«Горячий лед» относится к популярной химической демонстрации, в которой раствор ацетата натрия, растворенный в воде и помещенный в морозильник, мгновенно затвердевает при выливании из его контейнера или когда в раствор выпадает монокристалл твердого ацетата натрия. Процесс затвердевания высвобождает тепло и, таким образом, приводит к образованию горячего льда. Преподаватели химии используют это, чтобы продемонстрировать феномен пересыщения или способность некоторых растворов содержать больше растворенного материала, чем обычно.
Ионные соединения
В химии термин «соединение» относится к материалу, состоящему из более чем одного химического элемента. Например, поваренная соль, также известная как хлорид натрия, содержит атомы натрия и хлора. Когда соединение содержит как металл, так и неметалл - как указано на периодической таблице элементов, химики ссылаются на соединение как на «ионное». Некоторые ионные соединения растворяются в воде, и в процессе растворения положительно заряженный металл, называемый катионом, отделяется от отрицательно заряженного неметалла, называемого анионом. Процесс осаждения представляет собой противоположность этому процессу; т. е. катион и анион объединяются для образования твердых растворов в растворе.
Растворимость
Химики описывают способность соединения растворяться в воде в качестве растворимости. По определению, соединение, присутствующее в меньшем количестве, представляет собой растворенное вещество, а соединение, присутствующее в большем количестве, представляет собой растворитель. В случае твердого растворения в жидкости жидкость обычно квалифицируется как растворитель. Как правило, химики заявляют о растворимости в единицах, таких как граммы на литр, что означает «граммы растворенного вещества, которые растворяются в 1 л растворителя» или «грамм на 100 мл». Насыщение происходит, когда максимальное количество растворенного вещества растворяется в данного количества растворителя. Некоторые соединения проявляют по своей природе более высокую растворимость, чем другие, но во всех случаях растворимость варьируется в зависимости от температуры. Как правило, чем выше температура, тем больше растворенного вещества растворяется в данном количестве растворителя. Процесс перенасыщения или «перенасыщающих» решений зависит от воздействия температуры.
перенасыщение
Явление пересыщения происходит, когда количество растворенного вещества, растворенного в данном количестве растворителя, превышает точку насыщения. Ученые не полностью понимают механизм перераспределения решений. Осаждение требует образования в растворе небольшого твердого кристаллита, процесса, называемого «зародышеобразование». После образования кристаллита второй процесс, известный как рост, увеличивает кристаллиты до макроскопического уровня, так что их можно наблюдать и выделять. Но рост не происходит без зарождения, и некоторые растворы при определенных условиях сопротивляются этому процессу. Нуклеация имеет тенденцию требовать «грубой» поверхности, на которой можно инициировать. Шероховатая поверхность может представлять собой примесь, такую как пылевые частицы, или царапины на внутренней стороне стеклянного контейнера, в котором находится раствор. Альтернативно, экспериментатор может инициировать зарождение нарочито, добавляя один маленький кристалл осаждаемого соединения. Следовательно, большинство инструкций для демонстрации горячего льда требуют добавления нескольких зерен твердого ацетата натрия к пересыщенному раствору для индуцирования кристаллизации.
Ацетат натрия
Ацетат натрия представляет собой ионное соединение, состоящее из катионов натрия, Na (+) и ацетатных ионов, C2H3O2 (-). Как и большинство ацетатов, он обладает высокой растворимостью в воде: 76 г растворяется в 100 мл при 0 ° С. Растворимость, однако, значительно возрастает при более высокой температуре. Демонстрация горячего льда требует создания насыщенного раствора ацетата натрия в горячей воде, а затем размещение раствора в морозильной камере. Когда раствор охлаждается и приближается к 0 ° С, концентрация ацетата натрия будет оставаться выше 76 г на 100 мл, то есть раствор будет перенасыщен.
Горячий лед
Осаждение твердого вещества из раствора приводит к уменьшению расстройства системы. То есть в растворе ионы свободно движутся в случайных направлениях и, следовательно, проявляют высокий беспорядок. Когда ионы объединяются для образования твердых кристаллитов, их свобода движения становится ограниченной. Ученые описывают это как уменьшение энтропии или расстройства системы. Законы термодинамики предусматривают, что для процесса, проявляющего уменьшение энтропии, происходить спонтанно, например, осаждение твердого вещества из раствора, этот процесс также должен выделять тепло. Следовательно, введение твердого кристаллита ацетата натрия будет нагреваться, когда ацетат натрия выпадает из раствора.
