КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ

LXXII Московская олимпиада школьников по химии

Заключительный этап        РХТУ        экспериментальный тур

КРИСТАЛЛОГИДРАТЫ

Выполнил   Панасенко Леонид Сергеевич

8 "Б", ГБОУ Школа №853

20 марта 2016 года

Москва

Содержание:

Введение------------------------------------------------------------------------------------------2

История изучения кристаллогидратов------------------------------------------------------3

Номенклатура кристаллогидратов-----------------------------------------------------------3

Классификация----------------------------------------------------------------------------------4

Химические свойства--------------------------------------------------------------------------5

Самые известные кристаллогидраты и их применение

         Гипс----------------------------------------------------------------------------------------5

         Купоросы---------------------------------------------------------------------------------7

                   Медный купорос-----------------------------------------------------------------8

                   Железный купорос-------------------------------------------------------------10

         Глауберова соль------------------------------------------------------------------------11

         Квасцы------------------------------------------------------------------------------------12

Источники информации----------------------------------------------------------------------13

Введение

         Большинство веществ, находящихся в кристаллическом состоянии, растворяются в жидкостях с поглощением теплоты. Однако при растворении в воде гидроксида натрия NaOH, карбоната калия CaCO3, безводного сульфата меди CuSO4 и многих других веществ происходит заметное повышение температуры (выделение тепла), свидетельствующее о взаимодействии растворимого вещества с растворителем.

         В настоящее время установлено, что при растворении многих веществ их молекулы (или ионы) связываются с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere — растворять); а сам процесс называется сольватацией. В случае, когда растворитель - вода, эти соединения называются гидратами, а сам процесс - гидратацией.

         Однако непосредственные химические связи между растворителем и растворимым веществом не образуются. Сольваты образуются в результате притяжения молекул растворителя к молекулам растворимого вещества, а не химической реакции. Поэтому многие гидраты очень нестойкие и разлагаются при попытке выделить их из раствора. Гидраты, выделенные из раствора в виде кристаллических веществ, называются кристаллогидратами.

История изучения кристаллогидратов

1828 г. шведский ученый Ф. Рюдбергер (Фредерик Рюдберг) доказал существование гидратов спирта.

1865 г. Предположение о существовании в водных растворах гидратов высказано и обосновано Д. И. Менделеевым. Он изучал взаимодействие спирта с водой и сделал вывод об образовании определенных соединений. Он считал, что растворение — не только физический, но и химический процесс, что вещества, растворяющиеся в воде, образуют с ней соединения

1880 г. Л. Пруст ввел понятие «гидраты» как особые соединения растворенного вещества с водой.

В 1889г. систематическое изучение кристаллогидратов началось с классических работ голландского химика Б. Розебома над кристаллогидратами CaCl2 и Fe2Cl6.

Номенклатура кристаллогидратов

Для кристаллогидратов как и для всех химических соединений существуют правила названий. Название кристаллогидрата строится из систематического названия соли и указывается количество молекул кристаллизационной воды входящих в формальную единицу. Рассмотрим конкретные примеры.

CuSO4• 5H2O – пентагидрат сульфата меди;

Na2CO3• 10H2O – декагидрат карбоната натрия;

AlCl3• 6H2O – гексагидрат хлорида алюминия.

Однако рассмотренный способ названия кристаллогидратов довольно упрощенный. Если нам известна структура образуемого соединения, то мы можем его назвать более конкретно, при этом указав в какой форме вода находится в данном соединении и с какими ионами она связанна. Исследование строения кристаллов CuSO4• 5H2O показало, что в его формульной единице четыре молекулы воды связаны с атомом меди, а пятая – с сульфатными ионами. Таким образом, формула этого вещества – [Cu(H2O)4]SO4• H2O, имеет название моногидрат сульфата тетрааквамеди (II) (см. рис.).

Аналогичное строение имеет соединение [Fe(H2O)6]SO4• H2O – моногидрат сульфата гексаакважелеза(II).

Другие примеры:

[Ca(H2O)6]Cl2 – хлорид гексааквакальция;

[Mg(H2O)6]Cl2 – хлорид гексааквамагния.

