Rodzaje wody w związkach chemicznych oraz
pojęcie wilgoci w materiałach
Opracowanie:
mgr inż. Paweł Kamrowski
PRZEDMIOT: Laboratorium badań chemicznych
TEMAT: Rodzaje wody w związkach chemicznych oraz pojęcie
wilgoci w materiałach
OBOWI
ZUJ
CE ZAGADNIENIA:
- rodzaje wody w związkach chemicznych
- pojęcie wilgotności
- metody wyznaczania wilgotności materiałów
- podstawowe obliczenia w związkach chemicznych
LITERATURA:
Minczewski J., Marzenko Z.: Chemia analityczna t. 2, PWN, W-wa1998.
Jarząb R., A
omozik L., Bregier-Jarzębowska R., Podstawy chemii nieorganicznej,
Poznań 2004, ISBN 83-920415-1-8.
www.label.com.pl
CEL ĆWICZENIA:
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się metodami wyznaczania wilgotności materiałów i
zapoznaniem się z rodzajami wody w związkach chemicznych.
ZAGADNIENIA TEORETYCZNE
W substancjach chemicznych rozróżniamy trzy sposoby wiązania cząsteczek
wody:
1. Woda higroskopijna - woda zaadsorbowana, czyli skondensowana na powierzchni
ciała stałego. Zawartość jej zależy od wielkości powierzchni ciała i wilgotności
powietrza. Można ją usunąć umieszczając substancję w eksykatorze lub przez
wysuszanie w suszarce w temperaturze 105 - 130�C.
2. Woda krystalizacyjna - woda stanowiąca fragment siatki krystalicznej, np.
Na2 SO4�10H2O, CuSO4�5H2O.
3. Woda konstytucyjna - substancje zawierające w swym składzie tlen i wodór w
trakcie rozkładu termicznego wydzielają cząsteczki wody.
4.
Ca(OH)2 CaO + H2O
5. Dehydratacja  usunięcie wody. Może dotyczyć zarówno usunięcia wody z kryształu
związku uwodnionego (wody związanej fizycznie) jak i usunięcie cząsteczki wody ze
związku chemicznego np. poprzez jednoczesne odczepienie grupy OH i atomu
wodoru. Dehydratacja związku chemicznego najczęściej wymaga katalizatora i
silnego środka odwadniającego (np. stężony kwas siarkowy(VI) lub P2O5) lub
wysokiej temperatury.
Wilgotność materiałów
Wilgotność materiałów jest jednym z kryteriów decydujących o jakości substancji. W
wielu przypadkach określenie wilgotności musi się odbywać szybko w możliwie pewny
sposób. Dotyczy to wszystkich laboratoriów i ośrodków badawczych związanych
bezpośrednio z produkcją. Stosowanie w takich przypadkach metody tradycyjnej polegającej
na ważeniu, suszeniu kilka godzin w piecu i ponownym ważeniu jest niemożliwe. Czas
potrzebny na określenie wilgotności taką metodą jest zbyt długi. Urządzeniami
umożliwiającymi wykonanie szybkiego i dokładnego pomiaru wilgotności są wagosuszarki.
W wagosuszarkach wykorzystuje się podobnie, jak metodzie tradycyjnej zjawisko
termograwimetrii.
Wilgotność określamy z zależności:
mp - mk
W = �"100%
mk
gdzie: mp  masa próbki przed suszeniem, mk  masa próbki po wysuszeniu
Termograwimetria jest metodą określania ubytku masy, który występuje podczas ogrzewania
substancji. Podczas tego procesu próbka ważona jest przed i po ogrzewaniu, a następnie
oblicza się różnicę pomiędzy tymi dwoma określonymi masami. Nazwa pochodzi z łacińskiej
nazwy trójczłonowej:
thermo = ciepło, gravi = ciężar, metry = metoda.
Co to jest wilgotność materiałów
Wilgotność materiału jest to zbiór wszystkich składników występujących w próbce,
które wyparowują podczas jej ogrzewania. Prowadzi to do ubytku masy. Większość
użytkowników nie dostrzega różnicy pomiędzy wilgotnością a zawartością wody w próbce.
