Lakatos J.: Általános és szerves kémiai laboratóriumi gyakorlatok a Mőszaki Földtudományi Kar Hallgatói számára (2009)
6. gyakorlat. Keverék, vegyület ,oldat, elegy , szuszpenzió, emulzió fogalma. A vegyületek termikus hatásra bekövetkezı változásai: olvadás, szublimáció, bomlás: kristályvíz vesztés, krakkolódás. Oldódás elegyedés törvényszerőségei. A gyakorlat célja: megismerni a keverék a vegyület, az oldat, a telített oldat, a korlátlanul ill. a korlátoltan elegyedı rendszerekkel valamint a szuszpenziókkal és az emulziókkal. Vizsgáljuk az anyag hıközléskor bekövetkezı változásait: olvadás, szublimáció, ill. bomlás: kristályvíz vesztés, krakkolódás jelenségét. Elméleti alapok: A keverékben a keverék alkotói megtartják jellemzı tulajdonságaikat, a vegyülés során az új tulajdonsággal rendelkezı anyag keletkezik. Ezt példázza a vas és kénpor keverékének és a keverék hevítésekor keletkezı vegyületnek a vas-szulfid tulajdonságainak vizsgálata. A vas hidrogén gáz képzıdés közben oldódik a sósavban a kén nem mutat hasonló reakciót. A vas szulfidból ugyancsak gáz fejlıdik, de ez nem hidrogén, mint a vas esetében, hanem a jellegzetes szagú kén-hidrogén. Ez jelzi, hogy a keverék hevítésekor új vegyület keletkezett, amelyik már másképpen reagál a sósavval, mint azt a keverék alkotói tették. A vas-szulfid és a sósav reakcióját használjuk laboratóriumokban a kénhidrogén gáz elıállítására. Fe + 2HCl = FeCl2 +H2 Fe + S = FeS FeS + 2HCl = FeCl2 + H2S A kémiai reakciókban keletkezett vegyületek makroszkópikusan szilárd, folyadék vagy gáz halmazállapotban jelenhetnek meg. A halmazállapot az állapotjelzık (P, T) értékétıl függ. Ha az állapotjelzıket megváltoztatjuk minden anyag a rá jellemzı állapotjelzı értékeknél (olvadáspont, forráspont) halmazállapot változással válaszol, a szilárd anyag megolvad vagy szublimál a folyadék elpárolog vagy visszafelé a gız kondenzál a folyadék megszilárdul. A szilárd anyagok kristályrácsában mőködı erık meghatározzák az anyag olvadáspontját. Azok a kristályok, amelyekben a rácsot másodlagos kötések tartják össze (molekularács) alacsony hımérsékleten olvadnak. Az elsıdleges kötést tartalmazó rácsok (atomrács, fémrács, ionrács) magasabb hımérsékleten, némelyik elem és vegyület néhány száz C foktól háromezer fokot is meghaladó hımérsékleten olvaszthatók meg. Ha az olvadáspont magasabb, mint a amilyen hıfokon a vegyület kötései felszakadhatnak, akkor az anyag közönséges nyomáson nem olvasztható meg bomlás nélkül. A szerves vegyületek körében ez az eset gyakori, különösen óriásmolekulákat tartalmazó anyagoknál, mint pl. a cellulóz (ilyen molekula van pl. a fában). Ilyenkor a szerves molekulából gáz és folyadék halmazállapotú termékek keletkeznek és nagy széntartalmú karbonizátum, koksz marad vissza. Hétköznapi példaként sokunkkal elıfordulhatott, hogy elszenesedett a kenyér vagy ,, karbonizálódott, kokszosodott,, a hús a túlsütés eredményeként. Az a jelenség, hogy a bomlás megelızi az olvadást a szervetlen vegyületeknél is elıfordul. Gondoljunk a mészégetésre, ahol a kalcium-karbonátból megolvadás nélkül lesz égetett mész (CaO) széndioxid vesztés közben. Vannak olyan esetek, amikor az anyag megolvasztható bomlás nélkül, de már a forráspontjára nem melegíthetı fel, mert elıtte elbomlik. Erre az esetre jó példa lehet a nagy szénatom számú szénhidrogének esete. Ha
1
Lakatos J.: Általános és szerves kémiai laboratóriumi gyakorlatok a Mőszaki Földtudományi Kar Hallgatói számára (2009)
