Sklejone cząsteczki

Doświadczenie 1

Dwa pojemniki na mocz napełnij po 20 ml wody. Do jednego dodaj 20 ml oleju rzepakowego. Zamieszaj całość – czy ciecze połączyły się ze sobą? Do drugiego wlej 20 ml oleju rzepakowego oraz 10 ml acetonu (ze sklepu z materiałami budowlanymi lub acetonowy zmywacz do paznokci). Czy teraz ciecze się zmieszały?

Wyjaśnienie: Woda i olej nie mieszają się – cząsteczki oleju są odpychane, aby do minimum ograniczyć kontakt z wodą i tworzenie usztywnionych „klatek” (pierwszy pojemnik). Aceton ma niezwykłą budowę – zawiera polarną grupę ketonową, łatwo wchodzącą w interakcje z wodą. Ale aceton zawiera także dwie nieskore do takich zachowań grupy -CH₃. Ich obecność wystarczy, by aceton swobodnie mógł się mieszać z olejem. W przypadku drugiego pojemnika widzimy zatem, że zawartość uległa zmieszaniu.

Doświadczenie 2

Strzykawką wkraplaj wodę do mieszaniny acetonu i oleju (po 20 ml oba). Po dodaniu każdej kropli mieszaj płyn. Gdy zmętnieje, dolej więcej acetonu.

Wyjaśnienie: Dodanie kilku kropel wody nie powoduje widocznych zmian – woda i olej zmieszały się ze sobą dzięki obecności acetonu, który może oddziaływać i z jednym, i z drugim związkiem chemicznym. Ale po wpuszczeniu kolejnej kropli płyn mętnieje i olej oddziela się od mieszaniny wody i acetonu – powstaje zawiesina drobniutkich kropelek tłuszczu – biaława emulsja. Dodanie kolejnej porcji acetonu rozpuszcza te kropelki.

Doświadczenie 3

W pojemniku na mocz zmieszaj 20 ml wody i 20 ml alkoholu izopropylowego lub acetonu. Opcjonalnie dodaj po kropli barwnika spożywczego w tubce zawierającego kwas karminowy. Rozmieszaj i oceń, czy płyny mieszają się ze sobą. Dodaj 4 łyżeczki soli kuchennej i intensywnie mieszaj łyżeczką przez kilka minut, uważnie obserwując płyn.

Wyjaśnienie: Alkohol izopropylowy miesza się z wodą (rozpuszczają się w sobie nawzajem). Natomiast chlorek sodu (główny składnik soli kuchennej) rozpuszcza się tylko w wodzie. Rozpuszczanie to nic innego jak zrywanie oddziaływań międzycząsteczkowych pomiędzy składnikami soli i powstawanie nowych – pomiędzy jonami sodu i chloru oraz wodą. Jony w roztworze zawsze otoczone są cząsteczkami wody. Tym samym zagarniają dla siebie wodę, z którą alkohol nie może już wejść w interakcje. Jego cząsteczki zaczynają więc tworzyć interakcje tylko same ze sobą – większość alkoholu oddziela się, a ciecz nagle mętnieje (powstaje emulsja). Po chwili warstwa alkoholowa gromadzi się nad warstwą wodną (zawierającą już jedynie bardzo niewiele izopropanolu). Warstwy dobrze widać, jeśli użyć barwników – czerwony kwas karminowy gromadzi się tylko w warstwie dolnej wodno-alkoholowej, a jego śladowe ilości nadają górnej warstwie alkoholowej żółtawe zabarwienie.

Zjawisko to nosi nazwę wysalania i bywa używane do odzyskiwania i zagęszczania związków organicznych – w szczególności przydaje się do bardzo trudnego do odzyskania z roztworów wodnych etanolu (używa się w tym celu dużych ilości siarczanu amonu lub węglanu potasu).

Doświadczenie 4

Do wysokiego szklanego naczynia (doskonale sprawdza się wąski słoik po oliwkach) wlej 90 ml alkoholu izopropylowego i 10 ml oleju rzepakowego. Do garnka (najlepiej wysokiego i wąskiego) wlej 300 ml wody, po czym dodaj 10 łyżek cukru i 10 łyżeczek soli kuchennej. Użyj garnka jako kąpieli wodnej, umieść w niej otwarty słoik z mieszaniną alkoholu i oleju (uwaga, mieszanina nie powinna być używana w bezpośrednim sąsiedztwie otwartego płomienia, najlepiej skorzystaj z płyty grzejnej) – woda w kąpieli powinna sięgać przynajmniej do wysokości cieczy w słoiku. Ostrożnie podgrzewaj na płycie grzejnej aż do wrzenia. Używając silikonowej rękawicy, co jakiś czas mieszaj płyn w słoiku.