W metodach termograwimetrii wszystkie zmieniające się składniki ulatniają się podczas
ogrzewania próbki. Zatem zawartość wilgoci to nie tylko ulatnianie się wody, ale również
tłuszczy, olei, alkoholi, rozpuszczalników organicznych, przypraw oraz innych składników,
które mogą powstać w wyniku rozkładu termicznego (produkty spalania). Całkowity ubytek
wszystkich składników daje w efekcie ubytek masy. Różnica masy przed suszeniem i po
suszeniu umożliwia określenie wilgotności. Nie ma możliwości selekcjonowania ubytku
czystej wody od ubytku innych składników.
Metody określania wilgotności
Istnieje wiele metod określania zawartości wilgoci w materiałach. Generalnie można
te metody podzielić na dwie kategorie: absolutne określanie wilgoci oraz dedukcyjne
określanie wilgoci. Stosując absolutne metody, zawartość wilgoci jest oznaczana
bezpośrednio, np. jako stosunek masy przed suszeniem do masy po suszeniu. W przypadku
metod dedukcyjnych, zawartość wilgoci jest oznaczana pośrednio. Mierzone są właściwości
fizyczne, które wiążą się z wilgotnością w badanej substancji (np. absorpcja promieni
elektromagnetycznych lub elektryczna przewodność właściwa).
Temperatura suszenia
Wartość ta zależna jest od rodzaju materiału. Zbyt niska temperatura powoduje
częściowe odparowanie wody (niedosuszenie próbki). Zbyt wysoka temperatura powoduje
efekt spalania materiału (przegrzanie próbki) lub możliwość zachodzenia innych reakcji
chemicznych. Temperaturę suszenia podają normy branżowe lub zakładowe. Jeżeli nie ma
norm należy dobrać ją doświadczalnie. Temperaturą często stosowaną jest 104�C. Jest to
temperatura sprzyjająca oddawaniu wody wolnej zawartej w próbce.
Właściwości próbki
Masa próbki (zależna od typu materiału) powinna być tak dobrana, żeby cienką
warstwą pokrywała szalkę. W przypadku materiałów trudno oddających wodę, masa próbki
ma bardzo istotny wpływ na wynik pomiaru. Ponieważ wilgotność jest pomiarem pośrednim
(przeliczanym ze wskazań masy) nie należy stosować naważek zbyt małych poniżej 1g.
Ważenie a zarazem suszenie tak małych mas może być obarczone nadmiernym błędem
względnym.
Ziarnistość - zalecane jest suszenie próbek w stanie rozdrobnionym. Otrzymane rezultaty
cechują się wówczas mniejszym rozrzutem wyników i krótszym czasem trwania pomiaru.
Konsystencja materiału - jest to cecha charakterystyczna dla danego materiału. Należy
pamiętać o tym, że materiały o zwartej konsystencji (glinki, masy formierskie) trudniej oddają
wilgoć.
Czas trwania pomiaru
W przypadku suszenia do uzyskania stałej masy czas trwania pomiaru jest zależny od doboru
parametrów suszenia tj. czasu próbkowania, temperatury suszenia oraz od wielkości próbki.
W przypadku suszenia w założonym czasie, czas trwania pomiaru określa użytkownik.
Przygotowanie próbek do suszenia
Przygotowując próbkę do badań wilgotności należy zwrócić uwagę na kilka czynników.
Niedoceniając tego etapu prac przygotowawczych można na wstępie procesu suszenia mieć
próbkę o fałszywej wilgotności. Jeżeli próbka ma być zmniejszona (np. zmielona) przed
suszeniem powinna być tak preparowana, żeby nie generować ciepła. Należy pamiętać o tym,
że ciepło generowane w procesie obróbki wstępnej, spowoduje utratę części wilgoci przed
właściwym suszeniem.