Однако часто нам не нужно применять систематическую номенклатуру, а можно воспользоваться тривиальными названиями веществ. Так CuSO4 • 5H2O – медный купорос, Na2CO3• 10H2O – «кристаллическая» сода, CaSO4·2H2O ­­­­­­ – гипс, CaSO4• 0,5H2O – алебастр.

Классификация

Классификацию кристаллогидратов можно вести по различным критериям:

1) По количеству молекул воды входящих в формульную единицу кристаллогидрата

Существует кристаллогидраты, в которых на одну молекулу или частицу гидратированного вещества приходится 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,12 молекул воды.

Но наиболее распространенными являются кристаллогидраты с 1,2,4,6,8 молекулами воды.

Для многих веществ известны кристаллогидраты различного состава.

- MgCl2∙ nH2O где n= 2,4,6,8,12.

- CaCl2∙ nH2O где n= 1,2,4,6,8.

- NaOH∙ nH2O где n=1,2,3,4,6,8.

2) По агрегатному состоянию гидратообразователя при н.у.

Твердое (соли)

Газ (Н2 S, Аг, Хе, SО2)

Жидкость (серная кислота, этиловый спирт)

3) Класс соединений

Кислоты (H2SO4.H2O)

Основания (NaOH.H2O)

Соли (ZnSO4•7H2O,MnSO4•7H2O)

Химические свойства кристаллогидратов

Основным свойством кристаллогидратов является их изменение при нагревании до определенных температур.

Так, медный купорос CuSO4·5H2O (синий) выше 105 °C переходит в тригидрат CuSO4·3H2O (голубой), при 150 °C в моногидрат CuSO4·H2O (белый); полное обезвоживание происходит выше 250 °C. Однако некоторые соединения (например, BeC2O4·H2O) устойчивы только в форме кристаллогидрата и не могут быть обезвожены без разложения. Причем в зависимости от количества воды меняется и растворимость кристаллогидрата.

Также кристаллогидраты обладают различными свойствами в зависимости от солей, из которых состоят.

Самые известные кристаллогидраты и их применение

                                                             Гипс       

         Гипс — минерал из класса сульфатов, по составу CaSO4·2H2O.                 Волокнистая разновидность гипса называется селенитом, а зернистая — алебастром (CaSO4·0,5H2O). Цвет белый, серый, иногда красноватый, при наличии примесей имеет серую, желтоватую, розоватую, бурую окраску.

Гипс и его разновидности используются во многих сферах жизни.

Волокнистый гипс (селенит) используют для недорогих ювелирных изделий. Из алебастра издревле вытачивали крупные ювелирные изделия — предметы интерьера (вазы, столешницы, чернильницы и т. д.). В «сыром» виде используется как удобрение и в целлюлозно-бумажной промышленности, в химической для получения красок, эмали, глазури. Обожжённый гипс применяют для отливок и слепков (барельефы, карнизы и т. д.), как вяжущий материал в строительном деле, в медицине.

            

Сегодня минерал «гипс» — это в основном сырье для производства α-гипса и β-гипса. β-гипс (CaSO4·0,5H2O) — порошкообразный вяжущий материал, получаемый путём термической обработки природного двухводного гипса CaSO4·2H2O при температуре 150—180 градусов в аппаратах, сообщающихся с атмосферой.

         CaSO4·2H2O = CaSO4·0,5H2O + 1,5 H2O     и наоборот.

Продукт измельчения гипса β-модификации в тонкий порошок называется строительным гипсом или алебастром, при более тонком помоле получают формовочный гипс или, при использовании сырья повышенной чистоты, медицинский гипс.

         При низкотемпературной (95-100 °C) тепловой обработке в герметически закрытых аппаратах образуется гипс α-модификации, продукт измельчения которого называется высокопрочным гипсом.

         В смеси с водой α и β-гипс твердеет, превращаясь снова в двуводный гипс, с выделением тепла и незначительным увеличением объема (приблизительно на 1 %), однако такой вторичный гипсовый камень имеет уже равномерную мелкокристаллическую структуру, цвет различных оттенков белого (в зависимости от сырья), непрозрачный и микропористый. Эти свойства гипса находят применение в различных сферах деятельности человека.

По ГОСТ 125-79 в зависимости от сроков схватывания различаются виды гипса:

1) быстротвердеющий — начало схватывания не ранее 2 мин., конец — не позднее 15 мин.;

2) нормальнотвердеющий — начало схватывания не ранее 6 мин., конец — не позднее 30 мин.;

3) медленнотвердеющий — начало схватывания не ранее 20 мин., конец — не нормируется.

