Cum să faci gheață fierbinte cu oțet și bicarbonat de sodiu?

Există un număr mare de experimente acasă care servesc pentru a ilustra multe dintre cele mai importante aspecte ale științei și în special chimia. Unul dintre aceste experimente este cel al gheții fierbinți, care constă în cristalizarea rapidă și exotermă a unei soluții apoase de acetat de sodiu. În continuare, arătăm tot ce este necesar pentru realizarea sintezei acetatului de sodiu din oțet și bicarbonat de sodiu și vom pregăti și o soluție suprasaturată din această sare organică care, atunci când va cristaliza, va ilustra puterea reacțiilor exoterme.

Ce este gheața fierbinte?

În ciuda a ceea ce sugerează numele, gheața fierbinte nu este de fapt gheață. Să ne amintim că gheața nu este altceva decât numele comun cu care apa este cunoscută în stare solidă. În condiții ambientale de temperatură și presiune, apa este în stare lichidă și punctul ei de topire este de 0 °C. La presiunea ambientală standard de 1 atmosferă, nu este posibil să încălziți gheața dincolo de punctul său de topire, deoarece orice căldură suplimentară pe care o furnizăm va fi cheltuită topind gheața, mai degrabă decât încălzind-o. Din acest motiv, ideea de a face gheață adevărată (apă solidă) la presiunea ambiantă și la temperatura camerei, sau mai rău, la o temperatură mai mare, încalcă legile termodinamicii. Cu alte cuvinte, este imposibil.

Gheața fierbinte este de fapt un compus chimic numit acetat de sodiu . Acest compus este o sare organică formată din ioni de acetat, care corespund bazei conjugate de acid acetic, conținut în oțetul pe care îl folosim în bucătărie, și ionii de sodiu. Acidul acetic este un acid organic aparținând familiei acizilor carboxilici și este al doilea cel mai simplu membru al acelei familii. Prin urmare, sărurile sale sunt numite săruri organice.

Formula pentru acetatul de sodiu poate fi scrisă în moduri diferite. Formula sa chimică este NaC ₂ H ₃ O ₂ . În formă semiexpansă se scrie CH ₃ COONa, iar ionul acetat este uneori prescurtat Ac ^– , deci acetatul de sodiu este reprezentat ca NaAc. Structura chimică a acestui compus este:

În ciuda faptului că aceasta este structura sa, acetatul de sodiu cristalizează din soluție apoasă sub formă de sare trihidratată cu formula NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O.

Reacția de sinteză a acetatului de sodiu

Sărurile pot fi sintetizate în diferite moduri și din diferiți reactivi chimici. Una dintre cele mai ușoare modalități de a face acest lucru este prin reacția de neutralizare între un acid cu anionul corespunzător (acid acetic în acest caz) și o bază care conține cationul corespunzător. Acidul acetic este un acid slab care este ușor disponibil și sigur de manipulat. În ceea ce privește baza, există mai multe opțiuni care ar funcționa pentru acetat de sodiu, dar cele două cele mai potrivite sunt hidroxidul de sodiu (sodă caustică) și bicarbonatul de sodiu .

Prima bază, hidroxidul de sodiu, este o alegere bună pentru sinteza rapidă, deoarece este o bază puternică care reacționează rapid cu acidul acetic pentru a forma acetat de sodiu, iar produsul secundar al reacției este apa, care este deja prezentă oricum.

În acest caz, reacția chimică ar fi:

Cu toate acestea, această reacție are două probleme majore. În primul rând, deși hidroxidul de sodiu este ușor disponibil, deoarece este componenta principală a celor mai multe produse de curățare caustice pentru cuptoare și de îndepărtare a grăsimilor, este o substanță destul de periculoasă care trebuie manipulată cu mare grijă.

În al doilea rând, este necesar să se măsoare cu atenție cantitățile de hidroxid de sodiu adăugate în soluție, iar pH-ul trebuie verificat folosind hârtie de turnesol sau ceva similar pentru a indica când tot acidul acetic a fost neutralizat, deoarece dacă se adaugă un exces, pe această bază, soluția de sare poate fi puternic alcalină și periculoasă de manipulat.

O alternativă mai potrivită și mult mai sigură, care oferă cele mai multe beneficii ale hidroxidului de sodiu, dar niciunul dintre dezavantaje, este bicarbonatul de sodiu. Această sare corespunde sării de sodiu a bazei conjugate a acidului carbonic. Este un compus amfoter care poate reacționa atât cu acizii, cât și cu bazele și este capabil să neutralizeze acidul acetic, formând acetat de sodiu și acid carbonic. Acesta din urmă ar putea interfera prin contaminarea acetatului de sodiu format, dar se descompune rapid producând apă și dioxid de carbon gazos care scapă rapid sub forma unei efervescențe vizibile cu ochiul liber.

Reacția de sinteză pentru acetat de sodiu folosind bicarbonat de sodiu este:

Aceasta este reacția pe care o vom folosi în prezenta sinteza a acetatului de sodiu.

Oțetul alb este o soluție apoasă purificată de acid acetic care conține în general între 3% și 5% din masă acid. Cu o densitate foarte apropiată de cea a apei pure, aceasta înseamnă că 1 L de oțet conține aproximativ 30 până la 50 g de acid acetic. Aceasta înseamnă că pentru ca aceștia să reacționeze în proporții stoichiometrice, un litru de oțet necesită aproximativ între 42 g și 70 g de bicarbonat de sodiu. Dacă se găsește în proporție maximă, s-ar forma aproximativ 113 g de acetat de sodiu trihidrat.