Pobranie próbki
y
ródło, z którego próbka będzie pobierana i przygotowywana odgrywa bardzo ważną rolę w
wiarygodności i powtarzalności wyników. Po pobraniu próbki powinna ona reprezentować
analizowany produkt w całości. W większości przypadków produkt może być
homogenizowany przez miksowanie lub mieszanie przed pobraniem próbki. Powszechne jest
również pobieranie kilkunastu próbek z różnych obszarów produktu lub zdefiniowanych
przedziałów oraz obliczanie średniej z uzyskanych wartości. Innym sposobem na to aby być
pewnym, że próbka odzwierciedla produkt jest wymieszanie kilkunastu próbek pobranych z
różnych obszarów produktu. Która z powyższych metod jest najbardziej odpowiednia dla
poszczególnych zastosowań zależy od wymagań prowadzonej analizy. Kiedy próbka jest
pobierana i póz
niej przygotowywana ważne jest, aby nie straciła wilgoci jako rezultat wpływu
warunków zewnętrznych. Dlatego też próbka powinna być pobrana i przygotowana tak
szybko jak to możliwe. Zalecane jest przygotowywanie tylko jednej próbki w jednym czasie.
Pobranie kilkunastu próbek w tym samym czasie, wymaga przygotowania hermetycznych
pojemników (eksykatorów). Będą w nich przechowywane próbki przed suszeniem.
Jakkolwiek należy upewnić się, że warunki przechowywania nie zakłócają stanu lub
warunków próbki. Ciepłe substancje tracą swoją wilgoć bardzo szybko. Jeżeli będą
przechowywane w opakowaniu, wilgoć może kondensować się na ścianach opakowania.
Przed analizowaniem takiej próbki wilgoć skondensowana musi być z powrotem wmieszana
do próbki. Jeżeli wilgoć skondensowana nie będzie wmieszana do próbki, wartość zmierzona
przez wagosuszarkę będzie zbyt niska. Wymiary opakowania muszą być odpowiednie dla
ilości próbki. Jeżeli opakowanie jest zbyt duże i niecałkowicie wypełnione to próbka może
zmienić swoją wilgoć.
Podział materiałów
Wszystkie materiały, dla których określana jest wilgotność można podzielić na 3 grupy:
" ciała stałe (np. papier, bibuła, drewno),
" materiały sypkie (np. zboża, piaski i masy formierskie, tytoń, proszki),
" materiały półpłynne (np. masło, margaryna, jogurt itp.).
Każda z w/w grup materiałów cechuje się odmienną metodyką pracy. Składa się na nią kilka
czynników takich jak:
" dobór wielkości próbki (naważki),
" rozmieszczenie próbki na szalce,
" suszenie z wykorzystaniem elementów dodatkowych typu piaski kwarcowe, bibuły
itp.
Ciała stałe
Zależnie od struktury ciała stałego (zwarta, luz
na) proces określania wilgotności przebiega
szybciej lub też wolniej. Wielkość powierzchni ciała stałego decyduje o szybkości suszenia i
wiarygodności pomiaru. Powierzchnia ciała stałego powinna być zatem jak największa.
Ponieważ ciała stałe oddają wilgoć zewnętrzną powierzchnią, istotną rolę odgrywa również
grubość próbki.
Ciała sypkie
Suszone są w formie naturalnej, czyli w takiej, w jakiej występują lub też po rozdrobnieniu.
Rozdrobnienie próbki sprzyja uzyskiwaniu mniejszych rozrzutów pomiędzy kolejnymi
pomiarami. Masa próbki nie może być zbyt duża. Próbka powinna cienką warstwą pokrywać
całą powierzchnię szalki. Materiały o ciemnej barwie pochłaniają ciepło w czasie suszenia.
Dla nich należy określać współczynniki korygujące proces suszenia.
Ciała półpłynne
Substancje półpłynne suszone są w takiej postaci, w jakiej występują. Znaczne ilości tłuszczu
występujące w niektórych substancjach utrudniają proces określania wilgotności.
W takich przypadkach należy zastosować dodatkowe elementy, które zwiększą powierzchnię
czynną próbki, z której oddawana jest wilgoć. Do takich elementów należą: piasek kwarcowy,
bibuła. Przed właściwym suszeniem dodatkowe elementy należy wysuszyć, po to, żeby ich
wilgotność była bliska zeru.
Rozmieszczenie próbki na szalce
Aby uzyskać powtarzalne wyniki należy zastosować próbkę cienko rozprowadzoną na szalce.
