Wie macht man heißes Eis mit Essig und Natron?

Es gibt eine große Anzahl von Heimexperimenten, die dazu dienen, viele der wichtigsten Aspekte der Naturwissenschaften, insbesondere der Chemie, zu veranschaulichen. Eines dieser Experimente ist das mit heißem Eis, das aus der schnellen und exothermen Kristallisation einer wässrigen Lösung von Natriumacetat besteht. Als nächstes zeigen wir alles Notwendige, um die Synthese von Natriumacetat aus Essig und Natriumbicarbonat durchzuführen, und wir werden auch eine übersättigte Lösung dieses organischen Salzes herstellen, die, wenn sie kristallisiert, die Kraft exothermer Reaktionen veranschaulichen wird.

Was ist heißes Eis?

Anders als der Name vermuten lässt, ist heißes Eis nicht wirklich Eis. Denken wir daran, dass Eis nichts anderes ist als der gebräuchliche Name, unter dem Wasser in festem Zustand bekannt ist. Unter Umgebungsbedingungen von Temperatur und Druck befindet sich Wasser in einem flüssigen Zustand und sein Schmelzpunkt liegt bei 0 °C. Beim Standard-Umgebungsdruck von 1 Atmosphäre ist es nicht möglich, Eis über seinen Schmelzpunkt hinaus zu erhitzen, da jede zusätzliche Wärme, die wir liefern, zum Schmelzen des Eises verwendet wird, anstatt es zu erhitzen. Aus diesem Grund verstößt die Idee, echtes Eis (festes Wasser) bei Umgebungsdruck und Raumtemperatur oder schlimmer noch bei einer höheren Temperatur herzustellen, gegen die Gesetze der Thermodynamik. Mit anderen Worten, es ist unmöglich.

Das heiße Eis ist eigentlich eine chemische Verbindung namens Natriumacetat . Diese Verbindung ist ein organisches Salz, das aus Acetationen, die der konjugierten Base von Essigsäure entsprechen, die in dem Essig enthalten ist, den wir in der Küche verwenden, und Natriumionen gebildet wird. Essigsäure ist eine organische Säure, die zur Familie der Carbonsäuren gehört und das zweiteinfachste Mitglied dieser Familie ist. Daher werden seine Salze als organische Salze bezeichnet.

Die Formel für Natriumacetat kann auf verschiedene Arten geschrieben werden. Seine chemische Formel ist NaC ₂ H ₃ O ₂ . _{In halbexpandierter Form wird es als CH 3} COONa geschrieben , und das Acetat-Ion wird manchmal mit Ac ^– abgekürzt , sodass Natriumacetat als NaAc dargestellt wird. Die chemische Struktur dieser Verbindung ist:

Trotz dieser Struktur kristallisiert Natriumacetat aus wässriger Lösung in Form des trihydratisierten Salzes mit der Formel NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O.

Natriumacetat-Synthesereaktion

Salze können auf verschiedene Weise und aus verschiedenen chemischen Reagenzien synthetisiert werden. Einer der einfachsten Wege, dies zu tun, ist die Neutralisationsreaktion zwischen einer Säure mit dem entsprechenden Anion (in diesem Fall Essigsäure) und einer Base, die das entsprechende Kation enthält. Essigsäure ist eine schwache Säure, die leicht verfügbar und sicher zu handhaben ist. Was die Basis betrifft, gibt es mehrere Optionen, die für Natriumacetat funktionieren würden, aber die beiden am besten geeigneten sind Natriumhydroxid (Ätznatron) und Natriumbicarbonat .

Die erste Base, Natriumhydroxid, ist eine gute Wahl für eine schnelle Synthese, da es sich um eine starke Base handelt, die schnell mit Essigsäure zu Natriumacetat reagiert, und das Nebenprodukt der Reaktion Wasser ist, das ohnehin bereits vorhanden ist.

