„Gorący lód” odnosi się do popularnej demonstracji chemicznej, w której roztwór octanu sodu rozpuszczony w wodzie i umieszczony w zamrażarce natychmiast zestala się po wylaniu z pojemnika lub gdy do roztworu wrzuca się pojedynczy kryształ stałego octanu sodu. Proces krzepnięcia uwalnia ciepło, a zatem daje wrażenie powstawania gorącego lodu. Instruktorzy chemiczni wykorzystują to do wykazania zjawiska przesycenia lub zdolności niektórych roztworów do zawarcia większej ilości rozpuszczonego materiału niż zwykle.
Związki jonowe
W chemii termin „związek” odnosi się do materiału zawierającego więcej niż jeden pierwiastek chemiczny. Na przykład sól kuchenna, znana również jako chlorek sodu, zawiera atomy sodu i chloru. Gdy związek zawiera zarówno metal, jak i niemetal - co wyróżniono na układzie okresowym pierwiastków - chemicy nazywają ten związek „jonem”. Niektóre związki jonowe rozpuszczają się w wodzie, a podczas procesu rozpuszczania dodatnio naładowany metal, zwany kationem, oddziela się od ujemnie naładowanego niemetalu, zwanego anionem. Proces wytrącania stanowi przeciwieństwo tego procesu; to znaczy, kation i anion łączą się, tworząc w roztworze stałe kryształy.
Rozpuszczalność
Chemicy opisują zdolność związku do rozpuszczania się w wodzie jako rozpuszczalność. Z definicji związek obecny w mniejszej ilości reprezentuje substancję rozpuszczoną, a związek obecny w większej ilości reprezentuje rozpuszczalnik. W przypadku substancji stałej rozpuszczającej się w cieczy ciecz zwykle kwalifikuje się jako rozpuszczalnik. Zasadniczo chemicy określają rozpuszczalność w jednostkach, takich jak gramy na litr, co oznacza „gramy substancji rozpuszczonej, która rozpuści się w 1 l rozpuszczalnika” lub „gramy na 100 ml”. Nasycenie występuje, gdy maksymalna ilość substancji rozpuszczonej rozpuszcza się w danej ilości rozpuszczalnika. Niektóre związki wykazują z natury lepszą rozpuszczalność niż inne, ale we wszystkich przypadkach rozpuszczalność zmienia się w zależności od temperatury. Zasadniczo im wyższa temperatura, tym więcej substancji rozpuszczonych rozpuści się w danej ilości rozpuszczalnika. Proces przesycenia lub „przesycenia” roztworów zależy od manipulacji temperaturą.
Przesycenie
Zjawisko przesycenia występuje, gdy ilość substancji rozpuszczonej w danej ilości rozpuszczalnika przekracza punkt nasycenia. Naukowcy nie rozumieją w pełni mechanizmu, dzięki któremu rozwiązania stają się przesycone. Strącanie wymaga utworzenia w roztworze małego stałego krystalitu, procesu zwanego „zarodkowaniem”. Po utworzeniu się krystalitu drugi proces, znany jako wzrost, powiększa kryształy do poziomu makroskopowego, dzięki czemu można je obserwować i izolować. Ale wzrost nie zachodzi bez zarodkowania, a niektóre substancje rozpuszczone w pewnych warunkach są odporne na ten proces. Zarodkowanie zwykle wymaga „szorstkiej” powierzchni do inicjacji. Chropowata powierzchnia może być zanieczyszczeniem, takim jak cząsteczki kurzu, lub zadrapaniem wewnątrz szklanego pojemnika, w którym znajduje się roztwór. Alternatywnie eksperymentator może celowo zainicjować zarodkowanie przez dodanie pojedynczego, małego kryształu strącanego związku. W związku z tym większość instrukcji dotyczących demonstracji gorącego lodu wymaga dodania kilku ziaren stałego octanu sodu do przesyconego roztworu w celu wywołania krystalizacji.
Octan sodowy
Octan sodu jest związkiem jonowym składającym się z kationów sodu, Na (+) i jonów octanowych, C2H3O2 (-). Podobnie jak większość octanów wykazuje wysoką rozpuszczalność w wodzie: 76 g rozpuszcza się w 100 ml w 0 stopniach C. Rozpuszczalność wzrasta jednak znacznie w wyższej temperaturze. Demonstracja na gorącym lodzie wymaga stworzenia nasyconego roztworu octanu sodu w gorącej wodzie, a następnie umieszczenia roztworu w zamrażarce. Gdy roztwór ostygnie i zbliża się do 0 stopni C, stężenie octanu sodu pozostanie powyżej 76 g na 100 ml, tj. Roztwór będzie przesycony.
Gorący lód
Wytrącanie się substancji stałej z roztworu powoduje zmniejszenie zaburzenia układu. Oznacza to, że w roztworze jony poruszają się swobodnie w losowych kierunkach, a zatem wykazują duże zaburzenia. Kiedy jony łączą się, tworząc stałe kryształy, ich swoboda ruchu zostaje ograniczona. Naukowcy opisują to jako zmniejszenie entropii lub zaburzenia systemu. Prawa termodynamiki przewidują, że aby proces wykazujący spadek entropii zachodził spontanicznie, taki jak wytrącanie się substancji stałej z roztworu, proces musi również uwalniać ciepło. W konsekwencji wprowadzenie stałego krystalitu octanu sodu samo się ogrzeje, gdy octan sodu wytrąci się z roztworu.