Próbka powinna być przystosowana do szalki tak szybko, aby nie straciła ona wilgoci przed
analizą. Jeżeli próbka będzie rozmieszczona przypadkowo, niedostatecznie, nierównomiernie
to rezultatem tego będzie nierównomierne przewodzenia ciepła do substancji suszonej. W
rezultacie próbka nie będzie wysuszona kompletnie lub czas suszenia niepotrzebnie wydłuży
się.
Jeżeli próbka będzie nierównomiernie usypana na szalce, to górne warstwy otrzymają więcej
ciepła niż niższe. Próbka może się spalić lub na powierzchni próbki może uformować się
skorupa (warstwa nieprzepuszczalna) uniemożliwiająca oddawanie wilgoci z dolnych warstw
próbki.
Jeżeli zastosujemy bardzo cienką warstwę próbki lub formę skorupy na powierzchni próbki to
utrudni to lub wręcz uniemożliwi uwalnianie się wilgoci.
WYKONANIE ĆWICZENIA
1. Wyznaczyć wilgotność materiałów: poliamidu 6, żelu krzemowego. Zmierzyć
wilgotność za pomocą metody suszenia w suszarce laboratoryjnej. Umieścić 2 gramy
danego materiału na naczynku wagowym, ważymy za pomocą wagi analitycznej, a
następnie próbki umieszczamy w suszarce o temperaturze około 150 �C na czas około 1
godziny. Po wysuszeniu określamy z różnicy mas wilgotność próbki.
Masa próbki Masa próbki po Wilgotność
przed suszeniem suszeniu W [%]
Próbka
mp [g] Mk [g]
2. Oznaczanie wody krystalizacyjnej w CuSO4�xH2O. W zważonym na wadze
analitycznej naczyńku wagowym umieszczamy około 0,5 grama uwodnionego
siarczanu(VI) miedzi(II), a następnie dokładnie ważymy je wraz z zawartością. Z różnicy
mas obliczamy dokładną ilość CuSO4�xH2O. Naczyńko z uwodnioną solą wkładamy do
suszarki o temperaturze około 150�C. Sól suszymy w naczyńku z odkrytą przykrywką
przez około 1 godz. Naczyńko wyjmujemy z suszarki, studzimy w eksykatorze i ważymy.
Z różnicy mas przed i po suszeniu otrzymujemy masę wody krystalizacyjnej. Następnie
obliczamy zwartość procentową wody w związku i ilość moli wody krystalizacyjnej
przypadającej na 1 mol cząsteczek CuSO4.
a. Oblicz, znając masę substancji i masę wody, procentową (wagowo)
zawartość H2O w badanej substancji
b. Oblicz ilość moli wody krystalizacyjnej przypadającej na 1 mol
siarczanu(VI) miedzi(II)
Masa naczynka wagowego [g]
Masa naczynka wagowego z CuSO4�H2O przed suszeniem [g]
Masa CuSO4�H2O [g]
Masa naczynka wagowego z CuSO4�H2O po suszeniem [g]
Ubytek masy (masa wody)
3. Przygotowujemy 5% roztwór CoCl2 i moczymy w nim kawałek bibuły. Wilgotny kawałek
bibuły kładziemy na szkiełko zegarkowe i wkładamy do suszarki o temp. powyżej 105�C.
Suszymy aż do zmiany barwy. Po wyjęciu studzimy. Chuchamy kilka razy na tak
spreparowany kawałek bibuły. Obserwujemy zmiany barwy.
a. Dlaczego w części C ćwiczenia bibuła zmienia barwę po chuchnięciu?
Podaj równania reakcji zachodzących podczas suszenia i podczas
chuchania
4. Woda konstytucyjna. Odrobinę NaHCO3 wsypujemy na dno suchej probówki i
ogrzewamy przez 3 minuty nad palnikiem. Obserwujemy zachodzące zmiany.
5. Dehydratacja związków organicznych. Szczyptę cukru (sacharozy) wsypujemy do
suchej probówki i ogrzewamy w płomieniu palnika do zwęglenia substancji.
Obserwujemy zachodzące zjawiska.
a. Jakiego typu woda uwolniła się w trakcie tej reakcji?