Procedura de preparare a gheții fierbinți acasă

reactivi

• 1 L otet alb (acid acetic aproximativ 5%)
• 100 g de bicarbonat de sodiu

materiale si echipamente

• Aragaz să se încălzească.
• Pahar cu o capacitate de minim 1,5 L. Dacă nu ai unul, îl poți înlocui cu o oală sau tigaie din sticlă și, în cele din urmă, din metal.
• Recipient de sticlă cu o capacitate de 200 până la 250 ml. Recipientul trebuie să fie foarte curat și să nu fie zgâriat.
• Cantar de bucatarie, de preferat digital.

Prepararea soluției suprasaturate de acetat de sodiu

Pentru a sintetiza acetatul de sodiu, urmați acești pași:

1. Se cântărește bicarbonatul de sodiu pe o cântar și se pune deoparte.
2. Se adaugă oțetul în pahar și se adaugă încet bicarbonatul de sodiu în soluție, în porții mici, amestecând cu o lingură până când se oprește spumă înainte de a adăuga următoarea porție. Acest lucru este pentru a preveni generarea de prea mult dioxid de carbon și revarsarea peste părțile laterale ale paharului. În acest moment, acetatul de sodiu a fost deja format.
3. Se aduce soluția la fierbere la foc mediu și se continuă încălzirea pentru a se evapora apa și a reduce volumul până când pe marginile recipientului apar cristale de acetat de sodiu. În acest moment, volumul trebuie să fie de aproximativ 100-150 ml.
4. În acest moment, adăugați o cantitate mică de apă (aproximativ 5 ml ar trebui să fie suficient) și continuați încălzirea până când tot solidul format este complet dizolvat.
5. Transferați cu grijă soluția fierbinte în al doilea recipient de sticlă. Dacă se formează cristale în timpul transferului, încălziți recipientul într-o baie de apă clocotită până se dizolvă. Dacă cristalele persistă, adăugați din nou o cantitate mică de apă și încălzește puțin. Este foarte important să nu existe un singur cristal în această soluție înainte de următorul pas.
6. Acoperiți recipientul care conține soluția cu folie de plastic și puneți-l la frigider, evitând lovirea sau manipularea brutală a recipientului.

experimente cu gheață fierbinte

Soluția rece astfel obținută este o soluție suprasaturată de acetat de sodiu care se va cristaliza rapid după orice perturbare, formând un bloc fierbinte de cristale asemănător gheții.

• Puteți experimenta această soluție în diferite moduri. Încercați să adăugați cristale mici la suprafață și veți vedea cum cresc în toate direcțiile formând ace frumoase.
• De asemenea, puteți transfera o cantitate mică de soluție într-un vas Petri și într-un alt recipient de sticlă puțin adânc și cristale de semințe la două capete pentru a vedea care cresc mai repede.
• În cele din urmă, multor oameni se bucură de a turna încet soluția peste o mână mică de cristale pe o anumită suprafață. Pe măsură ce soluția cade, ea cristalizează formând o stalagmită verticală de acetat de sodiu.

Explicația experimentului cu gheață fierbinte

Cristalizarea rapidă a acetatului de sodiu se datorează faptului că soluția rece preparată este o soluție suprasaturată de sare. Aceasta înseamnă că conține mai mult acetat de sodiu dizolvat decât apa este capabilă să se dizolve la acea temperatură. Aceasta înseamnă că soluția se află într-o stare metastabilă care poate fi ușor precipitată prin orice perturbare care generează formarea primelor cristale, sau prin adăugarea unor cristale care servesc drept nuclee pentru formarea de noi cristale.

Această tulburare poate consta în însămânțarea unui mic cristal pe suprafață, atingerea soluției cu degetul sau zgârierea suprafeței recipientului cu un instrument metalic. Uneori, simpla lovire a recipientului este suficientă pentru a declanșa cristalizarea

Procesul de cristalizare se va răspândi rapid în întreaga soluție. Căldura provine din faptul că reacția chimică de cristalizare este exotermă, adică eliberează căldură.

Masuri de securitate

Din fericire, niciunul dintre reactivii chimici utilizați în acest experiment nu este toxic sau periculos în vreun fel. De asemenea, acetatul de sodiu nu este un compus periculos. De fapt, este folosit ca aditiv în industria alimentară.

Cu toate acestea, experimentul necesită încălzirea unei soluții până la fierbere și manipularea soluției fierbinți, ceea ce prezintă un pericol semnificativ de arsuri. Acest experiment nu trebuie efectuat fără supravegherea unui adult și fără a folosi mănuși termice pentru a proteja mâinile de căldură.

Referințe

Amochimice. (nd). Soda caustică: ce este, caracteristici și precauții . amochemicals.com. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica

Chang, R., Manzo, Á. R., Lopez, PS și Herranz, ZR (2020). Chimie ( ^ed . a 10-a). Educația McGraw-Hill.

Experiențe. (2017, 7 februarie). Gheață fierbinte instantanee . Youtube. https://www.youtube.com/watch?v=ujuwKEZevfY

Laboratorium Discounter. (2021). Acetat de sodiu . laboratoriumdiscounter.nl. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/en/chemicals/az/n/sodic-acetate/

Editorial CuídatePlus. (27 august 2020). bicarbonat . Ai grijăPlus. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/bicarbonato.html

Seara, B. (2017, 7 februarie). Instant Hot Ice – experimente uimitoare . experScience. https://www.experciencia.com/hielo-caliente/