Происхождение и многообразие кристаллогидратов

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

 

Учреждение  образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска  Скорины»

 

Геолого-географический факультет

 

Кафедра экологии

 

Реферат на тему:

 

Происхождение и многообразие кристаллогидратов

 

 

 

 

 

 

 

Исполнила

студентка группы ГЭ-12          _____________                         О. М. Сидоренко 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Гомель 2013

 

 

1. История изучения кристаллогидратов

 

          1865 г. Предположение о существовании в водных растворах гидратов высказано и обосновано Д. И. Менделеевым. Он изучал взаимодействие спирта с водой и сделал вывод об образовании определенных соединений. Он считал, что растворение - не только физический, но и химический процесс, что вещества, растворяющиеся в воде, образуют с ней соединения

1880 г. Л. Пруст ввел понятие «гидраты» как особые соединения растворенного вещества с водой.

В 1889г. систематическое  изучение кристаллогидратов началось с классических работ Б. Розебома над кристаллогидратами CaCl₂ и Fe₂Cl₆ .

 

                          2. Терминология кристаллогидратов

 

При растворении  веществ молекулы (или ионы) связываются  с молекулами растворителя, образуя соединения, называемые сольватами (от латинского solvere – растворять); этот процесс называется сольватацией. В частном случае, когда растворителем является вода, эти соединения называются гидратами, а процесс их образования  - гидратацией.

При попытке  выделить исходное вещество из раствора удаляя воду, получить его часто не удается. Например, если мы растворим в воде бесцветный сульфат меди CuSO₄, то получим раствор голубого цвета, который придают ему гидратированные ионы меди. После упаривания раствора (удаления воды) и охлаждения из него выделятся кристаллы синего цвета. Исходный сульфат меди можно получить из этого соединения, нагрев его до 250 °С. При этом происходит реакция:

 

CuSO_{4 ·} 5H₂O = CuSO₄ + 5H₂O

 

Разные  информационные источники дают нам  следующую терминологию.

Кристаллогидраты  – твердые вещества, продукты присоединения воды (гидратация) к атомам, молекулам или ионам.

Кристаллогидраты  – кристаллы, включающие молекулы воды.

Кристаллогидраты  – это кристаллические вещества, содержащие в своем составе отдельные  молекулы воды или их агломераты.

Кристаллизационная  вода – вода, входящая в состав кристаллогидратов.

До сих  пор кристаллогидраты не выделялись в особый класс соединений, а упоминались  попутно при описании некоторых  солей, потому что реакции их исследовались  в водных растворах, когда принято  игнорировать участвующую в превращении  воду.

 

3. Номенклатура кристаллогидратов

 

Для кристаллогидратов как и для всех химических соединений существуют правила названий. Название кристаллогидрата строится из систематического названия соли и указывается количество молекул кристаллизационной воды входящих в формальную единицу. Рассмотрим конкретные примеры.

CuSO₄· 5H₂O – пентагидрат сульфата меди;

Na₂CO₃· 10H₂O – декагидрат карбоната натрия;

AlCl₃· 6H₂O – гексагидрат хлорида алюминия.

Следует отметить, что содержание воды в кристаллогидратах формально  может иметь и нецелочисленное  значение, поэтому в таких случаях  поступают следующим образом: CdSO₄ · 2,67 H₂O - 2,67- гидрат сульфата кадмия, SO₂ ·n H₂O – полигидрат диоксида серы.

Однако часто нам не нужно  применять систематическую номенклатуру, а можно воспользоваться тривиальными названиями веществ. Так CuSO₄ · 5H₂O – медный купорос, Na₂CO₃· 10H₂O – «кристаллическая» сода и т.д.

 

4. Классификация

 

Классификацию кристаллогидратов можно вести  по различным критериям:

1. По  наличию связи структуры безводного  вещества и кристаллогидрата

• фазы определенного состава - вид кристаллогидратов, у которых при удалении кристаллизационной воды происходит сжатие кристаллической решетки, поэтому структура безводного вещества и кристаллогидрата не связанны между собой. К данному классу относятся кристаллогидраты многоосновных кислот, оснований и клатратов.
• неопределенного состава – вид кристаллогидратов, у которых процесс удаления воды может быть осуществлен без существенных изменений в кристалле. Это возможно при наличии в кристалле достаточного количества свободных промежутков, каналов (чтобы уместились молекулы воды). У веществ этого класса может происходить обратимая гидратация и дегидратация. Примерами таких веществ являются цеолиты.

