식초와 베이킹 소다로 뜨거운 얼음을 만드는 방법?

과학, 특히 화학의 가장 중요한 측면을 설명하는 역할을 하는 가정 실험이 많이 있습니다. 이러한 실험 중 하나는 아세트산 나트륨 수용액의 신속한 발열 결정화로 구성된 뜨거운 얼음 실험입니다. 다음으로, 우리는 식초와 중탄산나트륨으로부터 아세트산나트륨을 합성하는 데 필요한 모든 것을 보여주고, 결정화될 때 발열 반응의 힘을 보여줄 이 유기염의 과포화 용액도 준비할 것입니다.

핫아이스란?

이름에서 알 수 있듯이 뜨거운 얼음은 실제로 얼음이 아닙니다. 얼음은 물이 고체 상태로 알려진 일반적인 이름에 지나지 않는다는 것을 기억합시다. 온도와 압력의 주변 조건에서 물은 액체 상태이며 융점은 0 °C입니다. 1기압의 표준 대기압에서는 얼음을 융점 이상으로 가열하는 것이 불가능합니다. 우리가 공급하는 추가 열은 얼음을 가열하는 대신 녹이는 데 사용되기 때문입니다. 이 때문에 상압과 상온, 더 나쁘게는 더 높은 온도에서 진정한 얼음(고체 물)을 만든다는 발상은 열역학 법칙에 어긋난다. 즉, 불가능합니다.

뜨거운 얼음은 실제로 아세트산 나트륨 이라는 화합물입니다 . 이 화합물은 우리가 주방에서 사용하는 식초에 포함된 아세트산의 공액 염기에 해당하는 아세테이트 이온과 나트륨 이온에 의해 형성된 유기염입니다. 아세트산은 카르복실산 계열에 속하는 유기산이며 해당 계열에서 두 번째로 단순한 구성원입니다. 따라서 그 염을 유기 염이라고합니다.

아세트산 나트륨의 공식은 여러 가지 방법으로 쓸 수 있습니다. 화학식은 NaC ₂ H ₃ O ₂ 입니다 . _{반 팽창 형태에서는 CH 3} COONa 라고 쓰고 아세테이트 이온은 때때로 Ac ^{– 로} 약칭하므로 아세트산 나트륨은 NaAc로 표시됩니다. 이 화합물의 화학 구조는 다음과 같습니다.

_{이러한 구조에도 불구하고 아세트산 나트륨은 NaC 2} H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O 공식을 갖는 삼수화물 염의 형태로 수용액에서 결정화됩니다.

아세트산 나트륨 합성 반응

염은 다양한 화학 시약에서 다양한 방식으로 합성될 수 있습니다. 이를 수행하는 가장 쉬운 방법 중 하나는 적절한 음이온(이 경우 아세트산)이 있는 산과 적절한 양이온을 포함하는 염기 사이의 중화 반응을 통한 것입니다. 아세트산은 쉽게 구할 수 있고 취급하기에 안전한 약산입니다. 염기의 경우 아세트산나트륨에 사용할 수 있는 몇 가지 옵션이 있지만 가장 적합한 두 가지는 수산화나트륨(가성소다)과 중탄산나트륨 입니다 .

첫 번째 염기인 수산화나트륨은 아세트산과 빠르게 반응하여 아세트산나트륨을 형성하는 강염기이고 반응의 부산물이 물이기 때문에 빠른 합성에 좋은 선택입니다.

이 경우 화학 반응은 다음과 같습니다.

그러나 이 반응에는 두 가지 주요 문제가 있습니다. 첫째, 수산화나트륨은 쉽게 구할 수 있지만 대부분의 가성 오븐 세척제와 기름때 제거제의 주성분이기 때문에 상당히 주의해서 다루어야 하는 상당히 위험한 물질입니다. .

둘째, 용액에 첨가된 수산화나트륨의 양을 주의 깊게 측정해야 하며 리트머스 종이 또는 이와 유사한 것을 사용하여 pH를 확인하여 모든 아세트산이 언제 중화되었는지 표시해야 합니다. 소금 용액은 강알칼리성이며 다루기에 위험할 수 있습니다.

수산화나트륨의 가장 많은 이점을 제공하지만 단점은 없는 더 적합하고 훨씬 안전한 대안은 베이킹 소다입니다. 이 염은 탄산의 짝염기의 나트륨염에 해당한다. 산과 염기 모두와 반응할 수 있고 아세트산을 중화하여 아세트산 나트륨과 탄산을 형성할 수 있는 양쪽성 화합물입니다. 후자는 형성된 아세트산 나트륨을 오염시켜 방해할 수 있지만 빠르게 분해되어 물과 육안으로 볼 수 있는 비등 형태로 빠르게 빠져나가는 기체 이산화탄소를 생성합니다.

중탄산나트륨을 사용한 아세트산나트륨의 합성 반응은 다음과 같습니다.

이것은 우리가 아세트산 나트륨의 현재 합성에서 사용할 반응입니다.

