§ 9. Кристалогідрати

Після опрацювання параграфа ви зможете навести приклади кристалогідратів та їх застосування.

Кристалогідрати - кристали, що містять молекули води. Вони утворюються за умови, коли в кристалічних ґратках між катіонами й молекулами води виникає міцніший зв’язок, ніж зв’язок між катіонами й аніонами в кристалі безводної солі. За низьких температур молекули води в кристалогідратах можуть бути сполучені як із катіонами, так і з аніонами. Багато які солі, кислоти й основи кристалізуються з водних розчинів у формі кристалогідратів. Чимало мінералів є кристалогідратами, наприклад трона та гіпс (рис. 9.1).

Рис. 9.1. Формула Na₂CO₃ · NaHCO₃ · 2Н₂О відображає хімічний склад мінералу трони (1), а формула CaSO₄ · 2Н₂О - гіпсу (2)

Кристалогідрати порівняно нестійкі й згодом розкладаються, втрачаючи кристалізаційну воду. Цьому процесу вивітрювання сприяють підвищення температури та низька вологість повітря.

Безводні кристали деяких речовин гігроскопічні й інтенсивно поглинають воду з навколишнього середовища, унаслідок чого утворюються кристалогідрати. Наприклад, безводний купрум(ІІ) хлорид потрібно зберігати в щільно закоркованій посудині, щоб запобігти доступу повітря. Якщо посудина відкрита, безводна сіль убирає з повітря вологу й поступово перетворюється на кристалогідрат. Про взаємоперетворення кристалогідрату й безводної солі ви дізналися з попереднього параграфа.

Деякі речовини (поміж них є й органічні) у чистому вигляді можна добути лише у формі кристалогідратів. Кристали добре відомої вам харчової лимонної кислоти є моногідратом цієї речовини. Однак у складі шипучих лікарських форм і сухих концентратів солодких напоїв використовують не кристалогідрат, а безводну лимонну кислоту.

• Поміркуйте й висловіть припущення, чому до складу шипучих лікарських форм, сухих концентратів солодких напоїв і начинки льодяників «Шипучка» разом із питною содою NaHCO₃ входить безводна лимонна кислота С₆Н₈О₇, а не її моногідрат С₆Н₈О₇ · Н₂О.

Цікаво і пізнавально

Кристалогідрати солей Купруму(ІІ) зазвичай мають блакитний або зелений колір, безводні солі - білий. Більшість сполук Хрому(ІІІ) утворюють кристалогідрати зеленого кольору. Однак трапляються винятки. Кристалогідрати хром(ІІІ) хлориду, загальна формула яких СrСl₃ · 7Н₂О, мають різне забарвлення. Хромово-калієвий галун KCr(SO₄)₂ · 12Н₂О фіолетовий. Жовта кров’яна сіль K₄[Fe(CN)₆] · 12Н₂О забарвлена в жовтий колір. Безводні солі Кобальту(ІІ) - речовини синього кольору, їхні кристалогідрати - рожевого або червоного. Сульфат Нікелю(ІІ) кристалізується з водного розчину із сімома молекулами води, кристалогідрат NiSO₄ · 7Н₂О - смарагдово-зелені кристали, добре розчинні у воді, безводний нікель(ІІ) сульфат має значно світліше забарвлення (рис. 9.2).

Рис. 9.2. Веселковий розмай кристалогідратів. 1. Мідний купорос - купрум(ІІ) сульфат пентагідрат. 2. Купрум(ІІ) хлорид дигідрат. 3. Кристалогідрати хром(ІІІ) хлориду. Склад і будова мають значення! 4. Хромово-калієвий галун. 5. Жовта кров’яна сіль. 6. Безводний кобальт(ІІ) хлорид (а) і кобальт(ІІ) хлорид гексагідрат (б). 7. Нікель(ІІ) сульфат гептагідрат (а) і безводний нікель(ІІ) сульфат (б)

Розгляньмо найважливіші кристалогідрати, які широко використовують у повсякденному житті. Мідний купорос¹CuSO₄ · 5Н₂О запобігає розвитку пліснявих грибів, тому входить до складу численних сумішей, які використовують у будівництві та ремонті квартир. Також він ефективний у боротьбі зі шкідниками рослин і як мікродобриво. Із цією самою метою застосовують інший кристалогідрат - ферум(ІІ) сульфат гептагідрат - залізний купорос FeSO₄ · 7Н₂О. Натрій сульфат декагідрат Na₂SO₄ · 10Н₂О - глауберова сіль - перевірений часом послаблювальний засіб у медицині й ветеринарії. Натрій карбонат декагідрат Na₂CO₃ · 10Н₂О - пральна сода. Цю сполуку застосовують, зокрема, у виробництві засобів для миття та чищення. Уже згадуваний мінерал трона (рис. 9.3) - складник пральних порошків нового покоління, що не містять фосфатів.

