Готовимся к олимпиадам, стр. 34

1. Пищевая сода интенсивно реагирует с уксусной кислотой СН₃СООН, образуя соль ацетат натрия, который используется для изготовления согревающих «солевых грелок». Если из раствора этого вещества выпарить часть воды и приготовленный насыщенный раствор осторожно охладить, можно получить пересыщенный раствор. Он даже при незначительном механическом воздействии мгновенно кристаллизуется, превращаясь в смесь кристаллов. Этот процесс сопровождается выделением теплоты — от 264 до 289 кДж/кг. Объясните описанные процессы.

При реакциипищевая сода (NaHCO₃) нейтрализует уксусную кислоту: CH₃COOH + NaHCO₃ → CH₃COONa + CO₂↑ + H₂O. Выделяющийся CO₂ дает «шипение». В растворе остается ацетат натрия.

Как получают пересыщенный раствор

Растворимость большинства твердых веществ в воде растет с температурой. Если горячий насыщенный раствор ацетата натрия частично выпарить, а затем осторожно охладить, при понижении температуры его текущая концентрация окажется выше предельной растворимости при этой температуре. Получается пересыщенный (метастабильный) раствор – однородная система, содержащая больше растворенного вещества, чем «полагается» при данных условиях.

Почему «щелчок/встряска» вызывает мгновенную кристаллизацию

Пересыщенный раствор устойчив лишь до появления зародышей кристаллов. Небольшое механическое воздействие создает центры кристаллизации, после чего раствор лавинообразно выделяет кристаллы соли. У ацетата натрия это, как правило, кристаллогидрат CH₃COONa · 3H₂O (аналогично примеру кристаллогидратов с CuSO₄ · 5H₂O).

Откуда берется тепло 264–289 кДж/кг

Кристаллизация – это процесс, обратный растворению. При образовании кристаллической решетки соли и связывании молекул воды в кристаллогидрате возникают новые прочные взаимодействия (ионные и водородные связи). Как указано в §4, при образовании химических связей выделяется энергия; поэтому кристаллизация ацетата натрия (его гидратация в решетке) идет с выделением теплоты – это и есть тепло кристаллизации/гидратации, используемое в «солевых грелках». Чтобы «перезарядить» такую грелку, ее снова нагревают до растворения кристаллов, создавая новый пересыщенный раствор.