En förklaring av natriumacetat och het is

"Hot is" refererar till en populär kemisk demonstration, i vilken en lösning av natriumacetat löst i vatten och placerad i frysen stelnar omedelbart när den hälls från dess behållare eller när en enkelkristall av fast natriumacetat släpps in i lösningen. Stärkningsförfarandet släpper ut värme och ger sålunda bildandet av varm is. Keminstruktörer använder detta för att visa fenomenet övermättnad, eller förmågan hos vissa lösningar att innehålla mer upplöst material än vad de normalt borde.

Gör "het is" från natriumacetat upplöst i vatten, fryst sedan. (Bild: Unclepodger / iStock / Getty Images)

Joniska föreningar

I kemi avser termen "förening" ett material bestående av mer än ett kemiskt element. Bordsalt, även känt som natriumklorid, innehåller till exempel natrium- och kloratomer. När föreningen innehåller både en metall och en nonmetal - så distinkt på elementets periodiska tabell - refererar kemikerna till föreningen som "jonisk". Vissa joniska föreningar löses upp i vatten och under upplösningsprocessen laddas den positivt laddade metallen, kallas en katjon, skiljer sig från den negativt laddade nonmetalen, kallad en anjon. Utfällningsprocessen representerar motsatsen till denna process; det vill säga, katjonen och anjonen kombineras för att bilda fasta kristaller i lösningen.

löslighet

Kemister beskriver förmågan hos en förening att lösa upp i vatten som löslighet. Per definition representerar föreningen som är närvarande i mindre kvantitet lösningsmedlet, och föreningen närvarande i större mängd representerar lösningsmedlet. I fallet med en fast upplösning i en vätska kvalificeras vätskan vanligtvis som lösningsmedlet. I allmänhet anger kemiker lösligheten i enheter, såsom gram per liter, vilket betyder "gram av lösningsmedel som kommer att lösas i 1 liter lösningsmedel" eller "gram per 100 ml". Mättnad uppträder när den maximala mängden lösta har upplösts i en given mängd lösningsmedel. Vissa föreningar uppvisar i sig högre löslighet än andra, men i alla fall varierar lösligheten med temperaturen. I allmänhet, desto högre temperatur kommer lösaren att lösas upp i en viss mängd lösningsmedel. Processen med övermättnad, eller "övermättnad" lösningar hänger på temperaturmanipulationen.

mättnad

Fenomenet övermättnad uppträder när mängden lösta lösning upplöst i en given mängd lösningsmedel överskrider mättnadspunkten. Forskare förstår inte helt mekanismen genom vilken lösningar blir övermättade. Utfällning kräver bildning av en liten fast kristallit i lösningen, en process som kallas "kärnbildning". Efter kristallitformerna förstärker en andra process, känd som tillväxt, kristalliterna till den makroskopiska nivån så att de kan observeras och isoleras. Men tillväxt sker inte utan kärnbildning, och vissa lösta ämnen under vissa förhållanden motstår denna process. Nukleation tenderar att kräva en "grov" yta för att initiera. Den grova ytan kan vara en orenhet, såsom dammpartiklar, eller en rep på insidan av glasbehållaren, i vilken lösningen finns. Alternativt kan en experimentator initiera kärnbildning medvetet genom tillsats av en enda liten kristall av föreningen som utfälles. Följaktligen uppmanar de flesta instruktionerna för hotis-demonstrationen att tillsätta några korn av fast natriumacetat till den övermättade lösningen för att inducera kristallisation.

Natriumacetat

Natriumacetat är en jonisk förening bestående av natriumkatjoner, Na (+) och acetatjoner, C2H3O2 (-). Liksom de flesta acetater uppvisar den hög löslighet i vatten: 76 g löses i 100 ml vid 0 ° C. Lösligheten ökar emellertid väsentligt vid högre temperatur. Hotis-demonstrationen kräver att man skapar en mättad lösning av natriumacetat i varmt vatten och sedan placerar lösningen i en frys. När lösningen svalnar och närmar sig 0 grader C, kommer koncentrationen av natriumacetat att förbli över 76 g per 100 ml, dvs lösningen kommer att vara övermättad.

Varm is

Utfällningen av ett fast ämne från en lösning resulterar i minskning av systemets störning. Det vill säga i lösningen rör sig joner fritt i slumpmässiga riktningar och uppvisar därför hög störning. När joner kombineras för att bilda fasta kristalliter, begränsas deras rörelsefrihet. Forskare beskriver detta som en minskning av entropin eller störningen i systemet. Termodynamikens lagar föreskriver att för en process som uppvisar en minskning av entropi att ske spontant, såsom utfällning av ett fast ämne från en lösning, måste processen också frigöra värme. Följaktligen värms införandet av en fast kristallit av natriumacetat själv när natriumacetatet utfälles från lösning.