הסבר על סודיום אצטט וקרח חם

“קרח חם” מתייחס הפגנה כימית פופולרי שבו פתרון של נתרן אצטט מומס במים והניח בתוך מקפיא מיד מתקשה כאשר נשפך מכל שלה או כאשר גביש בודד של אצטט נתרן מוצק הוא ירד לתוך הפתרון. תהליך ההתמצקות משחרר חום ובכך נותן את המראה של היווצרות של קרח חם. מדריכי כימיה להשתמש זה כדי להדגים את תופעת supersaturation, או את היכולת של כמה פתרונות כדי להכיל חומר מומס יותר ממה שהם צריכים בדרך כלל.

תרכובות יוניות

בכימיה, המונח “תרכובת” מתייחס לחומר המורכב ביותר מאלמנט כימי אחד. לדוגמה, מלח שולחן, הידוע גם בשם נתרן כלורי, מכיל אטומי נתרן וכלור. כאשר המתחם מכיל גם מתכת וגם אל-מטאל – כפי שמבדיל את הטבלה המחזורית של האלמנטים – כימאים מתייחסים למתחם כ”יוני “. כמה תרכובות יוניות מתמוססות במים, ובמהלך תהליך המסה המתכת הטעונה, הנקראת קטיון, נפרדת מן הלא-מטען שלילי, הנקרא אניון. תהליך המשקעים מייצג את ההפך של תהליך זה, כלומר, קטיון ו אניון לשלב ליצירת גבישים מוצקים בפתרון.

מְסִיסוּת

כימאים מתארים את היכולת של תרכובת להתמוסס במים כמו מסיסות. על פי ההגדרה, המתחם הנוכחי בכמות פחותה מייצג את המומס, ואת המתחם הנוכחי בכמות גדולה מייצג את הממס. במקרה של ממיסים מוצקים בנוזל, הנוזל בדרך כלל זכאי כממס. בדרך כלל, כימאים המדינה מסיסות ביחידות, כגון גרם לליטר, כלומר “גרם של מומס כי יתמוסס 1 ליטר של ממס”, או “גרם לכל 100 מ”ל”. הרוויה מתרחשת כאשר כמות מקסימלית של מומס יש מומס ב כמות נתון של ממס. תרכובות מסוימות מציגות מסיסות גבוהה יותר מאשר אחרות, אבל בכל המקרים המסיסות משתנה עם טמפרטורה. בדרך כלל, ככל שהטמפרטורה גבוהה יותר, כך המומס יתמוסס יותר בכמות נתונה של ממס. תהליך של oversaturating, או “supersaturating” פתרונות תלוי על מניפולציה של הטמפרטורה.

ספיגה

התופעה של supersaturation מתרחשת כאשר כמות המומס מומס בכמות נתונה של הממס עולה על נקודת הרוויה. מדענים אינם מבינים את המנגנון שבאמצעותו פתרונות הופכים לרוויה. רטיבות דורשת היווצרות של גביש מוצק קטן בתמיסה, תהליך הנקרא “נוקלאציה”. לאחר הצורות הגבישיות, תהליך שני, המכונה צמיחה, מגדיל את הגבישים לרמה המאקרוסקופית כך שניתן יהיה לצפות בהם ולבודד אותם. אבל הצמיחה אינה מתרחשת ללא נוקליאציה, וכמה מומסים בתנאים מסוימים מתנגדים לתהליך זה. נוקלאציה נוטה לדרוש משטח “מחוספס” שבו ניתן ליזום. משטח מחוספס עשוי להיות טומאה, כגון חלקיקי אבק, או שריטה על הפנים של מיכל זכוכית שבו הפתרון נמצא. לחלופין, הנסיין יכול ליזום נוקלאציה בכוונה על ידי הוספת יחיד, גביש קטן של המתחם להיות זירז. כתוצאה מכך, רוב ההוראות עבור הדגמה קרח חם לקרוא להוספת כמה גרגרי מוצק אצטט אצטט לפתרון רווי כדי לגרום התגבשות.

סודיום אצטט

סודיום אצטט הוא תרכובת יונית המורכבת מנתוני קטיון, Na (+), ויונים אצטט, C2H3O2 (-). כמו רוב אצטט, הוא מציג מסיסות גבוהה במים: 76 גרם מתמוסס ב 100 מ”ל ב 0 מעלות C. מסיסות, לעומת זאת, עולה באופן משמעותי בטמפרטורה גבוהה. הדגמה קרח חם קורא ליצירת פתרון רווי של אצטט נתרן במים חמים, ולאחר מכן הצבת הפתרון במקפיא. כאשר הפתרון מתקרר ומתקרבת 0 מעלות צלסיוס, הריכוז של אצטט נתרן יישאר מעל 76 גרם לכל 100 מ”ל, כלומר, הפתרון יהיה רווי.

קרח חם

משקעים של מוצק מן הפתרון גורם לירידה בהפרעה של המערכת. כלומר, בפתרון יונים לנוע בחופשיות בכיוונים אקראיים ולכן להפגין הפרעה גבוהה. כאשר היונים לשלב כדי ליצור גבישי מוצק, חופש התנועה שלהם הופך מוגבל. מדענים מתארים זאת כירידה באנטרופיה, או בהפרעה של המערכת. חוקי התרמודינמיקה קובעים כי לתהליך המציג ירידה באנטרופיה להתרחש באופן ספונטני, כמו משקעים של מוצק מפתרון, התהליך צריך גם לשחרר חום. כתוצאה מכך, את ההקדמה של גביש מוצק של אצטט אצטט יחמם את עצמו כמו נתרן אצטט משקעים מן הפתרון.