¹ Мідний купорос - тривіальна назва сполуки складу CuSO₄ · 5Н₂О, за сучасною українською науковою хімічною номенклатурою її називають так: купрум(ІІ) сульфат пентагідрат. Префікс пента- означає «п’ять». Для позначення кількості молекул кристалізаційної води у структурній одиниці кристалогідрату використовують й інші префікси: моно- - «один», ди- - «два», гепта- - «сім», дека- - «десять» тощо.

Знак «·» у формулах кристалогідратів не є знаком множення. Тому під час обчислення молярної маси кристалогідрату, склад якого описує формула CuSO₄ · 5Н₂О, потрібно до молярної маси безводної солі додати молярну масу певного числа молекул води:

M(CuSO₄ · 5Н₂О) = M(CuSO₄) + 5М(Н₂О) = (64 + 32 + 4 · 16 + 5(2 · 1 + 16)) г/моль = 250 г/моль

Рис. 9.3. 1. Київське море зацвіло й позеленіло унаслідок забруднення фосфатами та органічними речовинами. 2. Безфосфатний (на основі трони) засіб побутової хімії безпечний для людини та довкілля

*Чи можна експериментально визначити хімічну формулу кристалогідрату? За словами видатного французького хіміка Шарля Адольфа Вюрца, «у хімії все можливо». Щоб пересвідчитись у цьому, розв’яжемо задачу: унаслідок повного зневоднення кристалогідрату масою 96,6 г хімік одержав натрій сульфат масою 42,6 г. За цими даними він визначив формулу кристалогідрату. Зробімо це й ми за таким алгоритмом:

Цю задачу можна розв’язати в інший спосіб:

ПРО ГОЛОВНЕ

• Кристалогідрати - кристали, що містять молекули води. Вони порівняно нестійкі.

• Чимало мінералів є кристалогідратами. Деякі речовини (поміж них є й органічні) у чистому вигляді можна добути лише у формі кристалогідратів.

• Кристалогідрати мають різне забарвлення, відрізняються за кольором від безводних кристалів. Їх широко використовують у повсякденному житті.

Перевірте себе

1. Які речовини називають кристалогідратами? 2. Як і чому утворюються кристалогідрати? 3. Чи стійкими речовинами є кристалогідрати? 4. Чи трапляються кристалогідрати в природі? 5. Які найважливіші кристалогідрати ви знаєте? Де їх застосовують? 6. Чи однакового кольору кристалогідрати й відповідні безводні кристали? 7. Як обчислити відносну масу кристалогідрату за його хімічною формулою?

Застосуйте свої знання й уміння

8. Поясніть, чому кристалогідрати зберігають у закритих банках з притертими пробками.

9. Обчисліть молярні маси кристалогідратів, формули яких наведено в тексті параграфа.

10. Обчисліть масові частки води в кристалогідратах, формули яких наведено в тексті параграфа.

11. Прочитайте уривок із твору Михайла Булгакова «Собаче серце»: «У приймальні, - покірно відповів Шариков, - зелена, як купорос. Зелена книжка...». Висловіть припущення, про яку речовину йдеться. Чи можна однозначно відповісти на це запитання? Обґрунтуйте свою думку.

*12. Унаслідок повного зневоднення кристалогідрату цинк сульфату масою 2,87 г його маса зменшилася на 1,26 г. Визначте формулу кристалогідрату.

*13. Унаслідок повного зневоднення кристалогідрату кобальту(ІІ) хлориду масою 40,4 г його маса зменшилася на 14,4 г. Визначте формулу кристалогідрату.

*14. Унаслідок повного зневоднення кристалогідрату кальцій хлориду масою 22,2 г виділилася й сконденсувалася вода масою 7,2 г. Визначте формулу кристалогідрату.

*15. Унаслідок повного зневоднення кристалогідрату натрій карбонату масою 14,3 г утворився безводний натрій карбонат масою 5,3 г. Визначте формулу кристалогідрату.

Творча майстерня

16. Роздивіться рисунок 9.4, опишіть його й поясніть зміни, зображені на фрагменті (1). Спрогнозуйте зміни, які відбудуться із «чарівною» статуеткою, якщо її: а) зволожити (2); б) висушити гарячим повітрям (3). Дізнайтеся, використовуючи різноманітні джерела інформації, шаром якої речовини вкрито статуетку. Запропонуйте практичне застосування цієї властивості речовини. Під керівництвом учителя або вчительки хімії реалізуйте свій проект. За результатами дослідження підготуйте презентацію.