Två oorganiska hydrater - magnesiumsulfatheptahydrat (Epsom-salter) och kopparsulfatpentahydrat |

Typer hydrater

I kemi är ett hydrat en förening som absorberar vattenmolekyler från dess miljö och inkluderar dem som en del av dess struktur. Vattenmolekylerna förblir intakt inne i föreningen eller bryts delvis upp i deras element. Tre huvudkategorier av hydrater är oorganiska hydrater, organiska hydrater och gas (eller klatrat) hydrater.

Vattenmolekylerna inuti oorganiska hydrat frisätts i allmänhet när föreningen upphettas. I organiska hydrater reagerar vattnet emellertid kemiskt med föreningen. Ett byggnadsblock av ett gashydrat består av en gasmolekyl som ofta är metan tomgivet av en bur med vattenmolekyler. Gashydrater har hittats i havsediment och i polära regioner. De erbjuder den spännande möjligheten att agera som energikälla inom en snar framtid.

Kristaller av kalkantit (blå) och limonit (bruna) mineraler; kalkantit är hydratiserat kopparsulfat medan limonit är en blandning av hydratiserade järnoxider |

Oorganiska hydrater

Ett oorganiskt hydrat kan frisätta sina vattenmolekyler och bli vattenfritt. Den vattenfria formen av ämnet kan absorbera vatten och blir hydratiserat. Vattnet är känt som hydratiseringsvattnet eller kristallisationsvattnet.

Ett vanligt oorganiskt hydrat är natriumkarbonatdekahydrat (tvätt soda). Den första delen av ett hydratnamn - natriumkarbonat i detta exempel - är namnet på den vattenfria föreningen. Detta följs av ordet "hydrat" föregått av ett prefix som indikerar antalet vattenmolekyler som finns i den hydratiserade föreningen. Ordet "dekahydrat" betyder att en molekyl natriumkarbonat har tio vattenmolekyler fästa vid den när den hydratiseras. Tabellen nedan visar antalet prefix som används i kemi och deras betydelse.

Antal prefix som används i kemi

Antal atomer eller molekylerPrefix
ettmono
tvådi
tretri
fyratetra
fempenta
sexhexa
sjuhepta
åttaokta
nionona
tiodeca
Kobolt (11) kloridhexahydrat är känt som koboltklorid i ett äldre namnsystem. |

Några vanliga oorganiska hydrater

Vissa andra vanliga oorganiska hydrater utöver tvättpulver är magnesiumsulfatheptahydrat (Epsom-salter), natriumtetraboratdekahydrat (borax) och natriumsulfatdekahydrat (Glaubers salt eller sal mirabilis). Kopparsulfat och koboltklorid bildar också oorganiska hydrat och har attraktiva färger i sina hydratiserade former.

Glauber's Salt

Glaubers salt är uppkallad efter Johann Rudolf Glauber, en tysk-holländsk kemist och apotekare som bodde på sjuttonhundratalet. Glauber upptäckte natriumsulfat och upptäckte också att det fungerar som ett laxermedel hos människor. Han trodde att kemikalien hade stora helande krafter.

Kopparsulfat

Två populära oorganiska hydrater har en dramatisk färgskillnad mellan deras hydratiserade och vattenfria former. Kopparsulfat, även känd som kopparsulfat, koppsulfat, blå vitriol eller blåsten, är blått i sin hydratiserade form och gråvit i vattenfri form. Uppvärmning av den blå formen tar bort vattnet och får kemikalien att bli vit. Den vattenfria formen blir blå igen när vatten tillsätts.

Varje kopparsulfatenhet kan fästas vid fem vattenmolekyler, så det kallas ibland kopparsulfatpentahydrat när det hydratiseras. Formeln för den hydratiserade formen är CuSO4 . 5H 2 O. Punkten efter formeln för kopparsulfat indikerar bindningar med vattenmolekyler. Forskning tyder på att arten av dessa obligationer inte är så enkel som man en gång trodde.

Koboltklorid

Kobolt (ll) klorid är himmelblå i vattenfri form och lila i sin hydratiserade form (kobolt (ll) kloridhexahydrat). Koboltkloridpapper är användbart för att indikera om fukt är närvarande. Det säljs i injektionsflaskor som innehåller tunna pappersremsor belagda med koboltklorid. Papperet är blått när det inte finns någon fukt och blir rosa i närvaro av vatten. Det är användbart för att upptäcka relativ luftfuktighet.

Vattenfri kobolt (11) klorid (eller vattenfri koboltklorid enligt det äldre namnsystemet) |

Glödande, hygroskopiska och deliquescenta ämnen

efflorescence

Vissa oorganiska hydrater kan tappa åtminstone en del av sitt vatten när de är i rumstemperatur. Dessa hydrater sägs vara strålande. Tvättpulver och Glaubers salt är exempel på strålande ämnen. De blir mindre kristallina och mer pulverformiga när de ger upp vatten. För att vattnet ska gå förlorat måste emellertid det partiella trycket för vattenångan vid hydratytan vara större än deltrycket för vattenångan i den omgivande luften. Kopparsulfat kommer att försvinna endast om den omgivande luften är mycket torr.

hygroskopi

Vissa hydrater absorberar vatten från luften eller från en vätska utan mänsklig intervention och sägs vara hygroskopiska. Hygroskopiska fasta ämnen kan användas som torkmedel ämnen som absorberar vatten från miljön. Detta är till hjälp när till exempel luften i ett paket måste hållas torr. Vattenfri kalciumklorid är ett exempel på en hygroskopisk substans som används som ett torkmedel.

deliquescence

Vissa fasta ämnen tar upp så mycket vatten från omgivningen att de faktiskt kan bilda flytande lösningar. Dessa fasta ämnen är kända som deliquescent substanser. Kalciumklorid är både hygroskopisk och deliquescent. Den absorberar vatten när det blir hydratiserat och kan sedan fortsätta att absorbera vatten för att bilda en lösning.