                 

селенит:                                                                        
     минерал гипс:

     

Купоросы

Купоро́с (фр. couperose) — общее название кристаллогидратов сульфатов некоторых двухвалентных металлов. В прошлом (XIX — начало XX века) на территории России купоросом часто называли серную кислоту.

В промышленности, сельском хозяйстве, медицине широко применяются следующие купоросы:

- ванадиевый купорос (VSO4·7H2O);

- железный купорос (FeSO4·7H2O);

- кобальтовый купорос ­(CoSO4·7H2O);

- медный купорос ­(CuSO4·5H2O);

- никелевый купорос ­(NiSO4·7H2O);

- свинцовый купорос (PbSO4);

- хромовый купорос (CrSO4·7H2O);

- цинковый купорос (ZnSO4·7H2O);

- марганцевый купорос ­(MnSO4·5H2O)

Но самые известные из них - медный и железный купоросы.

Медный купорос

Медный купорос - очень распространенное соединение, вещество негорючее, пожаро- и взрывобезопасное.

Применяется во многих сферах жизни.

Химическая формула - CuSO4•5H2O        

Реакция гидратации безводного сульфата меди(II) экзотермическая и проходит со значительным выделением тепла - получается медный купорос:

            CuSO4 + 5H2O = CuSO4•5H2O

В природе медный купорос и его разновидости встречаются в виде минералов (на рис. слева направо) халькантита (CuSO4•5H2O), бонаттита (CuSO4•3H2O), бутита (CuSO4•7H2O) и в составе других минералов.

            Сульфат меди (II) на производстве получают разными способами:

- путём растворения меди и медных отходов в серной кислоте;

- сульфатизирующий обжиг сульфитов меди;

            2CuSO3 + O2 = 2CuSO4

- при растворении в серной кислоте оксида меди;

            CuO + H2SO4 = CuSO4 + H2O

А сам медный купорос получают гидратацией полученного сульфата меди (II)

            Области применения:

- металлургическая промышленность (гальваническая окраска медью);

- никелирование (в роли электролита);

- для получения некоторых химических соединений в ряде случаев служит исходным сырьём;

- в лабораториях для проведения опытов;

- строительство, ремонтные работы – для ликвидации плесени, пятен ржавчины, для нейтрализации последствий разных протечек;

- пищевая промышленность – как консервант, идущий под названием «E519»;

- в медицине были выявлены антисептические, прижигающие, вяжущие свойства;

- животноводство (в качестве минеральных добавок в комбикорм);

- садоводство и сельское хозяйство.

Железный купорос

Железный купорос - прозрачные кристаллы светлого голубовато-зелёного цвета. В природе встречается в виде минерала мелантерит.

Формула - FeSO4·7Н2О

Кристаллы железного купороса быстро выветриваются, весьма неустойчивы, растворимы в воде. При нагревании, входящая в состав железного купороса вода испаряется, в следствии чего кристалл превращается в порошок белого цвета. Кристаллы дольше сохраняются в закрытой пробирке без доступа воздуха.

Сульфат железа(II) можно приготовить действием разбавленной серной кислоты на железный лом, обрезки кровельного железа и т. д. В промышленности его получают как побочный продукт при травлении железных листов, проволоки, удалении окалины и др. разбавленной H2SO4.

Другой способ — окислительный обжиг пирита (FeS2):

А сам железный купорос можно получить путем гидратации полученного сульфата железа(II).

            Железный купорос применяется:

1) в садоводстве и в сельском хозяйстве;

2) в красильной промышленности;

3) в химической промышленности.

Глауберова соль

Глауберова соль (мирабилит) — Na2SO4 · 10H2O, декагидрат сульфата натрия. Впервые обнаружена химиком И. Р. Глаубером в составе минеральных вод, а впоследствии синтезирована действием серной кислоты на хлорид натрия.

Представляет собой большие прозрачные кристаллы в форме призм.

При длительном нахождении на воздухе или нагревании выветривается (выпаривается) и теряет массу. При полном выветривании становится обычным сульфатом натрия — порошком белого цвета. Кроме самой десятиводной глауберовой соли известны ромбические кристаллы семиводного кристаллогидрата Na2SO4 · 7H2O и одноводная соль Na2SO4 · H2O.