ezeket bomlás nélkül akarjuk desztillálni a nyomás csökkentésével le kell csökkenteni a forráspontot a bomlási hımérséklet alá ( ezt nevezik vákuum-desztillációnak). A szilárd anyagok speciális bomlásához tartozik a kristályvizek eltávozása hevítés hatására. A szilárd anyagok felületükön megköthetnek szorpcióval nedvességet, ezt melegítéssel a víz forráspontjánál néhány fokkal magasabb hımérsékleten eltávolíthatjuk. Vannak olyan vegyületek, amelyek a vizet nem csk szorpció utján képesek megkötni, hanem beépítik a kristály szerkezetükbe, kristályvíz formájában tartalmazzák. Ha az anyagot melegítjük elıfordulhat, hogy az anyag ezt a vizet leadva a kristály vizében feloldódik. Ez a jelenség figyelhetı meg a kristályos nátrium-tioszulfát melegítésekor. A réz-szulfát öt kristályvízzel kristályosodva adja a szép kék kristályokat. Ha a kristályos réz-szulfátot melegítjük ezt a vizet több lépésben leadja és elveszti szép kék színét. A vízmentesített anyagokat levegın állni hagyva képesek a kristályvizet visszavenni a környezetbıl. Ezen az elven alapul több vízmentes sónak a szárító hatása, amit gázok és a sót nem oldó folyadékok (szerves oldószerek) szárítására, vízmentesítésére használhatunk fel, pl. vízmentes kalcium-klorid). Szilárd anyagok különbözı mértékben oldódnak folyadékokban. Az a törvényszerőség figyelhetı meg, hogy a poláros oldószer (pl. víz, alkohol,) a poláros anyagokat az apoláros oldószer (pl benzin, benzol) az apoláros vagy csak kissé poláros anyagokat oldja nagyobb mértékben. Az oldódást hıeffektus kíséri, ez lehet lehőlés vagy felmelegedés vagy a kettı közötti nincs hıeffektus eset. Fıleg a felmelegedéssel járó oldódásoknál kell körültekintıen eljárnunk mert a felmelegedés lehet olyan heves, hogy az oldószer felforr, ez az oka, hogy mindig az oldandó anyagot tesszük az oldószerbe nem az oldószert öntjük az oldandó anyaghoz (lásd tömény kénsav oldása vízben) Az oldáshı elıjele azért is fontos mert megmutatja milyen irányba változik az oldási egyensúly (a feloldott anyag mennyisége) melegítés hatására. Melegítéssel a feloldott anyag mennyisége csak akkor növelhetı, ha az oldáshı elıjele pozitív, azaz oldáskor az edényt megfogva vagy az oldat hımérsékletét megmérve lehőlést tapasztalunk. Ha egy oldatban az oldott anyag csak kissé oldódik azt jelzi az oldandó anyag és az oldószer nem azonos karakterőek, vagy a hidratáció, szolvatáció nem tudja legyızni a szilárd anyagban mőködı a rácsot összetartó erıket. Növelhetı a feloldott anyag mennyisége úgy hogy megváltoztatjuk az anyag oldatbeli formáját. Ha a vizes J2 oldathoz KJ-ot adunk a J3- asszociátum képzıdése (polaritás változás) miatt megnı a J2 molekula oldhatósága. Ha egy oldathoz egy olyan másik oldószert adunk amelyik csak korlátoltan elegyedik megfigyelhetjük, hogy az oldatban oldott anyag átoldódik az oldattal nem elegyedı oldószerbe. Ez az átoldódás annál nagyobb, minél inkább jobban illeszkedik az oldószer és az oldott anyag polaritása. Ezt láthatjuk ha a vizes jódoldathoz benzint adunk. A jód molekula jobban oldódik benzinben mint vízben ezért a vízbıl a jód kivonható többször megismételve a fenti lépést. A leirt kísérletben megfigyelhetı jelenség a folyadék-folyadék extrakció lényege. Ha egy folyadékhoz több szilárd anyagot vagy másik folyadékot adunk, mint ami oldódni képes, heterogén rendszer jön létre. Ha ezeket erıteljesen összerázzuk a nem oldódott fázisok eloszlathatók a folyadékban, szilárd anyag esetén szuszpenzió, két korlátoltan elegyedı folyadék esetében emulzió keletkezik. Ezek diszperz rendszereknek is szokás nevezni. A diszperz rendszerek nem stabilak. A szilárd részecskék méretüktıl függı sebességgel