Hydraty – czyli sole uwodnione

Co to są hydraty?

Hydraty są to związki chemiczne należące do grupy systematycznej soli, które w swojej strukturze krystalicznej posiadają cząsteczki wody. Zwane są one również solami uwodnionymi. Woda wbudowana w hydrat nazywana jest wodą hydratacyjną. Jest ona związana z cząsteczkami soli bezwodnej w określonych proporcjach, co oznacza, że na każdą jednostkę formalną soli ma przypisaną dokładną liczbę cząsteczek wody.

Wzór chemiczny hydratu zapisuje się jako:

X_yY_x⋅nH₂O

Gdzie:

• X_yY_x to wzór chemiczny soli,
• n to liczba cząsteczek wody przypadająca na jedną jednostkę formalną soli. Może być różna w zależności od związku i warunków krystalizacji.

Nazewnictwo hydratów

Nazewnictwo hydratów jest kluczowe do poprawnego ich identyfikowania i zapisywania ich wzorów chemicznych. Nazwy hydratów składają się z dwóch elementów:

• nazwa soli bezwodnej – główny składnik związku chemicznego.
• liczba cząsteczek wody – wyrażona za pomocą przedrostków liczbowych lub stosunku liczby cząsteczek soli prostej/złożonej do liczby cząsteczek wody.

Kilka przykładów:

Jak powstają hydraty?

Hydraty powstają w procesie krystalizacji soli z roztworu wodnego lub w wyniku pochłonięcia wody przez sole higroskopijne. W trakcie tego procesu jony soli przyciągają cząsteczki wody, które wbudowują się w swoją sieć krystaliczną w ustalonej liczbie. Liczba cząsteczek wody zależy od struktury soli oraz warunków, takich jak temperatura, ciśnienie i stężenie roztworu z którego zachodzi krystalizacja.

Co się dzieje z hydratami po ogrzaniu?

Hydraty, pod wpływem ogrzewania, tracą cząsteczki wody krystalizacyjnej. Proces ten nazywa się dehydratacją
i prowadzi do powstania soli bezwodnej. 

Jeżeli zważymy naczynie z hydratem przed ogrzaniem oraz naczynie z substancją powstałą po ogrzaniu, to zaobserwujemy, że masy tych dwóch naczyń są inne, a różnica masy odpowiada masie uwolnionej wody z sieci krystalicznej hydratu.  

Woda krystalizacyjna wpływa również na właściwości soli, na przykład: 

• siarczan miedzi(II): hydrat CuSO₄⋅5H₂O ma intensywny niebieski kolor, ale po utracie wody hydratacyjnej staje się biały.
• gips krystaliczny: hydrat siarczanu wapnia CaSO₄⋅2H₂O zmienia się po ogrzaniu
  w bezwodny siarczan wapnia znany jako anhydryt.

Przykład z grafiką

1. Masa substancji to NIE masa hydratu, a tylko jego część. Na naszym przykładzie: masa hydratu to 40g, a masa substancji to 28 g. Pozostałe 12 g to woda z hydratu.

 2. Masa wody w całym roztworze ma 2 źródła:

• woda z hydratu (12 g)
• dodatkowa woda, dodana jako rozpuszczalnik (60 g).

Razem wody w roztworze jest 72 g.

 3. Masa roztworu to wszystko razem, a więc masa hydratu (która dzieli się na masę substancji oraz masę wody
z hydratu) oraz osobno dodana woda.

 4. W zadaniach z hydratami zazwyczaj używa się mas molowych do przeliczania masy hydratu na masę substancji bezwodnej.

Hydraty – uwagi egzaminatorki maturalnej

• masa substancji suchej to nie to samo co masa hydratu – masa hydratu to masa substancji + masa wody hydratacyjnej,
• dodatek hydratu danej substancji do roztworu tej substancji wpływa na zmianę gęstości roztworu,
• w trakcie rozpuszczania hydratu masa cząsteczek wody hydratacyjnej wchodzi do masy rozpuszczalnika, a tym samym do masy roztworu, ale nie stanowi masy substancji
• stosunek masy substancji do masy wody hydratacyjnej do masy hydratu, zgodnie z prawem zachowania masy, jest zawsze niezmienny i warto to uwzględniać w obliczeniach związanymi z rozpuszczaniem hydratów.

