kluczowe pojęcia
Chemia
rozwiązania
mieszalność
Polaryzacja
Rozpuszczalność

wprowadzenie
prawdopodobnie wiesz, że niektóre płyny, takie jak olej i woda, nie mieszają się ze sobą. Jeśli wlej je do tego samego pojemnika, utworzą oddzielne warstwy cieczy, jedna na drugiej. Inne płyny, na przykład pocieranie alkoholu i wody, mogą być mieszane ze sobą. Ale czy wiesz, że po zmieszaniu obu tych płynów możesz ponownie rozdzielić je na dwie różne warstwy? Jak możesz to robić? Odpowiedź może cię zaskoczyć-z solą! W tym ćwiczeniu dowiesz się, jak to działa.

Tło
kiedy dwie ciecze mogą być zmieszane ze sobą, są one „mieszalne”—tworzą coś, co nazywa się jednorodnym roztworem, co oznacza, że nie można już rozróżnić dwóch cieczy. Natomiast gdy nie da się ich wymieszać, są „nie mieszalne”—tworzą dwie oddzielne warstwy, zwane rozwiązaniem heterogenicznym. Aby móc mieszać, cząsteczki obu cieczy muszą być w stanie przyciągać się nawzajem. Cząsteczki, które są polarne (co oznacza, że ich ładunek elektryczny jest rozłożony nierównomiernie, więc mają bardziej dodatnią i bardziej ujemną stronę) mają tendencję do tworzenia wiązań wodorowych, podczas gdy cząsteczki niepolarne (które mają równy bilans ładunków) nie mają tendencji do tworzenia takich wiązań. Ponieważ cząsteczki wody są polarne, każda ciecz, która nie ma cząsteczek polarnych—takich jak olej—zwykle nie miesza się z wodą.

cząsteczki alkoholu mają część polarną i niepolarną, co oznacza, że są w stanie tworzyć wiązania wodorowe z wodą, a zatem mogą się z nią mieszać. Ale jak można zerwać te wiązania, aby oddzielić obie ciecze po ich zmieszaniu? Do mieszaniny trzeba dodać coś, co konkuruje z alkoholem w wiązaniu się z cząsteczkami wody. Jedną z substancji, która może to zrobić, jest sól. Sól jest związkiem jonowym, co oznacza, że jest substancją złożoną z naładowanych elektrycznie cząsteczek zwanych jonami. Kiedy związki jonowe rozpuszczają się w wodzie, poszczególne jony oddzielają się i zostają otoczone cząsteczkami wody—proces zwany solwacją. Ponieważ jony soli są naładowane, znacznie lepiej rozpuszczają się w polarnym rozpuszczalniku, który jest również nieco bardziej naładowany niż niepolarny rozpuszczalnik. Z tego powodu jony soli przyciągają cząsteczki wody znacznie silniej niż cząsteczki alkoholu, ponieważ alkohol jest mniej polarny niż woda. Oznacza to, że gdy jest dużo soli, wszystkie cząsteczki wody będą wiązać się z jonami soli, nie pozostawiając żadnych wiązań wodorowych z cząsteczkami alkoholu. W rezultacie alkohol staje się mieszalny z wodą i zaczyna tworzyć osobną warstwę. Proces ten nazywany jest” soleniem „lub” separacją fazową indukowaną solą.”

historycznie metoda ta była stosowana w procesie wytwarzania mydła w celu usunięcia składników, które nie powinny znajdować się w końcowym produkcie mydła. Solenie jest również powszechnie stosowane w laboratoriach biochemicznych do oczyszczania białek, ponieważ różne cząsteczki białka stają się niemieszalne w różnych stężeniach roztworów soli. Chemicy używają tej techniki do ekstrakcji płynów z roztworu, co jest tym, co zamierzasz zrobić w tej czynności: Wystarczy łyżeczka soli kuchennej, aby oddzielić mieszankę alkoholu i wody!

materiały

• cztery przezroczyste mini kubki (dwie uncje) z pokrywkami
• marker permanentny
• Woda Z Kranu
• pocieranie alkoholu (70 procent alkoholu izopropylowego)
• sól kuchenna
• zestaw łyżek pomiarowych
• obszar roboczy, który może tolerować wycieki
• Etanol lub aceton (można znaleźć w sklepach z narzędziami) (opcjonalnie)
• substytut soli, taki jak chlorek potasu lub sól Epsom (opcjonalnie)

przygotowanie

• z trwałym oznaczeniem markera mini kubki 1, 2, 3 i 4.
• Dodaj półtora łyżki wody do filiżanek 1 i 3.
• do filiżanek 2 i 4 Dodać półtorej łyżki alkoholu.