백식초는 일반적으로 3~5%의 산을 포함하는 정제된 아세트산 수용액입니다. 밀도가 순수한 물에 매우 가깝기 때문에 식초 1L에는 약 30~50g의 아세트산이 포함되어 있습니다. 이는 식초가 화학양론적 비율로 반응하려면 식초 1리터에 약 42g~70g의 중탄산나트륨이 필요함을 의미합니다. 최대 비율로 발견되면 약 113g의 삼수화 아세트산 나트륨이 형성됩니다.

집에서 뜨거운 얼음을 준비하는 절차

시약

• 백식초 1L(아세트산 약 5%)
• 베이킹 소다 100g

재료 및 장비

• 열을 가하는 스토브.
• 최소 1.5L 용량의 비이커. 없는 경우 유리, 궁극적으로는 금속으로 만들어진 냄비나 프라이팬으로 교체할 수 있습니다.
• 200~250mL 용량의 유리 용기. 용기는 매우 깨끗해야 하며 긁히지 않아야 합니다.
• 주방 저울, 바람직하게는 디지털.

과포화 아세트산나트륨 용액의 제조

아세트산 나트륨을 합성하려면 다음 단계를 따르십시오.

1. 저울에 베이킹 소다의 무게를 달아 따로 둡니다.
2. 비이커에 식초를 넣고 베이킹 소다를 소량씩 용액에 천천히 추가합니다. 다음 부분을 추가하기 전에 거품이 멈출 때까지 숟가락으로 저어줍니다. 이는 너무 많은 이산화탄소가 생성되어 비커 측면으로 넘치는 것을 방지하기 위한 것입니다. 이 시점에서 아세트산 나트륨이 이미 형성되었습니다.
3. 용액을 중불로 끓이고 계속 가열하여 물을 증발시키고 용기 가장자리에 아세트산 나트륨 결정이 나타날 때까지 부피를 줄입니다. 이 시점에서 부피는 약 100-150mL여야 합니다.
4. 이 시점에서 소량의 물(약 5mL이면 충분함)을 추가하고 형성된 모든 고체가 완전히 용해될 때까지 계속 가열합니다.
5. 뜨거운 용액을 조심스럽게 두 번째 유리 용기로 옮깁니다. 옮기는 동안 결정이 형성되면 용해될 때까지 끓는 수조에서 용기를 가열합니다. 결정이 지속되면 소량의 물을 다시 추가하고 조금 더 가열하십시오. 다음 단계 전에 이 용액에 단결정이 없다는 것이 매우 중요합니다.
6. 용액이 담긴 용기를 플라스틱 랩으로 덮고 용기를 두드리거나 거칠게 다루지 않도록 냉장고에 넣으십시오.

뜨거운 얼음 실험

이렇게 얻은 차가운 용액은 아세트산 나트륨의 과포화 용액으로 교란 후 빠르게 결정화되어 얼음과 유사한 뜨거운 결정 블록을 형성합니다.

• 이 솔루션을 다양한 방식으로 실험해 볼 수 있습니다. 표면에 작은 결정을 추가하면 모든 방향으로 성장하여 아름다운 바늘을 형성하는 것을 볼 수 있습니다.
• 소량의 용액을 페트리 접시와 또 다른 얕은 유리 용기, 두 끝에 있는 종자 결정으로 옮겨 어느 쪽이 더 빨리 자라는지 확인할 수도 있습니다.
• 마지막으로, 많은 사람들이 어떤 표면에 있는 작은 한 움큼의 결정 위에 용액을 천천히 붓는 것을 즐깁니다. 용액이 떨어지면서 결정화되어 아세트산 나트륨의 수직 석순을 형성합니다.

뜨거운 얼음 실험의 설명

아세트산 나트륨의 빠른 결정화는 준비된 차가운 용액이 소금의 과포화 용액이라는 사실 때문입니다. 이는 물이 해당 온도에서 용해할 수 있는 것보다 더 많은 용해된 아세트산 나트륨을 함유하고 있음을 의미합니다. 이것은 용액이 첫 번째 결정의 형성을 생성하는 교란에 의해 또는 새로운 결정의 형성을 위한 핵 역할을 하는 일부 결정의 추가에 의해 쉽게 침전될 수 있는 준안정 상태에 있음을 의미합니다.

이러한 교란은 표면에 작은 결정을 뿌리거나 손가락으로 용액을 만지거나 금속 도구로 용기 표면을 긁는 것으로 구성될 수 있습니다. 때로는 단순히 용기를 두드리는 것만으로도 결정화를 유발할 수 있습니다.

결정화 과정은 전체 솔루션을 통해 빠르게 확산됩니다. 열은 결정화의 화학 반응이 발열, 즉 열을 방출한다는 사실에서 비롯됩니다.

보안 조치

다행히도 이 실험에 사용된 화학 시약은 어떤 식으로든 독성이 있거나 위험하지 않습니다. 아세트산 나트륨도 위험한 화합물이 아닙니다. 사실, 그것은 식품 산업에서 첨가제로 사용됩니다.

그러나 실험은 용액을 끓일 때까지 가열하고 뜨거운 용액을 취급해야 하므로 심각한 화상 위험이 있습니다. 이 실험은 성인의 감독 없이, 그리고 열로부터 손을 보호하기 위한 열 장갑을 사용하지 않고 수행해서는 안 됩니다.

참조

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