Jakie typy zadań dotyczące hydratów pojawiają się na egzaminie maturalnym z chemii w zakresie rozszerzonym?

Zwykle pojawiające się na „maturze” treści zadań dotyczące hydratów wymagają ustalenia wzoru hydratu (w tym ustalenie liczby cząsteczek wody hydratacyjnej) lub obliczenia parametrów związanych ze stężeniem procentowym/rozpuszczalnością (tu zdający ma między innymi za zadanie obliczyć, ile soli bezwodnej znajduje się w danej ilości hydratu). 

Zadania w stylu maturalnym

Zadanie 1.

Rozpuszczalność pewnego hydratu chlorku wapnia CaCl₂∙nH₂O w 20^oC wynosi 88 g na 100 g wody. Stężenie nasyconego roztworu chlorku wapnia w tej temperaturze wynosi 23,7% masowych. Na podstawie odpowiednich obliczeń ustal wzór opisanego hydratu. 

Odpowiedź

M_CaCl2∙6H2O = 219 g/mol

M_CaCl2= 111 g/mol

M_H2O = 18 g/mol

M_r = 88 g + 100 g = 188 g

C_p = 23,7%

m_s = (23,7%/100%) ∙188 g = 44,6 g

m_H2O = 88 g – 44,6 g = 43,4 g

111 g – n∙18 g

44,6 g – 43,4 g 

n = 6

Wzór hydratu to: CaCl₂∙6H₂O

Zadanie 2.

Pewien pierwiastek chemiczny tworzy hydrat o wzorze X₂SO₄ ∙10H₂O. Próbkę tego hydratu o masie 10 g umieszczono w tyglu pod wyciągiem i poddano prażeniu, aż do uzyskania stałej masy badanego układu. Stwierdzono, że masa zawartości tygla zmalała o 5,59 g.  Na podstawie odpowiednich obliczeń, ustal symbol pierwiastka X.

Odpowiedź

Zmiana masy odpowiada stracie wody hydratacyjnej. Oznacza to, że w 10 g hydratu znajdowało się 5,59 g wody, co odpowiada 55,9% masy hydratu.

Masa jednego mola hydratu wynosi więc:

55,9% – 10 mol ∙18 g/mol H₂O

100% – x

X = 322 g/mol

Masa 1 mola soli X₂SO₄:

322 g – 180 g = 142 g

M_X2SO4 =142 g/mol

Masa molowa pierwiastka X wynosi więc:

2M_X = 142g/mol – 96g/mol = 46 g/mol

Mx = 23 g/mol -> szukanym pierwiastkiem X był sód.

Zadanie 3.

Rozpuszczalność heksahydratu azotanu(V) miedzi(II) wodzie w temp 20^oC wynosi 785 g na 100 g wody. Oblicz, ile gramów wody należy dodać do 200g nasyconego w tej temperaturze roztworu tej soli, aby uzyskać roztwór o stężeniu 15%, wynik zaokrąglij do jednego miejsca po przecinku. 

Odpowiedź

M_{Cu(NO3)2∙6H2O} = 296 g/mol

M_Cu(NO3)2 = 188 g/mol

Masa hydratu w 200 g roztworu:

785 g hydratu – 785g+100 g roztworu

X                    – 200 g roztworu

x = 177,4 g hydratu

Masa soli bezwodnej:

188 g Cu(NO₃)₂  – 296 g hydratu

y                      – 177,4 g hydratu

y = 112,7 g

Masa wody potrzebna do otrzymania roztworu o stężeniu 15%:

15g       – 85 g wody

112,7 g  – z

z = 638,6 g wody

Masa wody, którą należy dodać do roztworu hydratu (należy od obliczonej ilości wody odjąć wodę pochodzącą z hydratu):

m_wody = 638,6 g – 64,7 g = 573,9 g