Πώς να φτιάξετε ζεστό πάγο με ξύδι και μαγειρική σόδα;

Υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός οικιακών πειραμάτων που χρησιμεύουν για να απεικονίσουν πολλές από τις πιο σημαντικές πτυχές της επιστήμης, και συγκεκριμένα της χημείας. Ένα από αυτά τα πειράματα είναι αυτό του θερμού πάγου, που αποτελείται από την ταχεία και εξώθερμη κρυστάλλωση ενός υδατικού διαλύματος οξικού νατρίου. Στη συνέχεια, δείχνουμε όλα τα απαραίτητα για τη σύνθεση οξικού νατρίου από ξύδι και διττανθρακικό νάτριο και θα παρασκευάσουμε επίσης ένα υπερκορεσμένο διάλυμα αυτού του οργανικού άλατος που, όταν κρυσταλλωθεί, θα απεικονίσει τη δύναμη των εξώθερμων αντιδράσεων.

Τι είναι ο ζεστός πάγος;

Παρά τα όσα υποδηλώνει το όνομα, ο ζεστός πάγος δεν είναι στην πραγματικότητα πάγος. Ας θυμηθούμε ότι ο πάγος δεν είναι τίποτα άλλο από το κοινό όνομα με το οποίο είναι γνωστό το νερό σε στερεή κατάσταση. Υπό συνθήκες θερμοκρασίας και πίεσης περιβάλλοντος, το νερό βρίσκεται σε υγρή κατάσταση και το σημείο τήξης του είναι 0 °C. Στην τυπική πίεση περιβάλλοντος 1 ατμόσφαιρας, δεν είναι δυνατό να θερμανθεί ο πάγος πέρα ​​από το σημείο τήξεώς του, καθώς οποιαδήποτε πρόσθετη θερμότητα που παρέχουμε θα δαπανηθεί για να λιώσει τον πάγο αντί να τον θερμάνει. Για το λόγο αυτό, η ιδέα της δημιουργίας αληθινού πάγου (στερεό νερό) σε πίεση περιβάλλοντος και σε θερμοκρασία δωματίου, ή χειρότερα, σε υψηλότερη θερμοκρασία, παραβιάζει τους νόμους της θερμοδυναμικής. Με άλλα λόγια, είναι αδύνατο.

Ο καυτός πάγος είναι στην πραγματικότητα μια χημική ένωση που ονομάζεται οξικό νάτριο . Αυτή η ένωση είναι ένα οργανικό άλας που σχηματίζεται από οξικά ιόντα, τα οποία αντιστοιχούν στη συζευγμένη βάση οξικού οξέος, που περιέχεται στο ξύδι που χρησιμοποιούμε στην κουζίνα, και ιόντων νατρίου. Το οξικό οξύ είναι ένα οργανικό οξύ που ανήκει στην οικογένεια των καρβοξυλικών οξέων και είναι το δεύτερο πιο απλό μέλος αυτής της οικογένειας. Ως εκ τούτου, τα άλατά του ονομάζονται οργανικά άλατα.

Ο τύπος για το οξικό νάτριο μπορεί να γραφτεί με διαφορετικούς τρόπους. Ο χημικός του τύπος είναι NaC ₂ H ₃ O ₂ . Σε ημιδιογκωμένη μορφή γράφεται CH ₃ COONa και το οξικό ιόν μερικές φορές συντομεύεται Ac ^– , οπότε το οξικό νάτριο αντιπροσωπεύεται ως NaAc. Η χημική δομή αυτής της ένωσης είναι:

Παρά τη δομή του, το οξικό νάτριο κρυσταλλώνεται από υδατικό διάλυμα με τη μορφή του τριένυδρου άλατος με τον τύπο NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O.