procedura

• dodaj jedną łyżeczkę soli do wody w filiżance 1. Co się stanie z solą? Czy rozpuszcza się w wodzie?
• Załóż pokrywkę i potrząsaj filiżanką przez około 20 do 30 sekund. Jak wygląda mieszanka?
• powtórz dwa poprzednie kroki używając kubka 2 (z pocieraniem alkoholem). Co się stanie z solą tym razem? Czy mieszanka wygląda inaczej niż mieszanka woda–sól?
• zdjąć nasadkę z markera trwałego i obracać końcówką w wodzie w filiżance 3 przez około 10 sekund. Załóż pokrywkę na kubek i potrząsaj nią przez pięć sekund. Czy tusz rozpuszcza się w wodzie? Jak wygląda rozwiązanie po wstrząśnięciu?
• powtórz poprzedni krok z filiżanką 4 (pocieranie alkoholem). Czy otrzymana mieszanina wygląda inaczej? Jeśli tak, to czym się różni? Możesz wyjaśnić różnice?
• następnie wlej alkohol z filiżanki 4 do wody w filiżance 3. Włóż pokrywkę z powrotem i obracaj mieszaninę przez pięć sekund. Czy rozcieranie alkoholu miesza się z wodą? Co dzieje się z kolorem mieszanki? Czy widzisz, że tworzą się oddzielne warstwy?
• teraz dodaj jedną łyżeczkę soli do mieszaniny w filiżance 3. Umieść pokrywkę na kubku i wstrząsaj nią przez 20 do 30 sekund. Co się stanie, gdy dodasz sól do mieszaniny? Czy mieszanka wygląda inaczej przed i po wstrząśnięciu? Jeśli tak, to jak wygląda inaczej? Możesz wyjaśnić swoje wyniki? Jakiego koloru jest mieszanka?
• Extra: czy można oddzielić inne ciekłe mieszanki za pomocą soli? A co z etanolem i wodą albo acetonem i wodą? Wypróbuj różne mieszanki płynne, aby się przekonać!
• Extra: Czy są jakieś inne sole—na przykład chlorek potasu, substytut soli lub sól Epsom-które można wykorzystać do oddzielania płynów? Powtórz test, ale tym razem użyj innej soli niż sól kuchenna. Czy nadal widzisz te same wyniki? Jeśli nie-Czym różnią się Twoje wyniki?
• Extra: ile soli potrzebujesz, aby oddzielić alkohol od wody? Dowiedz się, zmieniając ilość soli, którą dodajesz do mieszaniny alkoholu i wody.

obserwacje i wyniki
trzeba było zauważyć, że sól łatwo rozpuszcza się w wodzie w filiżance 1. (Po potrząśnięciu sól zdawała się znikać.) Pamiętaj, że dzieje się tak, ponieważ jonowe cząsteczki soli łatwo wiążą się z polarnymi cząsteczkami wody. Sól jednak nie rozpuściła się tak łatwo w roztartym alkoholu w filiżance 2. (Nawet po potrząśnięciu nadal będziesz mógł zobaczyć sól.) Dzieje się tak, ponieważ cząsteczki alkoholu są mniej polarne niż woda, więc jony soli nie wiążą się z nimi tak łatwo.

z trwałym tuszem markerowym powinieneś zaobserwować dokładnie odwrotne zjawisko. Tusz nie rozpuszcza się dobrze w wodzie, ale łatwo rozpuszcza się w alkoholu, nadając temu drugiemu znacznie więcej koloru. Wynika to z faktu, że pocieranie alkoholu ma również część swojej cząsteczki, która nie ma opłat i jest niepolarna. Ta część jest bardziej kompatybilna z cząsteczkami niepolarnymi, takimi jak atrament markera.

Kiedy mieszasz alkohol z wodą, cząsteczki tego ostatniego tworzą wiązania wodorowe z cząsteczkami wody. Alkohol rozpuszcza się w wodzie, tworząc jednorodny roztwór, więc nie można już odróżnić alkoholu od wody. Jeśli jednak dodasz sól do mieszaniny, sól chce się rozpuścić w wodzie i konkuruje z alkoholem o cząsteczki wody. Ponieważ dostępnych jest mniej cząsteczek wody do tworzenia wiązań wodorowych z cząsteczkami alkoholu, alkohol staje się mniej rozpuszczalny w mieszaninie woda–alkohol, ostatecznie tworząc oddzielną warstwę na wodzie. Obie warstwy powinny mieć inny kolor, przy czym woda w większości jest przezroczysta, a alkohol bardziej zabarwiony. Dzieje się tak, ponieważ tusz marker jest bardziej rozpuszczalny w alkoholu tarcia.

Oczyszczanie
spłucz wszystkie swoje mieszanki do zlewu dużą ilością zimnej wody. Umyj ręce i wyczyść miejsce pracy.

Więcej do poznania
Chemia Dla Dzieci: rozwiązania i rozpuszczanie, od kaczątek
twórz Podwodne fajerwerki z chemią, od Scientific American
aktywność naukowa dla wszystkich grup wiekowych!, od kumpli z nauki

ta działalność powstała we współpracy z kolegami z nauki