วิธีทำน้ำแข็งร้อนด้วยน้ำส้มสายชูและเบกกิ้งโซดา?

มีการทดลองที่บ้านจำนวนมากที่แสดงให้เห็นแง่มุมที่สำคัญที่สุดมากมายของวิทยาศาสตร์ โดยเฉพาะด้านเคมี หนึ่งในการทดลองเหล่านี้คือการทดลองเกี่ยวกับน้ำแข็งร้อน ซึ่งประกอบด้วยการตกผลึกอย่างรวดเร็วและคายความร้อนของสารละลายโซเดียมอะซิเตตในน้ำ ต่อไป เราจะแสดงทุกสิ่งที่จำเป็นในการสังเคราะห์โซเดียมอะซิเตตจากน้ำส้มสายชูและโซเดียมไบคาร์บอเนต และเราจะเตรียมสารละลายอิ่มตัวยิ่งยวดของเกลืออินทรีย์นี้ ซึ่งเมื่อตกผลึก จะแสดงให้เห็นถึงพลังของปฏิกิริยาคายความร้อน

น้ำแข็งร้อนคืออะไร?

แม้ว่าชื่อจะสื่อความหมายอย่างไร แต่น้ำแข็งร้อนไม่ใช่น้ำแข็งจริงๆ จำไว้ว่าน้ำแข็งไม่ได้เป็นอะไรมากไปกว่าชื่อสามัญที่น้ำเป็นที่รู้จักในสถานะของแข็ง ภายใต้สภาวะแวดล้อมที่มีอุณหภูมิและความดัน น้ำจะอยู่ในสถานะของเหลวและมีจุดหลอมเหลวอยู่ที่ 0 °C ที่ความดันบรรยากาศมาตรฐาน 1 บรรยากาศ เป็นไปไม่ได้ที่จะทำให้น้ำแข็งร้อนเกินจุดหลอมเหลว เนื่องจากความร้อนเพิ่มเติมที่เราจ่ายไปจะถูกใช้เพื่อละลายน้ำแข็งแทนที่จะให้ความร้อน ด้วยเหตุนี้ แนวคิดในการสร้างน้ำแข็งที่แท้จริง (น้ำที่เป็นของแข็ง) ที่ความดันบรรยากาศและที่อุณหภูมิห้อง หรือแย่กว่านั้น ที่อุณหภูมิสูงกว่า จึงเป็นการละเมิดกฎของอุณหพลศาสตร์ กล่าวอีกนัยหนึ่งมันเป็นไปไม่ได้

น้ำแข็งร้อนเป็นสารเคมีที่เรียกว่าโซเดียมอะซิเตต สารประกอบนี้เป็นเกลืออินทรีย์ที่เกิดจากไอออนของอะซิเตต ซึ่งสอดคล้องกับคอนจูเกตเบสของกรดอะซิติก ซึ่งมีอยู่ในน้ำส้มสายชูที่เราใช้ในครัว และโซเดียมไอออน กรดอะซิติกเป็นกรดอินทรีย์ที่อยู่ในตระกูลของกรดคาร์บอกซิลิกและเป็นสมาชิกที่ง่ายที่สุดเป็นอันดับสองของตระกูลนั้น ดังนั้นเกลือของมันจึงเรียกว่าเกลืออินทรีย์

สูตรสำหรับโซเดียมอะซิเตตสามารถเขียนได้หลายวิธี สูตรทางเคมีของมันคือ NaC ₂ H ₃ O ₂ . ในรูปแบบกึ่งขยายจะเขียนเป็น CH ₃ COONa และบางครั้งอะซิเตตไอออนจะถูกย่อว่า Ac ^–ดังนั้นโซเดียมอะซิเตตจึงแสดงเป็น NaAc โครงสร้างทางเคมีของสารประกอบนี้คือ:

แม้จะเป็นโครงสร้างนี้ โซเดียมอะซิเตตจะตกผลึกจากสารละลายในรูปของเกลือไตรไฮเดรตที่มีสูตร NaC ₂ H ₃ O ₂  · 3 H ₂ O