In diesem Fall wäre die chemische Reaktion:

Diese Reaktion weist jedoch zwei Hauptprobleme auf. Erstens, obwohl Natriumhydroxid leicht erhältlich ist, da es der Hauptbestandteil der meisten ätzenden Ofenreiniger und Fettentferner ist, ist es eine ziemlich gefährliche Substanz, die mit großer Vorsicht gehandhabt werden muss.

Zweitens ist es notwendig, die der Lösung zugesetzten Natriumhydroxidmengen sorgfältig zu messen, und der pH-Wert sollte mit Lackmuspapier oder etwas Ähnlichem überprüft werden, um anzuzeigen, wann die gesamte Essigsäure neutralisiert wurde, da, wenn ein Überschuss zugesetzt wird, auf dieser Grundlage Die Salzlösung kann stark alkalisch und gefährlich in der Handhabung sein.

Eine geeignetere und viel sicherere Alternative, die die meisten Vorteile von Natriumhydroxid, aber keinen der Nachteile bietet, ist Backpulver. Dieses Salz entspricht dem Natriumsalz der konjugierten Base der Kohlensäure. Es ist eine amphotere Verbindung, die sowohl mit Säuren als auch Basen reagieren kann und in der Lage ist, Essigsäure zu neutralisieren und Natriumacetat und Kohlensäure zu bilden. Letzteres könnte stören, indem es das gebildete Natriumacetat verunreinigt, aber es zersetzt sich schnell unter Bildung von Wasser und gasförmigem Kohlendioxid, das schnell in Form eines mit bloßem Auge sichtbaren Sprudelns entweicht.

Die Synthesereaktion für Natriumacetat unter Verwendung von Natriumbicarbonat ist:

Dies ist die Reaktion, die wir in der vorliegenden Synthese von Natriumacetat verwenden werden.

Weißer Essig ist eine gereinigte wässrige Lösung von Essigsäure, die im Allgemeinen zwischen 3 und 5 Massenprozent der Säure enthält. Bei einer Dichte, die der von reinem Wasser sehr nahe kommt, bedeutet dies, dass 1 L Essig etwa 30 bis 50 g Essigsäure enthält. Das bedeutet, dass ein Liter Essig etwa zwischen 42 g und 70 g Natriumbicarbonat benötigt, damit sie im stöchiometrischen Verhältnis reagieren. Bei einem maximalen Anteil würden etwa 113 g trihydratisiertes Natriumacetat gebildet werden.

Verfahren zur Zubereitung von heißem Eis zu Hause

Reagenzien

• 1 L weißer Essig (Essigsäure ca. 5%)
• 100 g Backpulver

Materialien und Ausrüstung

• Herd zum heizen.
• Becher mit mindestens 1,5 L Fassungsvermögen. Wenn Sie keine haben, können Sie sie durch einen Topf oder eine Pfanne aus Glas und letztendlich Metall ersetzen.
• Glasbehälter mit 200 bis 250 ml Fassungsvermögen. Der Behälter muss sehr sauber sein und darf nicht verkratzt sein.
• Küchenwaage, am besten digital.

Herstellung einer übersättigten Natriumacetatlösung

Gehen Sie folgendermaßen vor, um Natriumacetat zu synthetisieren:

1. Wiegen Sie das Natron auf einer Waage und stellen Sie es beiseite.
2. Geben Sie den Essig in den Becher und fügen Sie das Natron langsam in kleinen Portionen zur Lösung hinzu, rühren Sie mit einem Löffel um, bis das Sprudeln aufhört, bevor Sie die nächste Portion hinzufügen. Dadurch soll verhindert werden, dass zu viel Kohlendioxid erzeugt wird und über die Seiten des Becherglases überläuft. Zu diesem Zeitpunkt hat sich bereits das Natriumacetat gebildet.
3. Bringen Sie die Lösung bei mittlerer Hitze zum Kochen und erhitzen Sie sie weiter, um das Wasser zu verdampfen und reduzieren Sie das Volumen, bis Natriumacetatkristalle an den Rändern des Behälters erscheinen. An diesem Punkt sollte das Volumen etwa 100–150 ml betragen.
4. An diesem Punkt eine kleine Menge Wasser hinzufügen (ungefähr 5 ml sollten ausreichen) und weiter erhitzen, bis alle gebildeten Feststoffe vollständig aufgelöst sind.
5. Übertragen Sie die heiße Lösung vorsichtig in den zweiten Glasbehälter. Wenn sich während des Transfers Kristalle bilden, den Behälter in einem kochenden Wasserbad erhitzen, bis er sich aufgelöst hat. Wenn Kristalle bestehen bleiben, fügen Sie erneut eine kleine Menge Wasser hinzu und erhitzen Sie etwas länger. Es ist sehr wichtig, dass sich vor dem nächsten Schritt kein einziger Kristall in dieser Lösung befindet.
6. Bedecken Sie den Behälter mit der Lösung mit Plastikfolie und stellen Sie ihn in den Kühlschrank, vermeiden Sie Stöße oder grobe Handhabung des Behälters.

Experimente mit heißem Eis

Die so erhaltene kalte Lösung ist eine übersättigte Lösung von Natriumacetat, die nach jeder Störung schnell kristallisiert und einen heißen Kristallblock bildet, der Eis ähnelt.

• Sie können mit dieser Lösung auf verschiedene Weise experimentieren. Versuchen Sie, kleine Kristalle auf der Oberfläche hinzuzufügen, und Sie werden sehen, wie sie in alle Richtungen wachsen und schöne Nadeln bilden.
• Sie können auch eine kleine Menge Lösung in eine Petrischale und einen anderen flachen Glasbehälter und Impfkristalle an zwei Enden geben, um zu sehen, welche schneller wachsen.
• Schließlich genießen es viele Menschen, die Lösung langsam über eine kleine Handvoll Kristalle auf einer Oberfläche zu gießen. Wenn die Lösung fällt, kristallisiert sie und bildet einen vertikalen Stalagmit aus Natriumacetat.

Erklärung des Heißeis-Experiments

Die schnelle Kristallisation von Natriumacetat ist darauf zurückzuführen, dass die hergestellte kalte Lösung eine übersättigte Lösung des Salzes ist. Das bedeutet, dass es mehr gelöstes Natriumacetat enthält, als Wasser bei dieser Temperatur lösen kann. Dies bedeutet, dass sich die Lösung in einem metastabilen Zustand befindet, der leicht durch jede Störung, die die Bildung der ersten Kristalle erzeugt, oder durch die Zugabe einiger Kristalle, die als Keime für die Bildung neuer Kristalle dienen, ausgefällt werden kann.

Diese Störung kann darin bestehen, dass ein kleiner Kristall auf die Oberfläche geimpft wird, die Lösung mit einem Finger berührt wird oder die Oberfläche des Behälters mit einem Metallwerkzeug zerkratzt wird. Manchmal reicht es aus, einfach auf den Behälter zu schlagen, um die Kristallisation auszulösen

Der Kristallisationsprozess breitet sich schnell durch die gesamte Lösung aus. Die Wärme entsteht dadurch, dass die chemische Kristallisationsreaktion exotherm ist, also Wärme freisetzt.

Sicherheitsmaßnahmen

Glücklicherweise ist keines der in diesem Experiment verwendeten chemischen Reagenzien giftig oder in irgendeiner Weise gefährlich. Natriumacetat ist auch keine gefährliche Verbindung. Tatsächlich wird es als Zusatzstoff in der Lebensmittelindustrie verwendet.

Das Experiment erfordert jedoch das Erhitzen einer Lösung zum Sieden und den Umgang mit der heißen Lösung, was eine erhebliche Verbrennungsgefahr darstellt. Dieses Experiment sollte nicht ohne Aufsicht eines Erwachsenen und ohne Thermohandschuhe zum Schutz der Hände vor der Hitze durchgeführt werden.

Verweise

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