Αντίδραση σύνθεσης οξικού νατρίου

Τα άλατα μπορούν να συντεθούν με διαφορετικούς τρόπους και από διαφορετικά χημικά αντιδραστήρια. Ένας από τους ευκολότερους τρόπους για να γίνει αυτό είναι μέσω της αντίδρασης εξουδετέρωσης μεταξύ ενός οξέος με το κατάλληλο ανιόν (οξικό οξύ στην περίπτωση αυτή) και μιας βάσης που περιέχει το κατάλληλο κατιόν. Το οξικό οξύ είναι ένα ασθενές οξύ που είναι άμεσα διαθέσιμο και ασφαλές στον χειρισμό. Όσον αφορά τη βάση, υπάρχουν αρκετές επιλογές που θα λειτουργούσαν για το οξικό νάτριο, αλλά οι δύο πιο κατάλληλες είναι το υδροξείδιο του νατρίου (καυστική σόδα) και το διττανθρακικό νάτριο .

Η πρώτη βάση, το υδροξείδιο του νατρίου, είναι μια καλή επιλογή για ταχεία σύνθεση, επειδή είναι μια ισχυρή βάση που αντιδρά ταχέως με το οξικό οξύ για να σχηματίσει οξικό νάτριο και το υποπροϊόν της αντίδρασης είναι το νερό. , το οποίο υπάρχει ήδη ούτως ή άλλως.

Σε αυτή την περίπτωση, η χημική αντίδραση θα είναι:

Ωστόσο, αυτή η αντίδραση έχει δύο μεγάλα προβλήματα. Πρώτον, αν και το υδροξείδιο του νατρίου είναι άμεσα διαθέσιμο, καθώς είναι το κύριο συστατικό των περισσότερων καυστικών καθαριστικών φούρνων και αφαίρεσης λίπους, είναι μια αρκετά επικίνδυνη ουσία που πρέπει να αντιμετωπίζεται με μεγάλη προσοχή.

Δεύτερον, είναι απαραίτητο να μετρηθούν προσεκτικά οι ποσότητες υδροξειδίου του νατρίου που προστίθενται στο διάλυμα και το pH πρέπει να ελέγχεται χρησιμοποιώντας χαρτί λακκούβας ή κάτι παρόμοιο για να δείξει πότε έχει εξουδετερωθεί όλο το οξικό οξύ, καθώς εάν προστεθεί περίσσεια. το διάλυμα αλατιού μπορεί να είναι έντονα αλκαλικό και επικίνδυνο στον χειρισμό.

Μια πιο κατάλληλη και πολύ πιο ασφαλής εναλλακτική λύση που παρέχει τα περισσότερα οφέλη από το υδροξείδιο του νατρίου, αλλά κανένα από τα μειονεκτήματα, είναι η μαγειρική σόδα. Αυτό το άλας αντιστοιχεί στο άλας νατρίου της συζυγούς βάσης του ανθρακικού οξέος. Είναι μια αμφοτερική ένωση που μπορεί να αντιδράσει τόσο με οξέα όσο και με βάσεις και είναι ικανή να εξουδετερώσει το οξικό οξύ, σχηματίζοντας οξικό νάτριο και ανθρακικό οξύ. Το τελευταίο θα μπορούσε να παρέμβει μολύνοντας το σχηματιζόμενο οξικό νάτριο, αλλά αποσυντίθεται γρήγορα παράγοντας νερό και αέριο διοξείδιο του άνθρακα το οποίο γρήγορα διαφεύγει με τη μορφή αναβρασμού ορατό με γυμνό μάτι.

Η αντίδραση σύνθεσης για οξικό νάτριο με χρήση διττανθρακικού νατρίου είναι:

Αυτή είναι η αντίδραση που θα χρησιμοποιήσουμε στην παρούσα σύνθεση οξικού νατρίου.

Το λευκό ξύδι είναι ένα καθαρό υδατικό διάλυμα οξικού οξέος που περιέχει γενικά μεταξύ 3% και 5% κατά μάζα του οξέος. Με πυκνότητα πολύ κοντά σε αυτή του καθαρού νερού, αυτό σημαίνει ότι 1 λίτρο ξιδιού περιέχει περίπου 30 έως 50 g οξικού οξέος. Αυτό σημαίνει ότι για να αντιδράσουν σε στοιχειομετρικές αναλογίες, ένα λίτρο ξίδι απαιτεί περίπου μεταξύ 42 g και 70 g διττανθρακικού νατρίου. Εάν βρεθεί στη μέγιστη αναλογία, θα σχηματιστούν περίπου 113 g τριένυδρου οξικού νατρίου.