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์โซเดียมอะซิเตต

เกลือสามารถสังเคราะห์ได้หลายวิธีและจากตัวทำปฏิกิริยาทางเคมีที่แตกต่างกัน วิธีที่ง่ายที่สุดวิธีหนึ่งในการทำเช่นนี้คือการทำปฏิกิริยาสะเทินระหว่างกรดที่มีประจุลบที่เหมาะสม (ในกรณีนี้คือกรดอะซิติก) กับเบสที่มีไอออนบวกที่เหมาะสม กรดอะซิติกเป็นกรดอ่อนที่หาได้ง่ายและปลอดภัยในการจัดการ สำหรับเบส มีหลายตัวเลือกที่ใช้ได้กับโซเดียมอะซิเตต แต่สองตัวเลือกที่เหมาะสมที่สุดคือโซเดียมไฮดรอกไซด์ (โซดาไฟ) และโซเดียมไบคาร์บอเนต

เบสตัวแรกคือโซเดียมไฮดรอกไซด์เป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับการสังเคราะห์อย่างรวดเร็วเนื่องจากเป็นเบสแก่ที่ทำปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วกับกรดอะซิติกเพื่อสร้างโซเดียมอะซิเตตและผลพลอยได้จากปฏิกิริยาคือน้ำ ซึ่งมีอยู่แล้ว

ในกรณีนี้ ปฏิกิริยาเคมีจะเป็น:

อย่างไรก็ตาม ปฏิกิริยานี้มีปัญหาใหญ่สองประการ ประการแรก แม้ว่าโซเดียมไฮดรอกไซด์จะหาซื้อได้ง่าย เนื่องจากเป็นส่วนประกอบหลักของน้ำยาทำความสะอาดเตาอบที่กัดกร่อนและน้ำยาขจัดคราบมัน แต่ก็เป็นสารที่ค่อนข้างอันตรายที่ต้องจัดการด้วยความระมัดระวังเป็นอย่างยิ่ง .

ประการที่สอง จำเป็นต้องวัดปริมาณโซเดียมไฮดรอกไซด์ที่เติมลงในสารละลายอย่างระมัดระวัง และควรตรวจสอบค่า pH โดยใช้กระดาษลิตมัสหรือสิ่งที่คล้ายกันเพื่อระบุว่ากรดอะซิติกทั้งหมดถูกทำให้เป็นกลางเมื่อใด เนื่องจากหากมีการเติมมากเกินไป บนพื้นฐานนี้ สารละลายเกลือสามารถมีความเป็นด่างสูงและเป็นอันตรายในการจัดการได้

ทางเลือกที่เหมาะสมกว่าและปลอดภัยกว่าที่ให้ประโยชน์สูงสุดจากโซเดียมไฮดรอกไซด์ แต่ไม่มีข้อเสียเลยคือเบกกิ้งโซดา เกลือนี้สอดคล้องกับเกลือโซเดียมของคอนจูเกตเบสของกรดคาร์บอนิก เป็นสารประกอบแอมโฟเทอริกที่สามารถทำปฏิกิริยากับทั้งกรดและเบส และมีความสามารถในการทำให้กรดอะซิติกเป็นกลาง สร้างโซเดียมอะซิเตตและกรดคาร์บอนิก สารหลังนี้อาจรบกวนการปนเปื้อนของโซเดียมอะซิเตตที่ก่อตัวขึ้น แต่จะสลายตัวอย่างรวดเร็วและผลิตน้ำและแก๊สคาร์บอนไดออกไซด์ซึ่งหลุดออกไปอย่างรวดเร็วในรูปของฟองอากาศที่มองเห็นได้ด้วยตาเปล่า

ปฏิกิริยาการสังเคราะห์โซเดียมอะซีเตตโดยใช้โซเดียมไบคาร์บอเนตคือ:

นี่คือปฏิกิริยาที่เราจะใช้ในการสังเคราะห์โซเดียมอะซิเตตในปัจจุบัน

น้ำส้มสายชูกลั่นขาวเป็นสารละลายน้ำบริสุทธิ์ของกรดอะซิติกที่โดยทั่วไปมีกรดอยู่ระหว่าง 3% ถึง 5% โดยมวล ด้วยความหนาแน่นที่ใกล้เคียงกับน้ำบริสุทธิ์มาก หมายความว่าน้ำส้มสายชู 1 ลิตรมีกรดอะซิติกประมาณ 30 ถึง 50 กรัม ซึ่งหมายความว่าเพื่อให้พวกมันทำปฏิกิริยาในสัดส่วนสัมพันธ์สัมพันธ์ น้ำส้มสายชู 1 ลิตรต้องใช้โซเดียมไบคาร์บอเนตประมาณ 42 กรัมถึง 70 กรัม หากพบในสัดส่วนสูงสุด จะเกิดไตรไฮเดรตโซเดียมอะซิเตตประมาณ 113 กรัม