kiülepszenek, az emulzióban is elıbb egyre nagyobb cseppek képzıdnek. Majd megjelenik a két fázis. A szuszpenziókban az ülepedés sebességét megszabó törvény nem azonos a légüres térben szabadon esı test mozgását leíró Newton törvényével. A közegellenállás miatt a folyadékban kialakul egy stacionárius sebesség, amelyik függ a részecske méretétıl. Az egzakt kapcsolatot a sebességet meghatározó jellemzık között a Stokes törvény írja le. Ha a diszperz rendszer kis mérető részecskékbıl áll sokáig stabil lehet. Ehhez az kell, hogy a diszpergált részecskék ne egyesüljenek nagyobb részecskékké
2
Lakatos J.: Általános és szerves kémiai laboratóriumi gyakorlatok a Mőszaki Földtudományi Kar Hallgatói számára (2009)
(ne következzen be aggregáció). Ezt különbözı stabilizáló adalékokkal lehet biztosítani. Egy ilyen stabilizáló adaléknak tekinthetık azok a felületaktív anyagok is amelyeket a két egymásban korlátoltan elegyedı folyadékhoz adva azok diszpergált állapotba vihetık és sokáig abban tarthatók. Ilyen diszpergált rendszerek fontos szerpet játszanak az életünkben. Emulziónak tekinthetı a tej, a margarin, a cipıpaszta stb. Gázban is lehet szilárd anyagokat és folyadékokat diszpergálni. Ezeket a rendszereket aeroszoloknak hívjuk. Ilyen jól ismert aeroszolok a környezetünkben a füst, a köd, de magunk is csinálunk ilyet amikor permetezünk, vagy dezodort használunk.
I. Keverék, vegyület kémiai tulajdonságainak összehasonítása 1. kísérlet: Tegyen kevés vas és kénport tartalmazó keveréket vízbe. Figyelje meg mi történik. 2. kísérlet: Tegyen kevés vasport. kénport és kénpor keveréket a kémcsıbe és adjon hozzá kevés sósavat. Figyelje meg melyik esetben tapasztal reakciót. Ahol gázfejlıdést tapasztal kézzel az orra felé legyezve szagolja meg a keletkezett gázt. A kísérlet alapján adja meg melyik komponens reagált a vas és kénpor keverékben. Vizsgálja meg a maradékot, adja meg mi maradt vissza? 3. kísérlet: A vas és a kénport reagáltattuk egymással vas szulfid keletkezett, hasonlítsa össze a vas szulfid színét a vas és kénport tartalmazó keverékkel. vizsgáljuk meg a vas szulfid színét és vessük össze a keverékkel. Tegyünk késhegynyi vasszulfidot egy kémcsıbe és adjunk hozzá kevés sósavat. A fejlıdı gáz szaga jelzi, hogy nem ugyanaz a gáz keletkezett, mint a keverék esetében.
II. Az anyagok hı stabilitása
5. kísérlet: Tegyen kémcsıbe kevés kristályos réz-szulfátot a kémcsövet kémcsıfogóval megfogva melegítse Bunsen lángban. Figyelje meg a változást. A meleg kémcsı tartalmát öntse ki egy óraüvegre és félretéve idırıl idıre vizsgálja meg visszanyeri e az anyag az eredeti színét. Írja fel a változás egyenletét mindkét esetben. 6. kísérlet: Kémcsıbe tegyünk kevés kr-os nátrium–tioszulfátot (Na2S2O3 *5 H2O) és óvatosan melegítsük, itt nem olvadás következik be , hanem az anyag a kristály vizében feloldódik. A kapott oldatot hőtsük le óvatosan a csap alatt, majd ejtsünk bele egy tioszulfát kristályt, figyeljük meg mit tapasztalunk. Mikor fordulhat elı, hogy egy oldat oldott sótartalmi az oldatból kiválik. Tapintsuk meg a kémcsövet, felmelegedést tapasztalhatunk. Milyen folyamathoz tartozik a tapasztalt hı effektus? 6. kísérlet: Tegyen kémcsıbe kevés kritálycukrot és óvatosan melegítse. Figyelje meg mit tapasztal. Óvatosan melegítse tovább a megolvadt cukrot. Mit tapasztal? 7. kísérlet: Hajlított üvegcsövet tartalmazó dugóval lezárt kémcsıben hevítsen fapálcika darabot. A pálcikadarabok elfeketedésekor tartsa a láng felé a kémcsı üvegcsövet tartalmazó végét. Mit tapasztal? Miért nem olvadt meg melegített anyag?
