"Heißes Eis" bezieht sich auf eine beliebte chemische Demonstration, bei der eine Lösung von in Wasser gelöstem und in einen Gefrierschrank gegebenem Natriumacetat sofort erstarrt, wenn es aus seinem Behälter gegossen wird oder wenn ein Einkristall aus festem Natriumacetat in die Lösung eingetropft wird. Der Erstarrungsprozess setzt Wärme frei und gibt so das Aussehen von heißem Eis. Chemielehrer verwenden dies, um das Phänomen der Übersättigung oder die Fähigkeit einiger Lösungen, mehr gelöstes Material zu enthalten, als sie es normalerweise sollten, zu demonstrieren.
Ionische Verbindungen
In der Chemie bezieht sich der Ausdruck "Verbindung" auf ein Material, das aus mehr als einem chemischen Element besteht. Zum Beispiel enthält Tafelsalz, auch Natriumchlorid genannt, Natrium- und Chloratome. Wenn die Verbindung sowohl ein Metall als auch ein Nichtmetall enthält - wie im Periodensystem der Elemente beschrieben -, bezeichnen Chemiker die Verbindung als "ionisch". Einige ionische Verbindungen lösen sich in Wasser auf, und während des Auflösungsprozesses wird das positiv geladene Metall, ein Kation genannt, trennt sich von dem negativ geladenen Nichtmetall, das Anion genannt wird. Der Prozess des Niederschlags stellt das Gegenteil dieses Prozesses dar; das heißt, das Kation und das Anion verbinden sich, um feste Kristalle in der Lösung zu bilden.
Löslichkeit
Chemiker beschreiben die Fähigkeit einer Verbindung, sich in Wasser als Löslichkeit aufzulösen. Per Definition bedeutet die in geringerer Menge vorliegende Verbindung den gelösten Stoff und die in größerer Menge vorliegende Verbindung das Lösungsmittel. Im Fall einer festen Auflösung in einer Flüssigkeit eignet sich die Flüssigkeit üblicherweise als Lösungsmittel. Im Allgemeinen geben Chemiker die Löslichkeit in Einheiten wie Gramm pro Liter an, was "Gramm gelöster Stoff, der sich in 1 Liter Lösungsmittel löst" oder "Gramm pro 100 ml" bedeutet. Sättigung tritt auf, wenn sich die maximale Menge an gelöstem Stoff in a gelöst hat angegebene Menge an Lösungsmittel. Einige Verbindungen zeigen eine inhärent höhere Löslichkeit als andere, aber in allen Fällen variiert die Löslichkeit mit der Temperatur. Je höher die Temperatur im allgemeinen ist, desto mehr gelöster Stoff löst sich in einer gegebenen Menge an Lösungsmittel auf. Der Prozess der übersättigenden oder "übersättigenden" Lösungen hängt von der Manipulation der Temperatur ab.
Übersättigung
Das Phänomen der Übersättigung tritt auf, wenn die Menge an gelöstem Stoff, die in einer gegebenen Menge an Lösungsmittel gelöst ist, den Sättigungspunkt übersteigt. Wissenschaftler verstehen den Mechanismus, durch den Lösungen übersättigt werden, nicht vollständig. Die Ausfällung erfordert die Bildung eines kleinen festen Kristallits in der Lösung, ein Prozess, der "Keimbildung" genannt wird. Nachdem sich der Kristallit gebildet hat, vergrößert ein zweiter Prozess, bekannt als Wachstum, die Kristallite auf die makroskopische Ebene, so dass sie beobachtet und isoliert werden können. Aber Wachstum tritt nicht ohne Keimbildung auf, und einige gelöste Stoffe unter bestimmten Bedingungen widerstehen diesem Prozess. Die Keimbildung erfordert tendenziell eine "raue" Oberfläche, auf der sie beginnen soll. Die rauhe Oberfläche kann eine Verunreinigung wie Staubpartikel oder ein Kratzer auf der Innenseite des Glasbehälters sein, in dem sich die Lösung befindet. Alternativ kann ein Experimentator die Keimbildung absichtlich initiieren, indem er einen einzelnen kleinen Kristall der abzuscheidenden Verbindung hinzufügt. Folglich erfordern die meisten Anweisungen für die Heißeis-Demonstration die Zugabe von einigen Körnern von festem Natriumacetat zu der übersättigten Lösung, um Kristallisation zu induzieren.
Natriumacetat
Natriumacetat ist eine ionische Verbindung, bestehend aus Natriumkationen, Na (+), und Acetationen, C2H3O2 (-). Wie die meisten Acetate zeigt es eine hohe Löslichkeit in Wasser: 76 g lösen sich bei 0 ° C in 100 ml auf. Die Löslichkeit nimmt jedoch bei höherer Temperatur wesentlich zu. Die Heißeis-Demonstration erfordert die Schaffung einer gesättigten Lösung von Natriumacetat in heißem Wasser und dann das Einbringen der Lösung in einen Gefrierschrank. Wenn die Lösung abkühlt und sich 0 ° C nähert, bleibt die Konzentration von Natriumacetat oberhalb von 76 g pro 100 ml, d. H. Die Lösung ist übersättigt.
Heißes Eis
Die Ausfällung eines Feststoffes aus einer Lösung führt zu einer Verringerung der Störung des Systems. Das heißt, in der Lösung bewegen sich die Ionen frei in zufälligen Richtungen und weisen daher eine hohe Unordnung auf. Wenn sich die Ionen zu festen Kristalliten verbinden, wird ihre Bewegungsfreiheit eingeschränkt. Wissenschaftler beschreiben dies als eine Abnahme der Entropie oder Unordnung des Systems. Die Gesetze der Thermodynamik schreiben vor, dass bei einem Prozess, der spontan eine Abnahme der Entropie zeigt, wie das Ausfallen eines Feststoffes aus einer Lösung, der Prozess auch Wärme freisetzen muss. Folglich erwärmt sich die Einführung eines festen Kristallits von Natriumacetat selbst, wenn das Natriumacetat aus der Lösung ausfällt.