ขั้นตอนการเตรียมน้ำแข็งร้อนที่บ้าน

น้ำยา

• น้ำส้มสายชูกลั่นขาว 1 ลิตร (กรดอะซิติกประมาณ 5%)
• เบกกิ้งโซดา 100 กรัม

วัสดุและอุปกรณ์

• ตั้งเตาให้ร้อน
• บีกเกอร์ที่มีความจุอย่างน้อย 1.5 ลิตร หากคุณไม่มี คุณสามารถแทนที่ด้วยหม้อหรือกระทะที่ทำจากแก้วและสุดท้ายคือโลหะ
• ภาชนะแก้วที่มีความจุ 200 ถึง 250 มล. ภาชนะต้องสะอาดมากและต้องไม่มีรอยขีดข่วน
• เครื่องชั่งครัว ดิจิตอลดีกว่า

การเตรียมสารละลายโซเดียมอะซิเตตอิ่มตัวยิ่งยวด

ในการสังเคราะห์โซเดียมอะซิเตตให้ทำตามขั้นตอนเหล่านี้:

1. ชั่งเบกกิ้งโซดาด้วยเครื่องชั่งแล้วพักไว้
2. เติมน้ำส้มสายชูลงในบีกเกอร์ แล้วค่อยๆ เติมเบกกิ้งโซดาลงในสารละลายทีละน้อย คนด้วยช้อนจนหยุดฟองฟู่ก่อนจะเติมส่วนต่อไป เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์มากเกินไปจนล้นออกมาด้านข้างบีกเกอร์ ณ จุดนี้ โซเดียมอะซิเตตได้ก่อตัวขึ้นแล้ว
3. นำสารละลายไปต้มบนไฟร้อนปานกลางและให้ความร้อนต่อไปเพื่อให้น้ำระเหยและลดปริมาณลงจนกระทั่งผลึกโซเดียมอะซิเตตปรากฏขึ้นที่ขอบภาชนะ ณ จุดนี้ ควรมีปริมาณประมาณ 100-150 มล.
4. ณ จุดนี้ เติมน้ำเล็กน้อย (ประมาณ 5 มล. ก็เพียงพอแล้ว) และให้ความร้อนต่อไปจนกว่าของแข็งทั้งหมดจะละลายหมด
5. ถ่ายโอนสารละลายร้อนไปยังภาชนะแก้วที่สองอย่างระมัดระวัง หากมีผลึกเกิดขึ้นระหว่างการถ่ายโอน ให้อุ่นภาชนะในอ่างน้ำเดือดจนละลาย หากยังเกิดผลึกอยู่ ให้เติมน้ำปริมาณเล็กน้อยอีกครั้งและให้ความร้อนนานขึ้นอีกเล็กน้อย สิ่งสำคัญคือต้องไม่มีผลึกเดี่ยวในสารละลายนี้ก่อนขั้นตอนต่อไป
6. ปิดฝาภาชนะที่บรรจุสารละลายด้วยแรปพลาสติกแล้ววางไว้ในตู้เย็น หลีกเลี่ยงการกระแทกหรือจับภาชนะแรงๆ

การทดลองน้ำแข็งร้อน

สารละลายเย็นที่ได้จึงเป็นสารละลายโซเดียมอะซิเตตที่มีความอิ่มตัวสูงซึ่งจะตกผลึกอย่างรวดเร็วหลังจากการรบกวนใดๆ ก่อตัวเป็นก้อนผลึกร้อนที่มีลักษณะคล้ายกับน้ำแข็ง

• คุณสามารถทดลองใช้โซลูชันนี้ได้หลายวิธี ลองเติมคริสตัลเล็กๆ ลงบนพื้นผิว แล้วคุณจะเห็นว่าคริสตัลเติบโตในทุกทิศทางกลายเป็นเข็มที่สวยงามได้อย่างไร
• คุณยังสามารถถ่ายโอนสารละลายจำนวนเล็กน้อยไปยังจานเพาะเชื้อและภาชนะแก้วทรงตื้นอีกอันหนึ่งและผลึกเมล็ดที่ปลายทั้งสองเพื่อดูว่าชนิดใดเติบโตเร็วกว่ากัน
• ในที่สุด หลายคนสนุกกับการค่อยๆ เทสารละลายลงบนคริสตัลกำมือเล็กๆ บนพื้นผิวบางส่วน เมื่อสารละลายตกลงมา มันจะตกผลึกก่อตัวเป็นหินงอกในแนวดิ่งของโซเดียมอะซิเตต

