Кристаллогидраты

8 заданий

Вода в кристалле

Кристаллогидраты — кристаллические вещества, содержащие молекулы воды. К ним относятся медный купорос \(\ce{CuSO4*5H2O}\), железный купорос \(\ce{FeSO4*7H2O}\), английская соль \(\ce{MgSO4*7H2O}\), кристаллическая сода \(\ce{Na2CO3*10H2O}\) и квасцы \(\ce{KAl(SO4)2*12H2O}\). Входящую в их состав воду называют кристаллизационной водой. Её молекулы занимают определённые места в кристаллической решётке и часто координируют ионы металла. Например, в медном купоросе четыре молекулы воды окружают ион меди, а пятая связана водородными связями. Это строение точнее отражает формула \(\ce{[Cu(H2O)4]SO4*H2O}\).

При приготовлении раствора из кристаллогидрата нужно учитывать и массу соли, и массу кристаллизационной воды. Масса взятого кристаллогидрата не равна массе содержащейся в нём безводной соли, а после растворения кристаллизационная вода входит в состав растворителя.

edit_noteРаствор из кристаллогидрата

Нужно приготовить 200 г 8,0 %-го раствора \(\ce{CuSO4}\). Для этого требуется 16,0 г безводной соли, что соответствует \(16{,}0\cdot249{,}7/159{,}6 = 25{,}0\) г медного купороса. Поэтому к кристаллогидрату добавляют \(200 - 25{,}0 = 175\) г воды, а не 184 г: часть воды уже содержится в кристаллогидрате.

Кристаллогидраты различаются и по поведению на воздухе. Кристаллическая сода выветривается, то есть теряет часть кристаллизационной воды и покрывается белым налётом. Хлорид кальция и нитрат аммония, напротив, расплываются: они поглощают влагу из воздуха и могут растекаться. Благодаря способности поглощать воду безводный \(\ce{CaCl2}\) служит осушителем.

scienceПревращения кристаллогидратов

\(\ce{Na2CO3*10H2O -> Na2CO3*H2O + 9H2O}\) — при выветривании кристаллическая сода теряет часть воды.
\(\ce{2(CaSO4*2H2O) ->[120-130^\circ C] 2(CaSO4*0.5H2O) + 3H2O}\) — при нагревании гипс превращается в алебастр.
\(\ce{2(CaSO4*0.5H2O) + 3H2O -> 2(CaSO4*2H2O)}\) — при взаимодействии с водой алебастр снова превращается в гипс и твердеет; это свойство используют для изготовления гипсовых повязок и лепнины.
\(\ce{CaCl2 + 6H2O -> CaCl2*6H2O}\) — безводный хлорид кальция поглощает воду с образованием кристаллогидрата.

auto_awesomeПарижский гипс и гипсовая повязка

По-английски алебастр называют plaster of Paris: вокруг Парижа, на Монмартре, веками добывали гипс и обжигали его. В 1850-х годах голландский военный хирург Антониус Матейсен стал пропитывать бинты алебастром. Так появилась гипсовая повязка, заменившая шины из дерева и картона.

Обезвоживание с гидролизом

При нагревании кристаллогидрат не всегда превращается в безводную соль. Катионы с высокой плотностью заряда (маленькие и многозарядные), например \(\ce{Mg^2+}\), \(\ce{Al^3+}\) и \(\ce{Fe^3+}\), сильно поляризуют координированные молекулы воды. В результате при нагревании может происходить гидролиз: молекула воды отдаёт протон аниону, и (в случае хлоридов) наряду с водой выделяется хлороводород. Поэтому состав твёрдого продукта отличается от состава исходной соли.

scienceГидролиз при нагревании

\(\ce{MgCl2*6H2O ->[t] Mg(OH)Cl + HCl ^ + 5H2O}\) — при нагревании гидрата образуется гидроксохлорид магния; при дальнейшем нагревании он разлагается по реакции \(\ce{Mg(OH)Cl ->[t] MgO + HCl ^}\).
\(\ce{2(AlCl3*6H2O) ->[t] Al2O3 + 6HCl ^ + 9H2O}\) — при нагревании гидрата хлорида алюминия образуется оксид, а не безводный хлорид.
\(\ce{2(FeCl3*6H2O) ->[t] Fe2O3 + 6HCl ^ + 9H2O}\) — при нагревании гидрата хлорида железа(III) также образуется оксид.
\(\ce{MgCl2*6H2O ->[t,\ \text{ток HCl}] MgCl2 + 6H2O}\) — в токе хлороводорода гидролиз подавляется, поэтому образуется безводный хлорид магния.
\(\ce{CuSO4*5H2O ->[250^\circ C] CuSO4 + 5H2O}\) — сульфат меди теряет воду без гидролиза, поскольку сульфат-ион слабо основен.

Следовательно, безводные хлориды магния, алюминия, железа(III) и цинка не получают простым нагреванием их гидратов. Для их получения используют прямой синтез, например \(\ce{2Al + 3Cl2 -> 2AlCl3}\), хлорирование смеси оксида с углём, обезвоживание в токе \(\ce{HCl}\) или обработку тионилхлоридом (\(\ce{SOCl2}\)).

history_eduМагний из морской воды

Магний получают электролизом расплава безводного \(\ce{MgCl2}\). Когда в 1941 году компания Dow Chemical начала добывать магний из морской воды в Техасе, одной из главных технических задач стало обезвоживание хлорида магния без гидролиза. Для этого гидрат сушили в токе хлороводорода. Полученный магний использовали для авиационных сплавов и зажигательных бомб Второй мировой войны.

push_pinГлавное

Кристаллогидрат содержит кристаллизационную воду, поэтому при приготовлении раствора с заданной массовой долей безводной соли массу гидрата рассчитывают как \(m_\text{а}\cdot M_\text{гидр}/M_\text{а}\), а его воду учитывают в составе растворителя. На воздухе кристаллическая сода выветривается (\(\ce{Na2CO3*10H2O}\)), тогда как хлорид кальция расплывается (\(\ce{CaCl2*6H2O}\)). При 120–130 °C гипс теряет ¾ воды и превращается в алебастр, который при добавлении воды снова твердеет. Гидраты хлоридов магния, алюминия и железа при обычном нагревании гидролизуются, поэтому получить таким способом безводные соли нельзя.

Закрепите теорию: 8 заданий с проверкой и подсказками, урок зачитывается от 70 %.