Кристаллогидраты - формула, свойства и применение соединений

Так, современную промышленность нельзя представить без алебастра, жженого гипса, силикагеля, глауберовой соли, буры, алюмогеля и многих других веществ, относящихся к группе кристаллогидратов.

Общая характеристика

Кристаллогидратами называются химические соединения, в которых присутствуют молекулы воды. Они создаются, когда катионы вещества кристаллической решетки образуют связи с водными молекулами. Соединения более прочные, чем связи анионов и катионов в кристаллах безводной соли.

Примечательным свойством кристаллогидратов является то, что при низких температурах содержащаяся в них жидкость связывается с катионами и ионами солей. Основания, кислоты, а также значительное количество солей из водных растворов в осадок выпадают кристаллогидратами, завершая кристаллизационный процесс.

Кристаллогидратами являются известные и распространённые природные минералы — карналлит, гипс, кристаллическая сода, купорос (медный и железный).

Немного истории

История этих химических элементов начинается с 1826 года, когда были открыты гидраты спирта.

Дальнейшее продолжение их изучения связано с Д. И. Менделеевым. В процессе исследования реакции соединения воды и спирта он определил, что при этом образуются новые соединения, которые сопровождают химические и физические процессы.

В 1880 году понятие гидраты было введено в химии для характеристики определённых соединений веществ, растворенных в жидкости. Однако систематическое и подробное изучение кристаллогидратов, возможность рассчитать их массовую долю, выявление и установление составляющих началось только в 1889 году.

Терминология и состояния

Если молекулы растворителя связываются с анионами растворяемых в нем веществ, то образуются соединения, которые называют сольватами, а сам процесс — сольватацией.

Когда растворителем является вода, то получаемые соединения называют гидратами, а процесс — гидратацией. Таким образом, гидраты — это химические соединения, в которых жидкость присоединилась к ионам, атомам и молекулам растворенного в ней вещества. Их состояние может быть газообразным, жидким и твёрдым.

Гидраты, находящиеся в твердом состоянии, называют кристаллогидратами. Это соединения, включающие в себя частицы H2O. В них атом кислорода соединен с двумя водородными атомами ковалентными связями. Частицы H2O находятся в соединении с иными атомами посредством химических либо межмолекулярных связей. Вода в таких соединениях называется кристаллизационной.

К представителям этих химических соединений относятся многочисленные вещества, к которым причисляют кристаллоамиакаты, кристаллоалкоголяты, кристаллоэфираты и иные соединения.

Растворение в воде

Растворение кристаллогидратов в воде — сложный химико-физический процесс. При этом решетка кристаллическая у соединения может рушиться, а образуемые вследствие этого элементы (частички) распространяются по всему раствору. Такое преобразование способно выдать значительную тепловую энергию.

Объём в соединениях воды может быть различным: от молей дробного числа на моль вещества до значительного молярного объема.

В зависимости от состояния температуры среды одно и то же вещество может иметь в себе различное количество молекул воды. Отдельные кристаллогидраты при попадании на воздух могут терять кристаллизационную воду самостоятельно (самопроизвольно), что называется выветриванием.

В большинстве случаев, чтобы удалить жидкость (воду) искусственно, привести ее к обезвоживанию, используют нагревание и прокаливание.

Краткий обзор

Основная масса кристаллогидратов — соли. Их химический состав выражается формулой, в которой указывают молекулярное число кристаллизационной воды, ее долю на одну молекулу вещества.

Для обозначения формулы конкретного кристаллогидрата указывают молекулярное число воды, используя приставки из греческого алфавита. Их список:

• моно (1);
• ди (2);
• три (3);
• тетра (4);
• пента (5);
• гекса (6);
• гепта (7);
• окта (8);
• нона (9);
• дека (10).

Пример: 5Н2O — пента, 7Н2O — гепта, 10H2O — дека. Кристаллогидрат гептагидрата сульфата цинка — ZnSO4 7H2O.

Соединения сульфатов металлов принято называть купоросами. Среди наиболее известных: CuSO4 5H2O — медный купорос (кристаллогидрат сульфата меди), FeSO4 7H2O — купорос железный.

Некоторые популярные и востребованные в промышленности виды называются техническими. Их названия: сода кристаллическая — Na2CO3 10H2O, глауберова соль — Na2SO4 10H2O, горькая (английская) соль — MgSO4 7H2O.

Классификация соединений

Рассматриваемые вещества в химии относятся к сложным соединениям, состоящих из атомов нескольких химических элементов.

Принято осуществлять их классификацию по ряду параметров:

1. По связи структуры безводного вещества и кристаллогидрата. Определенный состав — кристаллогидраты при удалении из них воды сжимают свою кристаллическую решетку. В основном это многоосновные кислоты, основания и клатраты. Неопределенный состав — при удалении воды структура кристалла не изменяется. Это возможно при наличии в кристаллах больших свободных промежутков. Пример — цеолиты.
2. По числу молекул воды, которые входят в формулу конкретного кристаллогидрата.
3. По соединению, участвующему в создании кристаллогидрата: неорганические и органические.
4. По агрегатному состоянию гидратообразователя: твердое (соли), газообразное и жидкость (кислота серная, спирт этиловый).
5. По классу соединений: кислоты, основания и соли.
6. По температурной устойчивости. Первые — стабильные при отрицательных температурах, вода удерживается силами Ван-дер-Ваальса. Вторые — вода кристаллизационная без проблем удаляется нагреванием и удерживается в веществе межмолекулярными слабыми связями. Третьи — связи воды сильные (химические), вещество теряет ее при высоких температурах либо она разлагается с образованием иных химических веществ при нагревании.
7. По состоянию воды. Внутрисферные — связи кристаллизационной воды происходят посредством ковалентного взаимодействия с катионам. Смешанные — вода удерживается водородными связями. К этой группе относятся купоросы, в которых пятая водяная молекула такую связь и выдает. Еще одна группа — соединения, создающие водяные молекулярные цепи благодаря связыванию двух катионов. Молекулы воды образуют слои, которые объединяются ионами соли. Структура таких веществ подобна льду.

Место в курсе химии

С учетом того, что современное развитие общества и промышленности неразрывно связано с химией, базовые знания по ней начинают преподавать в школе. Тогда же молодое поколение в знакомится с кристаллогидратами.

Школьный курс химии знакомит учеников с определениями этих веществ, предлагает найти решения различным задачам, связанным с получением и видоизменением этих соединений, в том числе с помощью практических занятий и разнообразных поучительных презентаций.

Области применения

Кристаллогидраты нашли применение в различных отраслях народного хозяйства. Так, гипс используется в медицинской сфере (в стоматологии, хирургии, ортопедии).

В медицине широко применяются сульфат натрия (Na2SO4), сульфат магния (MgSO), сульфат цинка (ZnSO4), цитрат натрия (Na3C6H5O7), хлорид кальция (CaCl2), нитрат кальция (Ca (NO3)2), хлористое железо (FeCl2).

Медный купорос известен как красящее вещество для тканей. Его растворами защищают древесину, протравливают семена.

Метан в природных условиях в виде кристаллогидрата залегает в недрах Земли в огромных количествах, являясь перспективным моторным топливом.