คำอธิบายของการทดลองน้ำแข็งร้อน

การตกผลึกอย่างรวดเร็วของโซเดียมอะซิเตตนั้นเกิดจากการที่สารละลายเย็นที่เตรียมนั้นเป็นสารละลายเกลือที่มีความอิ่มตัวสูง ซึ่งหมายความว่ามีโซเดียมอะซิเตตละลายอยู่มากเกินกว่าที่น้ำจะละลายได้ที่อุณหภูมินั้น ซึ่งหมายความว่าสารละลายอยู่ในสถานะที่แพร่กระจายได้ซึ่งสามารถตกตะกอนได้ง่ายจากการรบกวนใดๆ ที่ก่อให้เกิดการก่อตัวของผลึกแรก หรือโดยการเพิ่มของผลึกบางชนิดที่ทำหน้าที่เป็นนิวเคลียสสำหรับการก่อตัวของผลึกใหม่

การรบกวนนี้อาจประกอบด้วยการตกผลึกเล็กๆ บนพื้นผิว การสัมผัสสารละลายด้วยนิ้ว หรือการขีดข่วนพื้นผิวของภาชนะด้วยอุปกรณ์โลหะ บางครั้งการตีภาชนะก็เพียงพอที่จะทำให้เกิดการตกผลึก

กระบวนการตกผลึกจะแพร่กระจายไปทั่วสารละลายทั้งหมดอย่างรวดเร็ว ความร้อนมาจากข้อเท็จจริงที่ว่าปฏิกิริยาทางเคมีของการตกผลึกเป็นแบบคายความร้อน กล่าวคือ จะปล่อยความร้อนออกมา

มาตรการรักษาความปลอดภัย

โชคดีที่ไม่มีสารเคมีที่ใช้ในการทดลองนี้เป็นพิษหรือเป็นอันตรายแต่อย่างใด โซเดียมอะซิเตตไม่ใช่สารประกอบอันตราย ในความเป็นจริงมันถูกใช้เป็นสารเติมแต่งในอุตสาหกรรมอาหาร

อย่างไรก็ตาม การทดลองจำเป็นต้องให้ความร้อนแก่สารละลายจนเดือดและจัดการสารละลายที่ร้อน ซึ่งก่อให้เกิดอันตรายจากการไหม้อย่างมาก ไม่ควรดำเนินการทดลองนี้โดยไม่มีผู้ใหญ่ดูแล และไม่สวมถุงมือกันความร้อนเพื่อป้องกันมือจากความร้อน

อ้างอิง

อะโมเคมี (น). โซดาไฟ: ลักษณะเฉพาะและข้อควรระวังคืออะไร อะโมเคมีคอล.คอม. https://www.amoquimicos.com/caracteristicas-de-la-soda-caustica

Chang, R., Manzo, Á. ร. โลเปซ PS และเฮอร์รานซ์ ZR (2020) เคมี ( ^{ครั้ง} ที่ 10 .). การศึกษาของ McGraw-Hill

ประสบการณ์ (2560, 7 กุมภาพันธ์). น้ำแข็งร้อนทันใจ . ยูทูบ. https://www.youtube.com/watch?v=ujuwKEZevfY

ส่วนลดห้องปฏิบัติการ (2564). โซเดียมอะซิเตต laboratoriumdiscounter.nl. https://www.laboratoriumdiscounter.nl/th/chemicals/az/n/sodic-acetate/

บทบรรณาธิการ CuídatePlus. (2563, 27 สิงหาคม). ไบคาร์บอเนต เทคแคร์พลัส. https://cuidateplus.marca.com/alimentacion/diccionario/bicarbonato.html

เซียร่า, บี. (2560, 7 กุมภาพันธ์). น้ำแข็งร้อนทันที – การทดลองที่น่าทึ่ง ประสบการณ์วิทยาศาสตร์ https://www.experciencia.com/hielo-caliente/