"Heißes Eis" bezieht sich auf eine beliebte chemische Demonstration, bei der sich eine in Wasser gelöste und in einen Gefrierschrank gelegte Natriumacetatlösung sofort verfestigt, wenn sie aus ihrem Behälter gegossen wird oder wenn ein Einkristall aus festem Natriumacetat in die Lösung getropft wird. Der Erstarrungsprozess setzt Wärme frei und lässt so die Bildung von heißem Eis erscheinen. Chemielehrer verwenden dies, um das Phänomen der Übersättigung oder die Fähigkeit einiger Lösungen zu demonstrieren, mehr gelöstes Material zu enthalten, als sie normalerweise sollten.
Ionische Verbindungen
In der Chemie bezieht sich der Begriff "Verbindung" auf ein Material, das aus mehr als einem chemischen Element besteht. Zum Beispiel enthält Tafelsalz, auch als Natriumchlorid bekannt, Natrium- und Chloratome. Wenn die Verbindung sowohl ein Metall als auch ein Nichtmetall enthält - wie im Periodensystem der Elemente angegeben - bezeichnen Chemiker die Verbindung als "ionisch". Einige ionische Verbindungen lösen sich in Wasser und während des Auflösungsprozesses trennt sich das positiv geladene Metall, Kation genannt, vom negativ geladenen Nichtmetall, Anion genannt. Der Prozess der Ausfällung stellt das Gegenteil von diesem Prozess dar; 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 aufzulösen, als Löslichkeit. Per Definition repräsentiert die Verbindung, die in geringerer Menge vorliegt, den gelösten Stoff und die Verbindung, die in größerer Menge vorliegt, das Lösungsmittel. Im Falle eines Feststoffs, der sich in einer Flüssigkeit löst, wird die Flüssigkeit üblicherweise als Lösungsmittel bezeichnet. Im Allgemeinen geben Chemiker die Löslichkeit in Einheiten an, wie Gramm pro Liter, was "Gramm gelösten Stoff, der sich in 1 Liter Lösungsmittel löst" oder "Gramm pro 100 ml" bedeutet. Eine Sättigung tritt auf, wenn sich die maximale Menge an gelöstem Stoff in einer gegebenen Menge Lösungsmittel gelöst hat. Einige Verbindungen zeigen von Natur aus eine höhere Löslichkeit als andere, aber in allen Fällen variiert die Löslichkeit mit der Temperatur. Je höher die Temperatur, desto mehr gelöster Stoff löst sich im Allgemeinen in einer bestimmten Menge Lösungsmittel. Der Prozess der Übersättigung oder "Übersättigung" von Lösungen hängt von der Manipulation der Temperatur ab.
Übersättigung
Das Phänomen der Übersättigung tritt auf, wenn die in einer gegebenen Menge Lösungsmittel gelöste Menge an gelöstem Stoff den Sättigungspunkt überschreitet. Wissenschaftler verstehen den Mechanismus, durch den Lösungen übersättigt werden, nicht vollständig. Die Fällung erfordert die Bildung eines kleinen festen Kristallits in der Lösung, ein Prozess, der als "Keimbildung" bezeichnet wird. Nachdem sich der Kristallit gebildet hat, vergrößert ein zweiter Prozess, der als Wachstum bekannt ist, die Kristallite auf das makroskopische Niveau, so dass sie beobachtet und isoliert werden können. Das Wachstum erfolgt jedoch nicht ohne Keimbildung, und einige gelöste Stoffe widerstehen diesem Prozess unter bestimmten Bedingungen. Die Keimbildung erfordert in der Regel eine "raue" Oberfläche, auf der sie initiiert werden kann. Die raue 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 kleinen Einkristall der auszufällenden Verbindung zusetzt. Folglich fordern die meisten Anweisungen für die Demonstration von heißem Eis die Zugabe einiger Körner festen Natriumacetats zu der übersättigten Lösung, um die Kristallisation zu induzieren.
Natriumacetat
Natriumacetat ist eine ionische Verbindung, die aus Natriumkationen Na (+) und Acetationen C2H3O2 (-) besteht. Wie die meisten Acetate weist es eine hohe Wasserlöslichkeit auf: 76 g lösen sich bei 0 ° C in 100 ml auf. Die Löslichkeit nimmt jedoch bei höherer Temperatur erheblich zu. Bei der Demonstration mit heißem Eis muss eine gesättigte Lösung von Natriumacetat in heißem Wasser hergestellt und dann in einen Gefrierschrank gestellt werden. Wenn die Lösung abkühlt und sich 0 ° C nähert, bleibt die Konzentration an Natriumacetat über 76 g pro 100 ml, dh die Lösung ist übersättigt.
Heißes Eis
Die Ausfällung eines Feststoffs aus einer Lösung führt zu einer Abnahme der Störung des Systems. Das heißt, in der Lösung bewegen sich die Ionen frei in zufällige 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 Störung des Systems. Die Gesetze der Thermodynamik sehen vor, dass ein Prozess, der eine Abnahme der Entropie aufweist, spontan abläuft, wie z. B. das Ausfällen eines Feststoffs aus einer Lösung, wobei der Prozess auch Wärme freisetzen muss. Folglich erwärmt sich die Einführung eines festen Kristallits von Natriumacetat, wenn das Natriumacetat aus der Lösung ausfällt.
