Varför kunde man använda aceton som lösningsmedel för kristallbildning?
Halloj!
Idag hade jag en kemilabb där man skulle syntetisera Mohrs salt. Vi hade framställt två lösningar, en med järn(II)sulfat och en med ammoniumsulfat. Sedan blandade vi dessa och tillsatte dem till en lösning med aceton. Så som jag förstår det är aceton ett opolärt lösningsmedel vilket var anledningen till att jonerna gick ihop och bildade kristaller. Men jag undrar varför detta skedde. Det fanns ju lika mycket vatten som det fanns innan, bara i mindre volymprocent jämfört med det nya systemets volym. Skulle man på något sätt kunna ha förutspått med teori att kristaller skulle falla ut i acetonet utan att ha experimenterat?
Aceton är inte riktigt ett opolärt lösningsmedel, aceton går att blanda helt med vatten, d.v.s. aceton löser sig bra i vatten och vice versa. Jag misstänker att du skulle ha noterat om det bildades två faser, som med olja och vatten. Det skulle varit konsekvensen om du tillsatt ett opolärt lösningsmedel, som t.ex. heptan.
Aceton kan i sig själv inte bilda vätebindningar eftersom ketogruppen endast kan acceptera vätebindningar till syrets fria elektronpar, men eftersom aceton saknar väten bundna till syret kan inga vätebindningar doneras - och för en vätebindning behövs både en donator och en acceptor.
Men när aceton blandas med vatten, kan en vattenmolekyl skapa vätebindningar till aceton - och det är precis därför som aceton kan lösa sig (samt att kolkedjan är så kort, ju längre kolkedjan blir desto lägre blir vattenlösligheten för ketonen). Vattenmolekylernas vätebindningar påverkas alltså när de inte bara binder till andra vattenmolekyler utan även till aceton. Lite förenklat kan man säga att ju fler vätebindningar som vatten skapar till aceton, desto mindre finns tillgängliga till andra former av bindningar (väte, dipolära etcetera). Och denna minskade kapacitet att skapa andra bindningar, ökar med ökande koncentration av aceton.
Jonerna du hade kan lösas i vatten bara om de hydreras tillräckligt väl, d.v.s. om vattenmolekylerna på ett ganska ordnat vis kan organiseras runt de olika jonerna, och skapa en sfär/skal av vattenmolekyler som skärmar av jonen från vattnet. Då kommer denna hydrerade jon ha vattenmolekyler på sin yta, som binder likt vatten till alla de andra vattenmolekyler som finns runt om den hydrerade jonen.
Men när acetonkoncentrationen ökar, kommer det finnas mindre vatten som kan hydrera jonerna i din blandning av lösningar. Den tillgängliga mängden vattenmolekyler (aktivt vatten) som kan hydrera jonerna minskar allteftersom acetonkoncentrationen ökar, tills det är energimässigt mer gynnsamt för jonerna att bilda komplexa joner med varandra istället för att vara hydrerade. Motsvarande jonerna i Mohrs salt som börjar bilda kristaller som inte längre är lösliga/lösta i vattnet/acetonen, utan de bildar istället sin egna kristallina fas, varpå saltkristallerna regnar ner mot botten av kärlet.
Användandet av aceton ger samma resultat som att torka ut lösningen, ffrånsett att de första kristallerna är ganska blöta, men den lilla mängden vatten i kristallerna kan torkas med några omgångar aceton, och acetonresterna dunstar sedan lätt bort även vid rumstemperatur. Det bildas kristaller i båda fallen, men med aceton går det mycket snabbare, och saltkristallerna kan lösas i en annan vattenlösning, lämnas torra o.s.v.
Så kan man tänka då att om man tillsätter tillträckligt mycket aceton, så kommer det aktiva vattnet till slut "användas upp", eftersom vätebindningar är starkare är jon-dipolbindningar (är det därför?), vilket tvingar jonerna att falla ut som kristaller (och alltså binda till varandra)?
Och finns det något sätt att koppla detta till termokemi/termodynamik? Jag minns att vi pratade en del om sådant här på gymnasiet, men jag har glömt en del.
naytte skrev:Så kan man tänka då att om man tillsätter tillträckligt mycket aceton, så kommer det aktiva vattnet till slut "används upp", eftersom vätebindningar är starkare är jon-dipolbindningar (är det därför?), vilket tvingar jonerna att falla ut som kristaller (och alltså binda till varandra)?
Jonbindningar är starkare än vätebindningar. Men med hydrerade joner är det inte jonbindningar utan jon-dipolbindningar, så det går inte riktigt att rationalisera processen på det viset. Men översiktligt kan du säga att aceton minskar koncentrationen av aktivt vatten (det används för att vätebinda med aceton), så att jonernas koncentration i den resterande mängden vatten (den som kan hydrera jonerna och hålla dessa lösta) blir för hög för att lösa jonerna, varpå de kristalliserar.
Och finns det något sätt att koppla detta till termokemi/termodynamik? Jag minns att vi pratade en del om sådant här på gymnasiet, men jag har glömt en del.
Jo det går. Desolvatiseringen, processen när vatten "tas bort från jonerna", är generellt en endoterm process. Detta då ett ordnat system med joner och vatten förbundna med jon-dipolbindningar behöver brytas upp, vilket förbrukar energi. Samtidigt behöver jonerna ordnas regelbundet för att kristaller skall kunna formas, och i samband med att kristallisationen sker avges energi i form av värme (oftast, undantag finns).
Om sedan hela processen är endoterm eller exoterm beror på de olika delstegen, det går att räkna på, men om du inte noterade att vätskan blev varm/kall var nettoeffekten kanske inte så stor.
Det finns även andra processer som sker samtidigt, en del aceton och lite vatten kanske dunstar, vilket sänker systemets energi. Omgivningen kan ta emot/ge energi till systemet.
