"Varm is" henviser til en populær kemisk demonstration, hvor en opløsning af natriumacetat opløst i vand og anbragt i en fryser øjeblikkeligt størkner, når den hældes fra dens beholder, eller når en enkelt krystal fast natriumacetat falder ned i opløsningen. Størkningsprocessen frigiver varme og giver således udseendet af dannelsen af varm is. Kemiinstruktører bruger dette til at demonstrere fænomenet overmættelse eller evnen hos nogle løsninger til at indeholde mere opløst materiale end de normalt burde.
Ioniske forbindelser
I kemi henviser udtrykket "forbindelse" til et materiale, der består af mere end et kemisk element. For eksempel indeholder bordsalt, også kendt som natriumchlorid, natrium- og kloratomer. Når forbindelsen indeholder både et metal og et ikke-metal - som adskilt på elementernes periodiske tabel - henviser kemikere til forbindelsen som "ionisk". Nogle ioniske forbindelser opløses i vand, og under opløsningsprocessen adskiller det positivt ladede metal, kaldet en kation, sig fra det negativt ladede ikke-metal, kaldet en anion. Udfældningsprocessen repræsenterer det modsatte af denne proces; det vil sige, at kationen og anionen kombineres til dannelse af faste krystaller i opløsningen.
Opløselighed
Kemikere beskriver en forbindelses evne til at opløses i vand som opløselighed. Per definition repræsenterer forbindelsen, der er til stede i mindre mængde, det opløste stof, og forbindelsen, der er til stede i større mængde, repræsenterer opløsningsmidlet. I tilfælde af et fast stof, der opløses i en væske, kvalificerer væsken normalt som opløsningsmiddel. Generelt angiver kemikere opløselighed i enheder, såsom gram pr. Liter, hvilket betyder "gram opløst stof, der vil opløses i 1 liter opløsningsmiddel, " eller "gram pr. 100 ml." Mætning opstår, når den maksimale mængde opløst stof er opløst i en given mængde opløsningsmiddel. Nogle forbindelser udviser iboende højere opløselighed end andre, men i alle tilfælde varierer opløseligheden med temperaturen. Generelt, jo højere temperaturen, desto mere opløst opløses i en given mængde opløsningsmiddel. Processen med overmættede eller "overmættede" løsninger hænger sammen med manipulationen af temperaturen.
overmætning
Fænomenet med overmættelse opstår, når mængden af opløst opløst i en given mængde opløsningsmiddel overstiger mætningspunktet. Forskere forstår ikke fuldt ud den mekanisme, hvormed løsninger bliver overmættede. Udfældning kræver dannelse af en lille fast krystallit i opløsningen, en proces kaldet "nucleation." Efter at krystallitten er dannet, forstørrer en anden proces, kendt som vækst, krystallitterne til det makroskopiske niveau, så de kan observeres og isoleres. Men vækst forekommer ikke uden nucleation, og nogle opløste stoffer under visse betingelser modstår denne proces. Nukleation har en tendens til at kræve en "ru" overflade, hvorpå den skal initieres. Den ru overflade kan være en urenhed, såsom støvpartikler, eller en ridse på indersiden af den glasbeholder, hvori opløsningen befinder sig. Alternativt kan en eksperimentator initiere nukleation bevidst ved at tilsætte en enkelt, lille krystal af forbindelsen, der udfældes. Følgelig kræver de fleste instruktioner til demonstrationen af den varme is at tilsætte et par kerner fast natriumacetat til den overmættede opløsning for at inducere krystallisation.
Natriumacetat
Natriumacetat er en ionforbindelse, der består af natriumkationer, Na (+) og acetationer, C2H3O2 (-). Som de fleste acetater udviser den høj opløselighed i vand: 76 g opløses i 100 ml ved 0 grader. Opløseligheden øges imidlertid væsentligt ved højere temperatur. Demonstrationen med varm is kræver oprettelse af en mættet opløsning af natriumacetat i varmt vand og derefter anbringes opløsningen i en fryser. Når opløsningen afkøles og nærmer sig 0 ° C, forbliver koncentrationen af natriumacetat over 76 g pr. 100 ml, dvs. opløsningen vil være overmættet.
Varm is
Udfældning af et fast stof fra en opløsning resulterer i et fald i forstyrrelsen i systemet. Det vil sige, at i opløsningen bevæger ionerne sig frit i tilfældige retninger og udviser derfor høj forstyrrelse. Når ionerne kombineres for at danne faste krystallitter, begrænses deres bevægelsesfrihed. Forskere beskriver dette som et fald i systemets entropi eller forstyrrelse. Termodynamikens love bestemmer, at for en proces, der udviser et fald i entropi, der skal forekomme spontant, såsom udfældning af et fast stof fra en opløsning, skal processen også frigøre varme. Følgelig vil introduktionen af en fast krystallit af natriumacetat opvarme sig, når natriumacetatet udfældes fra opløsningen.