2. По  количеству молекул воды входящих  в формульную единицу кристаллогидрата

• Существует кристаллогидраты, в которых на одну молекулу или частицу гидратированного вещества приходится 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,12 молекул воды.
• Но наиболее распространенными являются кристаллогидраты с 1,2,4,6,8 молекулами воды.
• Для многих веществ известны кристаллогидраты различного состава.

- MgCl₂∙ nH₂O где n= 2,4,6,8,12.

- CaCl₂∙ nH₂O где n= 1,2,4,6,8.

- NaOH∙ nH₂O где n=1,2,3,4,6,8.

- H₂SO₄∙ nH₂O где n= 1,2,4,6,8.

3. По  природе соединения участвующего  в образовании кристаллогидратов

• Органическое
• Неорганическое

3. По  агрегатному состоянию гидратообразователя при н.у.

• Твердое (соли)
• Газ (предельные у/в, С1₂, Н₂ S, Аг, Хе, SО₂)
• Жидкость (серная кислота, этиловый спирт)

5. Класс  соединений

• Кислоты (H₂SO₄^.H₂O)
• Основания (NaOH^.H₂O)
• Соли (ZnSO₄·7H₂O,MnSO₄·7H₂O)

6. Температурная  устойчивость

• Если кристаллизационная вода удерживается Ван-дер-Ваальсовыми силами, то такие вещества стабильны при температурах ниже нуля (клатраты)
• Если кристаллизационная вода удерживается в кристаллогидрате слабыми межмолекулярными связями, то она легко удаляется при нагревании:

 

Na₂CO_3· 10H₂O = Na₂CO₃ + 10H₂O (при 120 ° С);

K₂SO_3· 2H₂O = K₂SO₃ + 2H₂O (при 200 ° С);

 

• Если же в кристаллогидрате связи между молекулами воды и другими частицами близки к химическим, то такой кристаллогидрат или дегидратируется (теряет воду) при более высокой температуре, например:

 

Al₂(SO₄)₃ · 18H₂O = Al₂(SO₄)₃ + 18H₂O (при 420 ° С);

СoSO₄ · 7H₂O = CoSO₄ + 7H₂O (при 250 ° С);

 

или при нагревании разлагается  с образованием других химических веществ, например:

 

2{FeCl_3· 6H₂O} = Fe₂O₃ + 6HCl + 9H₂O (выше 250 ° С);

2{AlCl_3· 6H₂O} = Al₂O₃ + 6HCl + 9H₂O (200 – 450 ° С).

 

7. По состоянию воды в гидратах

• Псевдогидраты - это соединения, в которых часть молекул кристаллизационной воды образуют гидроксид ионы или ионы гидроксония (HClO₄·H₂O = H₃O·ClO₄ , Sr(BO₂)₂·4H₂O = Sr[B(OH)₄]₂) Воду, входящую в состав псевдогидратов называют конституционной.

• молекулы воды изолированы друг от друга. Атомы кислорода в воде координируются вокруг центрального иона: CuCl₂∙ 2H₂O, CoCl₂∙2H₂O.
• Внутрисферные кристаллогидраты – молекулы кристаллизационной воды удерживаются благодаря ковалентной связи с катионом [Al(H₂O)₆ ]Cl₃, [Mg(H₂O)₆]Cl₂ .
• Смешанные кристаллогидраты – кристаллизационная вода удерживается за счет образования водородных связей и донорно-акцепторного взаимодействия. К данной группе можно отнести купоросы (CuSO₄·5H₂O или [Cu(H₂O)₄]SO₄·H₂O), пятая молекула воды связывается именно водородными связями.
• молекулы воды образуют цепи. В ряде случаев молекулы воды связывают два катиона Zn(OH)H₂O и BaCl₂∙ H₂O. Образуются бесконечные цепи.
• Молекулы воды образует слои, объединяемые ионами соли (CaSO₄·2H₂O). В соединении Mg₂(OH)₂(H₂O)₃CO₃ в каналах структуры.
• Своеобразными упорядоченными твердыми растворами внедрения типа соль — лед являются некоторые кристаллогидраты с большим числом молекул воды, например Na₂SO₄·10Н₂О, Na₂СO₃·10Н₂О (тектогидраты). Они имеют структуру льда, которая стабилизируется за счет стягивающего действия электростатически взаимодействующих ионов противоположного знака. Вследствие этого температура плавления тектогидратов намного превышает температуру плавления льда.