Διαδικασία προετοιμασίας ζεστού πάγου στο σπίτι

αντιδραστήρια

• 1 λίτρο λευκό ξύδι (οξικό οξύ περίπου 5%)
• 100 γρ μαγειρική σόδα

υλικά και εξοπλισμός

• Σόμπα να ζεσταθεί.
• Ποτήρι χωρητικότητας τουλάχιστον 1,5 L. Εάν δεν έχετε, μπορείτε να το αντικαταστήσετε με μια κατσαρόλα ή τηγάνι από γυαλί και, τελικά, μέταλλο.
• Γυάλινο δοχείο χωρητικότητας 200 έως 250 mL. Το δοχείο πρέπει να είναι πολύ καθαρό και να μην γρατσουνίζεται.
• Ζυγαριά κουζίνας, κατά προτίμηση ψηφιακή.

Παρασκευή υπερκορεσμένου διαλύματος οξικού νατρίου

Για να συνθέσετε οξικό νάτριο ακολουθήστε τα παρακάτω βήματα:

1. Ζυγίστε τη μαγειρική σόδα σε μια ζυγαριά και αφήστε την στην άκρη.
2. Προσθέστε το ξύδι στο ποτήρι και προσθέστε σιγά σιγά τη μαγειρική σόδα στο διάλυμα σε μικρές μερίδες, ανακατεύοντας με ένα κουτάλι μέχρι να σταματήσει το αφρισμό πριν προσθέσετε την επόμενη δόση. Αυτό γίνεται για να αποτραπεί η δημιουργία και υπερχείλιση υπερβολικού διοξειδίου του άνθρακα στις πλευρές του ποτηριού. Σε αυτό το σημείο το οξικό νάτριο έχει ήδη σχηματιστεί.
3. Φέρτε το διάλυμα σε βρασμό σε μέτρια φωτιά και συνεχίστε τη θέρμανση για να εξατμιστεί το νερό και μειώστε τον όγκο μέχρι να εμφανιστούν κρύσταλλοι οξικού νατρίου στις άκρες του δοχείου. Σε αυτό το σημείο ο όγκος πρέπει να είναι περίπου 100-150 mL.
4. Σε αυτό το σημείο, προσθέστε μια μικρή ποσότητα νερού (περίπου 5 mL θα πρέπει να είναι επαρκή) και συνεχίστε τη θέρμανση μέχρι να διαλυθεί πλήρως όλο το στερεό που σχηματίστηκε.
5. Μεταφέρετε προσεκτικά το καυτό διάλυμα στο δεύτερο γυάλινο δοχείο. Εάν σχηματιστούν κρύσταλλοι κατά τη μεταφορά, θερμάνετε το δοχείο σε λουτρό βραστό νερό μέχρι να διαλυθεί. Εάν οι κρύσταλλοι επιμένουν, προσθέστε ξανά μικρή ποσότητα νερού και ζεστάνετε λίγο ακόμα. Είναι πολύ σημαντικό να μην υπάρχει ούτε ένας κρύσταλλος σε αυτή τη λύση πριν από το επόμενο βήμα.
6. Καλύψτε το δοχείο που περιέχει το διάλυμα με πλαστική μεμβράνη και τοποθετήστε το στο ψυγείο, αποφεύγοντας το χτύπημα ή τον τραχύ χειρισμό του δοχείου.

πειράματα με ζεστό πάγο

Το ψυχρό διάλυμα που λαμβάνεται έτσι είναι ένα υπερκορεσμένο διάλυμα οξικού νατρίου το οποίο θα κρυσταλλωθεί γρήγορα μετά από οποιαδήποτε διαταραχή, σχηματίζοντας ένα θερμό μπλοκ κρυστάλλων που μοιάζει με πάγο.

