«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 при попадании в раствор монокристалла твердого ацетата натрия. Процесс затвердевания выделяет тепло и, таким образом, создает видимость образования горячего льда. Преподаватели химии используют это, чтобы продемонстрировать явление перенасыщения 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 в периодической таблице элементов - химики называют это соединение "ионным". 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 противоположность этому процессу; катион и анион объединяются в твердые кристаллы в растворе.
Растворимость
Химики описывают способность соединения растворяться в воде как растворимость. По определению, соединение, присутствующее в меньшем количестве, представляет собой растворенное вещество, а соединение, присутствующее в большем количестве, представляет собой растворитель. В случае растворения твердого вещества в жидкости, жидкость обычно считается растворителем. Как правило, химики заявляют о растворимости в единицах, таких как грамм на литр, что означает «грамм растворенного вещества, которое растворяется в 1 л растворителя» или «грамм на 100 мл». Насыщение происходит, когда максимальное количество растворенного вещества растворяется в данном количестве растворителя. Некоторые соединения обладают изначально более высокой растворимостью, чем другие, но во всех случаях растворимость меняется в зависимости от температуры. Как правило, чем выше температура, тем больше растворенного вещества будет растворяться в данном количестве растворителя. Процесс перенасыщения или «перенасыщения» растворов зависит от манипулирования температурой.
перенасыщение
Явление перенасыщения возникает, когда количество растворенного вещества, растворенного в данном количестве растворителя, превышает точку насыщения. Ученые не до конца понимают механизм, по которому растворы становятся перенасыщенными. Осаждение требует образования небольшого твердого кристаллита в растворе, процесс, называемый «зарождение». После образования кристаллитов второй процесс, известный как рост, увеличивает кристаллиты до макроскопического уровня, так что их можно наблюдать и выделять. Но рост не происходит без зародышеобразования, и некоторые растворенные вещества при определенных условиях противостоят этому процессу. Нуклеация имеет тенденцию требовать «шероховатой» поверхности для начала. Шероховатая поверхность может быть примесью, такой как частицы пыли, или царапиной на внутренней стороне стеклянного контейнера, в котором находится раствор. Альтернативно, экспериментатор может инициировать зародышеобразование преднамеренно, добавляя один маленький кристалл осаждаемого соединения. Следовательно, большинство инструкций для демонстрации горячего льда требуют добавления нескольких зерен твердого ацетата натрия в пересыщенный раствор, чтобы вызвать кристаллизацию.
Ацетат натрия
Ацетат натрия представляет собой ионное соединение, состоящее из катионов натрия Na (+) и ацетат-ионов C2H3O2 (-). Как и большинство ацетатов, он проявляет высокую растворимость в воде: 76 г растворяется в 100 мл при 0 ° C. Однако растворимость существенно возрастает при более высокой температуре. Демонстрация горячего льда требует создания насыщенного раствора ацетата натрия в горячей воде, а затем помещения раствора в морозильную камеру. Когда раствор остывает и приближается к 0 ° C, концентрация ацетата натрия будет оставаться выше 76 г на 100 мл, т.е. раствор будет перенасыщен.
Горячий лед
Осаждение твердого вещества из раствора приводит к уменьшению беспорядка системы. То есть в растворе ионы свободно перемещаются в случайных направлениях и поэтому имеют большой беспорядок. Когда ионы объединяются, чтобы сформировать твердые кристаллиты, их свобода движения становится ограниченной. Ученые описывают это как уменьшение энтропии или расстройства системы. Законы термодинамики предусматривают, что для того, чтобы процесс, демонстрирующий уменьшение энтропии, происходил самопроизвольно, такой как осаждение твердого вещества из раствора, процесс также должен выделять тепло. Следовательно, введение твердого кристаллита ацетата натрия будет нагреваться, когда ацетат натрия осаждается из раствора.