Wyjaśnienie: Woda z dodatkiem cukru i soli może wrzeć w temperaturze nawet o 15°C wyższej niż temperatura wrzenia czystej wody. Pozwala to zaobserwować, że początkowo niemal niemieszające się olej i alkohol izopropylowy tworzą po przekroczeniu krytycznej temperatury (zwanej krytyczną temperaturą mieszalności) jednorodną ciecz o barwie żółtej. Po wyjęciu szklanego naczynia z kąpieli niemal natychmiast ciecz mętnieje na skutek powstawania emulsji – drobne kropelki oleju wypadają z roztworu i zbierają się na dnie słoika. Powstawanie jednorodnych roztworów oleju z etanolem jest jedną z technik odzyskiwania tego alkoholu z roztworów wodnych. W wysokiej temperaturze energia cząsteczek jest wyższa, co ułatwia powstawanie międzycząsteczkowych interakcji, które nie są możliwe w niższych temperaturach. Dodatkowo w wysokiej temperaturze cząsteczki stają się bardziej rozedrgane i ruchliwe, co utrudnia tworzenie się niekorzystnych sztywnych „klatek”, nasilona jest też dyfuzja – samorzutne migrowanie cząsteczek w roztworze.

***

Wiedza w pigułce

Oddziaływania międzycząsteczkowe są bardzo słabe, podatne na zerwanie, ale łatwe do odtworzenia. Pojawiają się, gdy w cząsteczkach występują atomy (np. tlen, azot) zawierające tzw. wolne pary elektronowe, które niczym magnesy przyciągają atomy wodoru innych cząsteczek. Wtedy pomiędzy cząsteczkami tworzą się wiązania wodorowe. To właśnie one „sklejają” cząsteczki cieczy i wpływają na szereg jej własności, m.in. znacznie podnosząc temperaturę wrzenia. Masa molowa wody wynosi 16 g/mol, a metanu – 18, jednak brak sklejających cząsteczki wiązań wodorowych w metanie sprawia, że jego temperatura wrzenia to zaledwie –253˚C!

W przeciwieństwie do polarnych cząsteczek wody, które zachowują się jak namagnesowane kulki, ciecze niepolarne (olej, benzyna) nie zawierają atomów z wolnymi parami elektronowymi i przypominają zachowaniem nasypane do szklanki ziarenka ryżu. Jeszcze dziwniej zachowuje się mieszanina obu cieczy – mikroskopijne cząsteczki tłuszczu wpadają w gąbczastą sieć oddziaływań cząsteczek wody i ją rozpychają, tworząc dla siebie miejsce. Olej, nie mogąc utworzyć z wodą wiązań wodorowych, wymusza tworzenie się na swojej powierzchni warstewki cząsteczek wody łączących się w klatrat – dość sztywną klatkę. Na powierzchni cząsteczki lub kropelki oleju woda zachowuje się tak, jakby „zamarzała”. Nawet jeśli cząsteczki wody chcą się z niej wyrwać, nie mają łatwo, gdyż nie mogą utworzyć wiązań wodorowych z cząsteczkami tłuszczu. Mogą najwyżej wpuścić na swoje miejsce najbliższą wolną cząsteczkę wody, ale im więcej w okolicy kropelek tłuszczu, tym więcej uwięzionych na jej powierzchni cząsteczek wody, a coraz mniej wolnych i chętnych do interakcji. To wymuszone uprządkowanie układu jest termodynamicznie bardzo niekorzystne – woda uwalnia się z klatratów, zbijając cząsteczki oleju w krople, a te w jeszcze większe krople. Ostatecznie tylko minimalna liczba cząsteczek wody styka się z olejem. Podobnie rozdzieli się mieszanina małych magnesów i ryżu. Co ciekawe, w stanie nadkrytycznym (w temperaturze 374˚C i ciśnieniu 22,1 MPa) woda może mieszać się z olejem swobodnie.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

słoik po oliwkach, 4 pojemniki na mocz, strzykawka, aceton lub acetonowy zmywacz do paznokci, alkohol izopropylowy, olej rzepakowy, cukier, sól kuchenna

Niewliczone w cenę: płyta grzejna, garnek na mleko, łyżka, łyżeczka, silikonowa rękawica

Czas przygotowania: 2 godz.

Koszt: 55 zł