• Μπορείτε να πειραματιστείτε με αυτή τη λύση με διαφορετικούς τρόπους. Δοκιμάστε να προσθέσετε μικρούς κρυστάλλους στην επιφάνεια και θα δείτε πώς μεγαλώνουν προς όλες τις κατευθύνσεις σχηματίζοντας όμορφες βελόνες.
• Μπορείτε επίσης να μεταφέρετε μια μικρή ποσότητα διαλύματος σε ένα τρυβλίο Petri και σε ένα άλλο ρηχό γυάλινο δοχείο και κρυστάλλους σπόρων στα δύο άκρα για να δείτε ποια μεγαλώνουν πιο γρήγορα.
• Τέλος, πολλοί άνθρωποι απολαμβάνουν να ρίχνουν αργά το διάλυμα πάνω από μια μικρή χούφτα κρυστάλλων σε κάποια επιφάνεια. Καθώς το διάλυμα πέφτει, κρυσταλλώνεται σχηματίζοντας έναν κατακόρυφο σταλαγμίτη οξικού νατρίου.

Εξήγηση του πειράματος του ζεστού πάγου

Η ταχεία κρυστάλλωση του οξικού νατρίου οφείλεται στο γεγονός ότι το ψυχρό διάλυμα που παρασκευάζεται είναι ένα υπερκορεσμένο διάλυμα του άλατος. Αυτό σημαίνει ότι περιέχει περισσότερο διαλυμένο οξικό νάτριο από ότι το νερό μπορεί να διαλυθεί σε αυτή τη θερμοκρασία. Αυτό σημαίνει ότι το διάλυμα βρίσκεται σε μετασταθερή κατάσταση που μπορεί εύκολα να κατακρημνιστεί από οποιαδήποτε διαταραχή που προκαλεί το σχηματισμό των πρώτων κρυστάλλων ή με την προσθήκη κάποιων κρυστάλλων που χρησιμεύουν ως πυρήνες για το σχηματισμό νέων κρυστάλλων.

Αυτή η διαταραχή μπορεί να συνίσταται στη σπορά ενός μικρού κρυστάλλου στην επιφάνεια, στο άγγιγμα του διαλύματος με ένα δάχτυλο ή στο ξύσιμο της επιφάνειας του δοχείου με ένα μεταλλικό εργαλείο. Μερικές φορές αρκεί ένα απλό χτύπημα στο δοχείο για να προκαλέσει κρυστάλλωση

Η διαδικασία κρυστάλλωσης θα εξαπλωθεί γρήγορα σε ολόκληρο το διάλυμα. Η θερμότητα προέρχεται από το γεγονός ότι η χημική αντίδραση της κρυστάλλωσης είναι εξώθερμη, δηλαδή απελευθερώνει θερμότητα.

Μέτρα ασφαλείας

Ευτυχώς, κανένα από τα χημικά αντιδραστήρια που χρησιμοποιούνται σε αυτό το πείραμα δεν είναι τοξικό ή επικίνδυνο με οποιονδήποτε τρόπο. Το οξικό νάτριο δεν είναι επίσης επικίνδυνη ένωση. Μάλιστα, χρησιμοποιείται ως πρόσθετο στη βιομηχανία τροφίμων.

Ωστόσο, το πείραμα απαιτεί θέρμανση ενός διαλύματος μέχρι βρασμού και χειρισμό του θερμού διαλύματος, το οποίο αποτελεί σημαντικό κίνδυνο εγκαύματος. Αυτό το πείραμα δεν πρέπει να διεξάγεται χωρίς την επίβλεψη ενηλίκου και χωρίς τη χρήση θερμικών γαντιών για την προστασία των χεριών από τη ζέστη.

βιβλιογραφικές αναφορές

Αμοχημικά. (ν). Καυστική σόδα: τι είναι, χαρακτηριστικά και προφυλάξεις . amochemicals.com. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS, & Herranz, ZR (2020). Χημεία (10η ^έκδ .). Εκπαίδευση McGraw-Hill.

Εμπειρίες. (2017, 7 Φεβρουαρίου). Στιγμιαίος ζεστός πάγος . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=ujuwKEZevfY

Εργαστήριο Έκπτωσης. (2021). Οξεικό νάτριο . laboratoriumdiscounter.nl. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/en/chemicals/az/n/sodic-acetate/

Εκδοτικό CuídatePlus. (2020, 27 Αυγούστου). διττανθρακικό . Φροντίστε Plus. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/bicarbonato.html

Seara, B. (2017, 7 Φεβρουαρίου). Instant Hot Ice – εκπληκτικά πειράματα . εμπειρία επιστήμης. https://www.experciencia.com/hielo-caliente/