3
Lakatos J.: Általános és szerves kémiai laboratóriumi gyakorlatok a Mőszaki Földtudományi Kar Hallgatói számára (2009)
8. kísérlet: Tegyen kémcsıbe néhány jód kristályt és óvatosan melegítse. Mit tapasztal?Mi vált le a kémcsı hidegebb részein? Milyen jelenséget figyelhettünk meg a jódkristályok melegítésekor. 9. kísérlet: Tegyen kémcsıbe kevés NaCl-ot és melegítse a Bunsen égı lángjában. Magyarázza meg miért nem olvadt meg a konyhasó. Táblázatból keresse ki a NaCl és a KCl olvadáspontját. Milyen típusú kristályrácsok olvadnak alacsony és magas hımérsékleten? Melyikbe tartozik a kristálycukor és a jód, ill. a nátrium-klorid?
III. Oldat, elegy, szuszpenzió, emulzió 10 kísérlet: Tegyen az elsı kémcsıbe kevés NaCl-ot a másodikba tegyen kévés ammónium nitrátot a harmadikba egy pasztilla NaOH-ot. Mindegyikhez adjon kb. 1/3 kémcsınyi desztillált vizet. Az oldódás befejezıdésekor tapintsa meg a kémcsöveket. Mit tapasztalt? Milyen az oldáshı elıjele az egyes sók oldódásakor. 11 kísérlet: Tegyen két kémcsıbe néhány szem jódkristályt és adjon hozzájuk 1/3 részig vizet. Rázza össze ıket. Figyelje meg feloldódott e a jódkristály? Miért nem oldódik csak kevés jód a vízben? Honnan tudjuk, hogy egy oldat telített? Milyen oldószerben várna nagyobb mértékő jód oldódást? Adjon néhány kristály kálium-jodidot az egyik kémcsıbe a másikba kb 1 ml benzint ( a motor benzin n heptán, izo-oktán elegye). Figyelje meg mit tapasztal. Magyarázza meg miért oldódtak fel az elıbb oldhatatlan jódkristályok? Miért sötétebb a benzin mint a víz? Figyelje meg azt is, hogy a benzin nem oldódott fel a vízben és két fázis keletkezett. A fázisokban oldódott jód jól láthatóvá teszi az egymástól elválló fázisokat. Melyik oldószer van felül, miért? 12 kísérlet: Tegyen egy kémcsıbe kvarchomokot és agyagásványokat tartalmazó talajmintát. Adjon hozzá vizet kb. félig töltve a kémcsövet. Szuszpenziót kap. Figyelje meg a szuszpenzióban az idı elırehaladtával bekövetkezı változásokat. Miért nem ülepszik minden részecske azonos sebességgel? (A Pizai ferde toronyból, ha leejtünk egy 1 kg-os vagy egy 10 kg testet az Newton törvényének megfelelıen azok egyforma idı alatt esnének le.) 13. kísérlet: Három kémcsıt ¼ részig töltsön meg vízzel öntsön hozzá kb. ugyanannyi olajat. A kémcsı száját egy dugóval bedugva rázza össze ıket. Vizsgálja meg a kapott rendszert az összerázás pillanatában majd az idı elırehaladtával. A második kémcsıhöz adjon kb 1 ml nátrium-karbonát oldatot, majd újra rázza össze. Mit tapasztal? Viszonyítsa a látottakat az elıbbi esethez. A harmadik kémcsıbe a víz olaj elegyhez a adjon felületaktív anyagot, pl kevés ultrát ( Na-dodecil-szulfát). Rázza össze hasonlítsa össze az elızıkkel, ismét és hagyja állni. Kb 5 perc után nézze meg mi történt az így elıállított emulzióval? Magyarázza meg miért lehet egymással nem elegyedı folyadékokat egymásban diszpergálni felületaktív anyagok jelenlétében? Hol találkozik emulzióval az életben írjon legálabb két példát. Ellenırzı kérdések:
4
Lakatos J.: Általános és szerves kémiai laboratóriumi gyakorlatok a Mőszaki Földtudományi Kar Hallgatói számára (2009)
1. 2. 3. 4. 5.
Mi különbözteti meg a keveréket a vegyülettıl? Irja fel a vas és a sósav reakciójának egyenletét. Irja fel a vas-szulfid és a sósav reakciójának egyenletét. Miért változik a kristályos réz szulfát színe ha melegíti? Miért olvad meg a kristálycukor és miért nem olvad meg a konyhasó ha Bunsen lángban melegíti? 6. Miért növeli meg a KJ a jód oldhatóságát poláros oldószerben? 7. Mi az extrakció lényege? 8. Mit nevez szuszpenziónak? 9. Mit nevez emulziónak? 10. Hogyan stabilizálja az emulziót a felületaktív anyag?
5
