सिरका और बेकिंग सोडा से गर्म बर्फ कैसे बनायें?

बड़ी संख्या में घरेलू प्रयोग हैं जो विज्ञान और विशेष रूप से रसायन विज्ञान के कई सबसे महत्वपूर्ण पहलुओं को चित्रित करने का काम करते हैं। इनमें से एक प्रयोग गर्म बर्फ का है, जिसमें सोडियम एसीटेट के जलीय घोल का तेजी से और एक्ज़ोथिर्मिक क्रिस्टलीकरण होता है। अगला, हम सिरका और सोडियम बाइकार्बोनेट से सोडियम एसीटेट के संश्लेषण को पूरा करने के लिए आवश्यक सब कुछ दिखाते हैं, और हम इस कार्बनिक नमक का एक सुपरसैचुरेटेड घोल भी तैयार करेंगे, जब यह क्रिस्टलीकृत होता है, तो एक्सोथर्मिक प्रतिक्रियाओं की शक्ति का वर्णन करेगा।

गर्म बर्फ क्या है?

जैसा कि नाम से पता चलता है, गर्म बर्फ वास्तव में बर्फ नहीं है। आइए याद रखें कि बर्फ सामान्य नाम से ज्यादा कुछ नहीं है जिससे पानी ठोस अवस्था में जाना जाता है। तापमान और दबाव की परिवेशी परिस्थितियों में, पानी तरल अवस्था में होता है और इसका गलनांक 0 °C होता है। 1 वायुमंडल के मानक परिवेशी दबाव पर, बर्फ को उसके गलनांक से अधिक गर्म करना संभव नहीं है, क्योंकि हम जो भी अतिरिक्त गर्मी प्रदान करते हैं, वह बर्फ को गर्म करने के बजाय उसे पिघलाने में खर्च होगी। इस कारण से, परिवेश के दबाव पर और कमरे के तापमान पर, या इससे भी बदतर, उच्च तापमान पर वास्तविक बर्फ (ठोस पानी) बनाने का विचार, ऊष्मप्रवैगिकी के नियमों का उल्लंघन करता है। दूसरे शब्दों में, यह असंभव है।

गर्म बर्फ वास्तव में सोडियम एसीटेट नामक एक रासायनिक यौगिक है । यह यौगिक एसीटेट आयनों द्वारा गठित एक कार्बनिक नमक है, जो सिरका में निहित एसिटिक एसिड के संयुग्म आधार के अनुरूप होता है, जिसे हम रसोई में और सोडियम आयनों में उपयोग करते हैं। एसिटिक एसिड कार्बोक्जिलिक एसिड के परिवार से संबंधित एक कार्बनिक अम्ल है और उस परिवार का दूसरा सबसे सरल सदस्य है। इसलिए इसके लवणों को कार्बनिक लवण कहते हैं।

सोडियम एसीटेट के सूत्र को विभिन्न तरीकों से लिखा जा सकता है। इसका रासायनिक सूत्र _{NaC2H3O2 है ।} _ अर्धविस्तारित रूप में इसे CH3 COONa लिखा जाता है _, और एसीटेट आयन कभी-कभी संक्षिप्त रूप से Ac- होता है ^, इसलिए सोडियम एसीटेट को NaAc के रूप में दर्शाया जाता है। इस यौगिक की रासायनिक संरचना है:

इसकी संरचना होने के बावजूद, सोडियम एसीटेट ट्राइहाइड्रेटेड नमक के रूप में जलीय घोल से NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O के सूत्र के साथ क्रिस्टलीकृत होता है।

सोडियम एसीटेट संश्लेषण प्रतिक्रिया

लवणों को विभिन्न तरीकों से और विभिन्न रासायनिक अभिकर्मकों से संश्लेषित किया जा सकता है। ऐसा करने के सबसे आसान तरीकों में से एक एसिड के बीच उचित आयनों (इस मामले में एसिटिक एसिड) और उचित कटियन युक्त आधार के बीच तटस्थता प्रतिक्रिया के माध्यम से है। एसिटिक एसिड एक कमजोर एसिड है जो आसानी से उपलब्ध है और संभालने के लिए सुरक्षित है। आधार के लिए, कई विकल्प हैं जो सोडियम एसीटेट के लिए काम करेंगे, लेकिन दो सबसे उपयुक्त सोडियम हाइड्रॉक्साइड (कास्टिक सोडा) और सोडियम बाइकार्बोनेट हैं ।

पहला आधार, सोडियम हाइड्रोक्साइड, तेजी से संश्लेषण के लिए एक अच्छा विकल्प है क्योंकि यह एक मजबूत आधार है जो सोडियम एसीटेट बनाने के लिए एसिटिक एसिड के साथ तेजी से प्रतिक्रिया करता है, और प्रतिक्रिया का उपोत्पाद पानी है, जो वैसे भी पहले से मौजूद है।

इस मामले में, रासायनिक प्रतिक्रिया होगी:

हालाँकि, इस प्रतिक्रिया की दो प्रमुख समस्याएं हैं। सबसे पहले, हालांकि सोडियम हाइड्रॉक्साइड आसानी से उपलब्ध है, क्योंकि यह अधिकांश कास्टिक ओवन क्लीनर और ग्रीस रिमूवर का मुख्य घटक है, यह एक काफी खतरनाक पदार्थ है जिसे बहुत सावधानी से संभाला जाना चाहिए।

दूसरे, यह आवश्यक है कि घोल में डाले गए सोडियम हाइड्रॉक्साइड की मात्रा को सावधानीपूर्वक मापें और पीएच को लिटमस पेपर या इसी तरह की किसी चीज का उपयोग करके जांचना चाहिए कि कब सभी एसिटिक एसिड को बेअसर कर दिया गया है, क्योंकि यदि इस आधार पर अतिरिक्त जोड़ा जाता है, नमक का घोल अत्यधिक क्षारीय और संभालने में खतरनाक हो सकता है।

एक अधिक उपयुक्त और अधिक सुरक्षित विकल्प जो सोडियम हाइड्रॉक्साइड का सबसे अधिक लाभ प्रदान करता है, लेकिन कोई भी दोष नहीं है, बेकिंग सोडा है। यह नमक कार्बोनिक एसिड के संयुग्म आधार के सोडियम नमक से मेल खाता है। यह एक एम्फोटेरिक यौगिक है जो एसिड और बेस दोनों के साथ प्रतिक्रिया कर सकता है और सोडियम एसीटेट और कार्बोनिक एसिड बनाने, एसिटिक एसिड को निष्क्रिय करने में सक्षम है। उत्तरार्द्ध गठित सोडियम एसीटेट को दूषित करके हस्तक्षेप कर सकता है, लेकिन यह तेजी से पानी और गैसीय कार्बन डाइऑक्साइड का उत्पादन करता है जो नग्न आंखों को दिखाई देने वाली बुदबुदाहट के रूप में जल्दी से निकल जाता है।

सोडियम बाइकार्बोनेट का उपयोग कर सोडियम एसीटेट के लिए संश्लेषण प्रतिक्रिया है:

यह वह प्रतिक्रिया है जिसका उपयोग हम सोडियम एसीटेट के वर्तमान संश्लेषण में करेंगे।

सफेद सिरका एसिटिक एसिड का एक शुद्ध जलीय घोल है जिसमें आम तौर पर एसिड के द्रव्यमान से 3% और 5% के बीच होता है। शुद्ध पानी के बहुत करीब घनत्व के साथ, इसका मतलब है कि 1 लीटर सिरके में लगभग 30 से 50 ग्राम एसिटिक एसिड होता है। इसका मतलब यह है कि उनके लिए स्टोइकियोमेट्रिक अनुपात में प्रतिक्रिया करने के लिए, एक लीटर सिरके में लगभग 42 ग्राम और 70 ग्राम सोडियम बाइकार्बोनेट की आवश्यकता होती है। यदि अधिकतम अनुपात में पाया जाता है, तो लगभग 113 ग्राम ट्राइहाइड्रेटेड सोडियम एसीटेट बनेगा।

घर पर गर्म बर्फ बनाने की प्रक्रिया

अभिकर्मकों

• 1 एल सफेद सिरका (एसिटिक एसिड लगभग 5%)
• 100 ग्राम बेकिंग सोडा

सामग्री और उपकरण

• गरम करने के लिए चूल्हा।
• कम से कम 1.5 लीटर क्षमता का बीकर। यदि आपके पास एक नहीं है, तो आप इसे कांच से बने बर्तन या पैन और अंततः धातु से बदल सकते हैं।
• 200 से 250 एमएल क्षमता का ग्लास कंटेनर। कंटेनर बहुत साफ होना चाहिए और खरोंच नहीं होना चाहिए।
• रसोई का पैमाना, अधिमानतः डिजिटल।

सुपरसैचुरेटेड सोडियम एसीटेट घोल तैयार करना

सोडियम एसीटेट को संश्लेषित करने के लिए इन चरणों का पालन करें:

1. बेकिंग सोडा को स्केल पर तौलें और एक तरफ रख दें।
2. बीकर में सिरका डालें और धीरे-धीरे बेकिंग सोडा को छोटे भागों में घोल में डालें, चम्मच से हिलाते रहें जब तक कि अगले भाग को जोड़ने से पहले झाग बंद न हो जाए। यह बहुत अधिक कार्बन डाइऑक्साइड को बीकर के किनारों पर उत्पन्न होने और बहने से रोकने के लिए है। इस बिंदु पर सोडियम एसीटेट पहले ही बन चुका होता है।
3. घोल को मध्यम आंच पर उबालें और पानी को वाष्पित करने के लिए गर्म करना जारी रखें और कंटेनर के किनारों पर सोडियम एसीटेट क्रिस्टल दिखाई देने तक मात्रा कम करें। इस बिंदु पर मात्रा लगभग 100-150 एमएल होनी चाहिए।
4. इस बिंदु पर, थोड़ी मात्रा में पानी डालें (लगभग 5 एमएल पर्याप्त होना चाहिए) और तब तक गर्म करना जारी रखें जब तक कि सभी ठोस पूरी तरह से घुल न जाएं।
5. दूसरे ग्लास कंटेनर में गर्म घोल को सावधानी से ट्रांसफर करें। यदि स्थानांतरण के दौरान कोई क्रिस्टल बनता है, तो कंटेनर को उबलते पानी के स्नान में भंग होने तक गर्म करें। यदि क्रिस्टल बने रहते हैं, तो फिर से थोड़ी मात्रा में पानी डालें और थोड़ी देर गर्म करें। यह बहुत महत्वपूर्ण है कि अगले चरण से पहले इस घोल में एक भी क्रिस्टल न हो।
6. घोल वाले कंटेनर को प्लास्टिक रैप से ढक दें और उसे फ्रिज में रख दें, कंटेनर से टकराने या खराब हैंडलिंग से बचें।

गर्म बर्फ प्रयोग

इस प्रकार प्राप्त किया गया ठंडा समाधान सोडियम एसीटेट का एक सुपरसैचुरेटेड घोल है जो किसी भी गड़बड़ी के बाद तेजी से क्रिस्टलीकृत हो जाएगा, जिससे बर्फ के समान क्रिस्टल का एक गर्म ब्लॉक बन जाएगा।

• आप इस समाधान के साथ विभिन्न तरीकों से प्रयोग कर सकते हैं। सतह पर छोटे-छोटे क्रिस्टल जोड़ने का प्रयास करें और आप देखेंगे कि कैसे वे सभी दिशाओं में सुंदर सुइयाँ बनाते हुए बढ़ते हैं।
• आप एक पेट्री डिश और एक अन्य उथले कांच के कंटेनर और बीज क्रिस्टल को दो सिरों पर एक छोटी मात्रा में घोल में स्थानांतरित कर सकते हैं, यह देखने के लिए कि कौन सा तेजी से बढ़ता है।
• अंत में, बहुत से लोग किसी सतह पर छोटे मुट्ठी भर क्रिस्टल पर धीरे-धीरे घोल डालने का आनंद लेते हैं। जैसे ही समाधान गिरता है, यह सोडियम एसीटेट के ऊर्ध्वाधर स्टैलेग्माइट बनाने के लिए क्रिस्टलीकृत होता है।

गर्म बर्फ प्रयोग की व्याख्या

सोडियम एसीटेट का तेजी से क्रिस्टलीकरण इस तथ्य के कारण होता है कि तैयार किया गया ठंडा घोल नमक का सुपरसैचुरेटेड घोल है। इसका मतलब यह है कि इसमें पानी की तुलना में अधिक घुलित सोडियम एसीटेट होता है जो उस तापमान पर घुलने में सक्षम होता है। इसका मतलब यह है कि समाधान एक मेटास्टेबल स्थिति में है जिसे किसी भी गड़बड़ी से आसानी से अवक्षेपित किया जा सकता है जो पहले क्रिस्टल के गठन को उत्पन्न करता है, या कुछ क्रिस्टल के अतिरिक्त जो नए क्रिस्टल के गठन के लिए नाभिक के रूप में कार्य करता है।

इस गड़बड़ी में सतह पर एक छोटा क्रिस्टल बोना, उंगली से घोल को छूना, या कंटेनर की सतह को धातु के औजार से खुरचना शामिल हो सकता है। कभी-कभी केवल कंटेनर को मारना ही क्रिस्टलीकरण को ट्रिगर करने के लिए पर्याप्त होता है

क्रिस्टलीकरण प्रक्रिया पूरे समाधान के माध्यम से तेजी से फैलेगी। गर्मी इस तथ्य से आती है कि क्रिस्टलीकरण की रासायनिक प्रतिक्रिया ऊष्माक्षेपी होती है, अर्थात यह ऊष्मा छोड़ती है।

सुरक्षा उपाय

सौभाग्य से, इस प्रयोग में प्रयुक्त कोई भी रासायनिक अभिकर्मक किसी भी तरह से विषाक्त या खतरनाक नहीं है। सोडियम एसीटेट भी एक खतरनाक यौगिक नहीं है। वास्तव में, यह खाद्य उद्योग में एक योज्य के रूप में प्रयोग किया जाता है।

हालांकि, प्रयोग के लिए गर्म घोल को उबालने और संभालने के लिए एक घोल को गर्म करने की आवश्यकता होती है, जिससे जलने का एक महत्वपूर्ण खतरा होता है। यह प्रयोग वयस्क पर्यवेक्षण के बिना और हाथों को गर्मी से बचाने के लिए थर्मल दस्ताने का उपयोग किए बिना नहीं किया जाना चाहिए।

संदर्भ

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