubytek masy. Przykładowo rozkład hydratu siarczanu (IV) cynku może przebiegać z dodatkowym rozpadem soli na tlenki. Wtedy za ubytek masy odpowiedzialne byłyby wydzielające się SO2 oraz woda.

ZnSO3 • 2H2O ⟶ ZnO + SO2↑ + H2O ↑

Ponadto jak widziałeś w zadaniu drugim, odwadnianie może zachodzić etapowo.

Leave a Reply

%d bloggers like this: