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科学、特に化学の最も重要な側面の多くを説明するのに役立つ家庭実験が多数あります。これらの実験の 1 つは、酢酸ナトリウムの水溶液の急速な発熱結晶化から成るホット アイスの実験です。次に、酢と重炭酸ナトリウムから酢酸ナトリウムを合成するために必要なすべてを示します。また、この有機塩の過飽和溶液を調製します。この有機塩が結晶化すると、発熱反応の力が示されます。
ホットアイスとは？
名前が示すように、ホットアイスは実際には氷ではありません。氷は、水が固体状態で知られている一般的な名前に過ぎないことを思い出してください。温度と圧力の周囲条件下では、水は液体の状態にあり、その融点は 0 °C です。標準的な大気圧 1 気圧では、氷を融点以上に加熱することはできません。これは、氷を加熱するのではなく、氷を溶かすために追加の熱が費やされるためです。このため、真の氷 (固体の水) を大気圧で室温、またはさらに悪いことに高温で作るという考えは、熱力学の法則に違反しています。言い換えれば、それは不可能です。
ホットアイスは、実際には酢酸ナトリウムと呼ばれる化合物です。この化合物は、私たちが台所で使う酢に含まれる酢酸の共役塩基に相当する酢酸イオンとナトリウムイオンが結合してできる有機塩です。酢酸は、カルボン酸ファミリーに属する有機酸であり、そのファミリーの 2 番目に単純なメンバーです。したがって、その塩は有機塩と呼ばれます。
酢酸ナトリウムの式は、さまざまな方法で書くことができます。その化学式は NaC 2 H 3 O 2です。半膨張形では CH 3 COONaと書かれ、酢酸イオンは Ac – と略されることがあるので、酢酸ナトリウムは NaAc と表されます。この化合物の化学構造は次のとおりです。
この構造にもかかわらず、酢酸ナトリウムは、式 NaC 2 H 3 O 2 ・ 3 H 2 Oの三水和塩の形で水溶液から結晶化します。
酢酸ナトリウム合成反応
塩は、さまざまな方法で、さまざまな化学試薬から合成できます。これを行う最も簡単な方法の 1 つは、適切な陰イオンを含む酸 (この場合は酢酸) と適切な陽イオンを含む塩基との間の中和反応です。酢酸は、容易に入手でき、安全に取り扱える弱酸です。塩基に関しては、酢酸ナトリウムで機能するいくつかのオプションがありますが、最も適しているのは水酸化ナトリウム (苛性ソーダ) と重炭酸ナトリウムの 2 つです。
最初の塩基である水酸化ナトリウムは、酢酸と急速に反応して酢酸ナトリウムを生成する強塩基であるため、迅速な合成に適しています。
この場合、化学反応は次のようになります。
しかし、この反応には2つの大きな問題があります。まず、水酸化ナトリウムは簡単に入手できますが、ほとんどの苛性オーブン クリーナーやグリース リムーバーの主成分であるため、取り扱いには細心の注意を払う必要があるかなり危険な物質です。
第二に、溶液に加えた水酸化ナトリウムの量を慎重に測定する必要があり、リトマス試験紙または同様のものを使用して、すべての酢酸が中和されたことを示すために pH をチェックする必要があります。塩溶液は強アルカリ性で取り扱いが危険です。
水酸化ナトリウムの利点を最大限に活用しながらも、欠点がない、より適切で安全な代替品は、重曹です。この塩は、炭酸の共役塩基のナトリウム塩に相当します。酸と塩基の両方と反応し、酢酸を中和して酢酸ナトリウムと炭酸を生成することができる両性化合物です。後者は、形成された酢酸ナトリウムを汚染することによって干渉する可能性がありますが、急速に分解して、水とガス状の二酸化炭素を生成し、肉眼で見える発泡の形ですぐに逃げます.
重炭酸ナトリウムを使用した酢酸ナトリウムの合成反応は次のとおりです。
これは、酢酸ナトリウムの現在の合成で使用する反応です。
ホワイトビネガーは、酢酸の精製水溶液であり、一般に酸の質量で 3% から 5% を含んでいます。純水に非常に近い密度で、1Lの酢には約30～50gの酢酸が含まれていることになります。これは、それらが化学量論的比率で反応するためには、酢 1 リットルに約 42 g から 70 g の重炭酸ナトリウムが必要であることを意味します。最大比率で見つかった場合、約 113 g の三水和酢酸ナトリウムが形成されます。
自宅でホットアイスを作る手順
試薬
- 1 L ホワイトビネガー (酢酸約 5%)
- 重曹 100g
資機材
- 加熱するストーブ。
- 容量1.5L以上のビーカー。持っていない場合は、ガラス製、最終的には金属製の鍋やフライパンに置き換えることができます.
- 容量200～250mLのガラス容器です。容器は非常にきれいでなければならず、傷があってはなりません。
- キッチンスケール、できればデジタル。
過飽和酢酸ナトリウム溶液の調製
酢酸ナトリウムを合成するには、次の手順に従います。
- 重曹をはかりで量り、取っておきます。
- 酢をビーカーに加え、重曹を少量ずつゆっくりと溶液に加え、スプーンで泡が止まるまでかき混ぜてから、次の量を加えます。これは、大量の二酸化炭素が発生してビーカーの側面から溢れるのを防ぐためです。この時点で、酢酸ナトリウムはすでに形成されています。
- 溶液を中火で沸騰させ、加熱を続けて水を蒸発させ、酢酸ナトリウムの結晶が容器の端に現れるまで体積を減らします。この時点で、容量は約 100 ～ 150 mL になります。
- この時点で、少量の水 (約 5 mL で十分です) を追加し、形成されたすべての固体が完全に溶解するまで加熱を続けます。
- 熱い溶液を慎重に 2 番目のガラス容器に移します。移動中に結晶が形成された場合は、溶解するまで容器を沸騰水浴で加熱してください。結晶が残っている場合は、再度少量の水を加えて、もう少し加熱してください。次のステップの前に、この溶液に単結晶がないことが非常に重要です。
- 溶液の入った容器をラップで覆い、容器をぶつけたり乱暴に扱ったりしないように冷蔵庫に入れます。
ホットアイス実験
このようにして得られた冷たい溶液は、酢酸ナトリウムの過飽和溶液であり、何らかの撹乱の後に急速に結晶化し、氷に似た結晶の熱いブロックを形成します。
- このソリューションは、さまざまな方法で試すことができます。表面に小さな結晶を追加してみると、それらがあらゆる方向に成長して美しい針を形成する様子がわかります。
- 少量の溶液をペトリ皿と別の浅いガラス容器に移し、両端に結晶を種付けして、どちらがより速く成長するかを確認することもできます.
- 最後に、多くの人は、表面にある一握りの小さな結晶に溶液をゆっくりと注ぐことを楽しんでいます. 溶液が落ちると、結晶化して酢酸ナトリウムの垂直な石筍を形成します。
ホットアイス実験の説明
酢酸ナトリウムの急速な結晶化は、調製された冷溶液が塩の過飽和溶液であるという事実によるものです。これは、水がその温度で溶解できるよりも多くの溶解酢酸ナトリウムを含むことを意味します. これは、溶液が準安定状態にあることを意味し、最初の結晶の形成を引き起こす擾乱によって、または新しい結晶の形成の核として機能するいくつかの結晶の追加によって、容易に沈殿する可能性があります。
この障害は、表面に小さな結晶を播種する、指で溶液に触れる、または金属製の器具で容器の表面を引っかくことで構成されます。時々、容器を叩くだけで結晶化を引き起こすのに十分です
結晶化プロセスは、溶液全体に急速に広がります。熱は、結晶化の化学反応が発熱、つまり熱を放出するという事実から生じます。
セキュリティ対策
幸いなことに、この実験で使用される化学試薬はいずれも有毒または危険ではありません。酢酸ナトリウムも危険な化合物ではありません。実際、食品業界では添加物として使用されています。
ただし、この実験では、溶液を沸騰するまで加熱し、高温の溶液を取り扱う必要があり、重大な火傷の危険があります。この実験は、大人の監督なしで、また熱から手を保護するために熱手袋を使用せずに実行しないでください。
参考文献
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