Природный минерал глауберовой соли называется мирабилит. Его плотность составляет всего 1,49 г/см³, что делает его одним из самых лёгких минералов.

Мирабилит был обнаружен:

- Залежи порядка 100 млн тонн мирабилита обнаружены близ провинции Саскачеван в центральной части Канады.

- В 30 км от г. Тбилиси. Эти залежи представляли собой высохшее солёное озеро площадью около 55 тыс. м² и толщиной в 5м.

- Также содержится в озере Кучук в Западной Сибири, в соляных озёрах Томской области.

В других месторождениях, например, в Калифорнии (США), Сицилии, Германии, в Большом Малиновском озере (Астраханская область), мирабилит встречается с примесями других минералов — астраханита Na2Mg(SO4)2 · 4H2O, левеита Na2Mg(SO4)2 · 2,5H2O, вантгоффита Na6Mg(SO4)4, глауберита Na2Ca(SO4)2, глазерита Na2K6(SO4)4.

В растворённом виде глауберова соль в значительном количестве присутствует в морской воде и во многих минеральных водах. Карловарская соль, получаемая из минеральных вод Карловых Вар, на 44 % состоит из сульфата натрия (глауберовой соли), на 36 % из гидрокарбоната натрия (пищевой соды), на 18 % из хлорида натрия (поваренной соли) и на 2 % из сульфата калия.

Применяется в медицине в качестве слабительного.

Квасцы

Квасцы́ — двойные соли, кристаллогидраты сульфатов трёх- и одновалентных металлов общей формулы M2SO4 M2(SO4)3·24H2O (другая запись MM(SO4)2·12H2O), где M — один из щелочных металлов (литий, натрий, калий, рубидий или цезий), а M— один из трёхвалентных металлов (обычно алюминий, хром или железо(III)). Известны также селенатные квасцы аналогичного состава MM (SeO4)2·12H2O, в которых сульфат-ион заменён ионом селената.

 Квасцы с давних пор используются в качестве протравы при крашении шерстяных и хлопчатобумажных пряжи и тканей. Также квасцы используются как дубящее средство в кожевенной промышленности при квасцевании, в фотопромышленности (для фотоэмульсий на желатиновой основе) и в медицине как вяжущее, прижигающее и кровоостанавливающее средство («квасцовый карандаш»). В 20 веке жженные квасцы использовались в качестве кровеостанавливающего вещества после бритья.

Список квасцов:

- Алюмоаммонийные квасцы (Е523) — AlNH4(SO4)2 · 12H2O.

- Алюмокалиевые квасцы (Е522) — KAl(SO4)2 · 12H2O. Бесцветные кристаллы, применяется при очистке воды, для дубления кожи, при изготовлении огнестойких тканей, а также как разрыхлитель при выпечке хлебо-булочных изделий.

- Алюмонатриевые квасцы (Е521) — NaAl(SO4)2 · 12H2O.

- Алюморубидиевые квасцы — RbAl(SO4)2 · 12H2O.

- Алюмоцезиевые квасцы — CsAl(SO4)2 · 12H2O.

- Железоаммонийные квасцы — FeNH4(SO4)2 · 12H2О

- Железокалиевые квасцы — KFe(SO4)2 · 12H2O

- Хромокалиевые квасцы — KCr(SO4)2 · 12H2O. Тёмно-фиолетовые, просвечивающие рубиново-красным цветом октаэдрические кристаллы. Применяются при кустарной выделке меха в качестве дубителя.

Источники информации

Кристаллогидраты - http://www.wikiznanie.ru/wikipedia/index.php/Кристаллогидраты

Гидраты и кристаллогидраты - http://alnam.ru/book_chem.php?id=73

Железный купорос - http://kristallov.net/sulfe.html

https://ru.wikipedia.org

Применение медного купороса - http://mirsovetov.ru/a/housing/plants/application-copper-sulfate.html

Каталог минералов - http://www.catalogmineralov.ru/mineral/gypsum.html -

Методика изучения кристаллогидратов в школьном курсе химии - http://www.eduneed.ru/eded-609.html

Кристаллогидраты. Энциклопедический словарь Ф.А. Брокгауза и И.А. Ефрона.

http://fb.ru