Videon nedan utforskar kristallisationsvattnet i koppar (ll) sulfat.

Allmän formel för en aldehyd |

Aldehyder och ketoner

aldehyder

Kemikalier som tillhör aldehyd- eller ketonfamiljen kan bilda organiska hydrater. Den allmänna formeln för en aldehyd är RCHO. R-gruppen representerar "resten" av molekylen och är olika i varje aldehyd. Kolatomen förenas med syreatomen genom en dubbelbindning. Kolatomen och dess bifogade syre är kända som en karbonylgrupp.

ketoner

Den allmänna formeln för en keton liknar formeln för en aldehyd, utom i stället för H är en andra R-grupp. Detta kan vara samma som den första R-gruppen eller kan vara annorlunda. Liksom aldehyder innehåller ketoner en karbonylgrupp. I bilden nedan förstår det att det finns en kolatom vid basen av dubbelbindningen.

Aceton är den enklaste ketonen. |

Karbonylhydrat

En vattenmolekyl kan reagera med karbonylgruppen i en aldehyd eller en keton för att bilda en substans känd som en karbonylhydrat, såsom visas i den första reaktionen nedan. Karbonylhydratema bildar vanligtvis en mycket liten procentandel av molekylerna i ett prov av en specifik aldehyd eller keton. Det finns dock några anmärkningsvärda undantag från denna regel.

Ett undantag är en lösning av formaldehyd. Lösningen består nästan helt av molekyler i karbonylhydratformen (och dess derivat), med endast en liten andel av molekylerna i aldehydform. Detta visas med det stora värdet på jämviktskonstanten (K) för formaldehyd i bilden nedan. K återfinns genom att dela koncentrationen av produkterna av en reaktion med koncentrationen av reaktanterna.

Omfattning av hydratisering av vissa karbonylföreningar |

Formaldehyd och etanol

Formaldehyd, även kallad metanal, är den enklaste medlemmen i aldehydfamiljen. Dess R-grupp består av en enda väteatom. Ett hydrat bildas från formaldehyd genom reaktionen av dess karbonylgrupp med vatten. En H20-molekyl delar sig upp i en H och en OH när hydrat bildas.

En lösning av formaldehyd i vatten kallas formalin. Formaldehyd är ett konserveringsmedel för djurvävnader och kroppar, inklusive de som skickas till skolor för dissektioner i biologiklasser. Men det är starkt misstänkt för att vara ett humant cancerframkallande medel (en kemikalie som orsakar cancer). Vissa företag som levererar bevarade djur tar nu bort formaldehyd innan de transporteras.

Ett annat exempel på organisk hydratproduktion är omvandlingen av eten (även kallad eten) till etanol. Fosforsyra används som katalysator. Formeln för eten är CH2 = CH2. Formeln för etanol är CH3CH20H. Vattenmolekylen delas upp i H och OH när den reagerar med eten.

Gashydrat och deras potentiella användningsområden

Bitar av gashydrater ser ut som isklumpar och verkar vara kristallina fasta ämnen. Byggstenarna i hydraterna tillverkas vid låg temperatur och högt tryck när vattenmolekyler omger en gasmolekyl och bildar ett fryst nät eller bur. Gasen är ofta metan, i vilket fall namnet metanhydrat kan användas för hydratet, men det kan också vara koldioxid eller annan gas. Metan produceras genom bakteriellt förfall av döda växter och djur. Metan har formeln CH4.

Gashydrater har funnits runt om i världen. De bildas i sediment längst ner i djupa hav och sjöar och finns också på land i permafrost. Metanhydrater kan vara en utmärkt energikälla. I själva verket uppskattar forskare att den totala mängden energi som fångas i världens gashydrater kan vara större än den totala energin som finns i alla kända fossila bränslen på jorden. Om ett gashydrat tänds av en tändsticka eller en annan låga kommer det att brinna som ett ljus.

Möjliga faror med gashydrater

Inte alla är glada över upptäckten av gashydrater. En del människor tror att de kan vara en naturrisk snarare än en naturresurs. Forskare försöker för närvarande hitta det mest effektiva sättet att utvinna metanmolekyler från sina vattenburar. Vissa människor oroar sig att metanet kommer att komma in i atmosfären och påverka jordens klimat som ett resultat av extraktionen. Man tror att metan i atmosfären bidrar till den globala uppvärmningen.

Gashydrater kan blockera naturgasledningar och kan ibland vara en borrfara. Ett annat problem kan vara resultatet av att hydraterna cementerar havsedimenten tillsammans. Om hydraterna i ett stort område smälter kan sedimenten röra sig och ge ett jordskred som kan orsaka en tsunami.

Intressanta och viktiga kemikalier

Hydrater är intressanta kemikalier som ofta är mycket användbara. Gashydrater är särskilt intressanta och lockar många forskares uppmärksamhet. De kan bli mycket viktiga i vår framtid. Det finns dock mycket att lära sig om de bästa sätten att använda dem och om säkerhetsrutiner. Förhoppningsvis kommer deras effekter på våra liv att vara gynnsamma istället för skadliga.

Ett hydratquiz: för granskning och för skojs skull

visa frågesportstatistik

referenser

Namngivande hydrater: Fakta och en frågesport från Purdue University

Aldehyder och ketonerinformation från Michigan State University

Information om bildning av hydrater från aldehyder och ketoner från University of Calgary

Metanhydratinformation från det amerikanska energidepartementet