Кристаллизационная вода
Мы часто используем словосочетание «кристально чистый». Почему так?! На самом деле, кристаллы образуются только из самого чистого вещества, конечно, если это вещество способно кристаллизоваться. Вещества, которые загрязнены другими веществами, включениями, кристаллов, практически, не образуют или образуют очень маленькие, бесформенные кристаллики.
Из вышеизложенного вовсе не означает, что если вещество не кристаллического характера, значит оно не чистое… . Но надо отметить, что самые красивые кристаллы, природные или выращенные искусственным способом, например, из соли, имеют кристаллизационную воду. Примером таких кристаллов, имеющих кристаллизационную воду, могут служить голубые кристаллы медного купороса, салатово-зелёные кристаллы сульфата железа, красные и жёлтые кристаллы соответственно красной и жёлтой кровяной соли и даже всем знакомая кальцинированная сода (карбонат натрия) имеет кристаллизационную воду. Извлечь её из кристаллов, бывает, достаточно тяжело. Для голубых кристаллов медного купороса необходим нагрев, при котором происходит испарение имеющейся кристаллизационной воды и образуется новое вещество – безводный сульфат меди – порошок белого цвета. В этом случае (без кристаллизационной воды) кристалл существовать не может.
Кристаллизационная вода в кристаллах железного купороса
Интересно также то, что, например, в 100 граммах медного купороса содержится 36 граммов воды, а при покупке кальцинированной соды мы приобретаем воду, которая составляет 2/3 состава самой соды.
Попробуем определить наличие кристаллизационной воды в составе соли. Для этого проведём опыт по определению воды в составе пищевой соли (та же поваренная соль – определим, есть ли там кристаллизационная вода или нет). Определим её и в составе медного купороса.
Начнём с медного купороса: на но пробирки поместим немного медного купороса и закроем пробкой. Внесём пробирку в пламя. Голубые кристаллики будут трещать и разрушаться, постепенно превращаясь в бесформенный белый порошок. А в верхней части пробирки (в холодной зоне) появятся капельки воды, что свидетельствует о её наличии в голубых кристаллах сульфата меди.
Теперь точно также поступим с поваренной солью. В этом случае, сколько бы мы не нагревали колбу с бесцветными кристалликами, воду всё равно не увидим! Это говорит о том, что поваренная соль не содержит кристаллизационной воды!
При наличии соли кобальта (хлорида кобальта) можно провести точно такой же опыт. При этом отметим, что безводный хлорид кобальта имеет синий цвет, а с кристаллизационной водой цвет изменяется на красный!
Источник
Кристаллизационная вода — Water of crystallization
В химии кристаллизационная вода или вода гидратации — это молекулы воды , которые присутствуют внутри кристаллов . Вода часто участвует в образовании кристаллов из водных растворов . В некоторых случаях кристаллизационная вода представляет собой общую массу воды в веществе при данной температуре и в основном присутствует в определенном ( стехиометрическом ) соотношении. Классический, «кристаллизационная вода» относится к воде , которая находится в кристаллической структуре в виде металлического комплекса или соли , которая непосредственно не связанные с металлическим катионом .
При кристаллизации из воды или водосодержащих растворителей многие соединения включают молекулы воды в свои кристаллические структуры. Кристаллизационную воду обычно можно удалить путем нагревания образца, но кристаллические свойства часто теряются. Например, в случае хлорида натрия дигидрат нестабилен при комнатной температуре.
По сравнению с неорганическими солями , белки кристаллизуются с большим количеством воды в кристаллической решетке. Содержание воды в 50% не является чем-то необычным для белков.
СОДЕРЖАНИЕ
Номенклатура
В молекулярных формулах кристаллизационная вода обозначается по-разному, но часто нечетко. Термины «гидратированное соединение» и «гидрат» обычно нечетко определены.
Положение в кристаллической структуре
Соли с соответствующей кристаллизационной водой известна как гидрат . Структура гидратов может быть довольно сложной из-за наличия водородных связей , определяющих полимерные структуры. Исторически структура многих гидратов была неизвестна, и точка в формуле гидрата использовалась для определения состава без указания того, как вода связана. Примеры:
- CuSO 4 • 5H 2 O — пентагидрат сульфата меди (II)
- CoCl 2 • 6H 2 O — гексагидрат хлорида кобальта (II)
- SnCl 2 • 2H 2 O — дигидрат хлорида олова (II) ( или двухвалентного олова)
Для многих солей точное связывание воды не имеет значения, потому что молекулы воды становятся неустойчивыми при растворении. Например, водный раствор, приготовленный из CuSO 4 • 5H 2 O и безводного CuSO 4, ведут себя одинаково. Поэтому знание степени гидратации важно только для определения эквивалентной массы : один моль CuSO 4 • 5H 2 O весит больше, чем один моль CuSO 4 . В некоторых случаях степень гидратации может иметь решающее значение для получаемых химических свойств. Например, безводный RhCl 3 не растворяется в воде и относительно бесполезен в металлоорганической химии, тогда как RhCl 3 • 3H 2 O универсален. Точно так же гидратированный AlCl 3 является слабой кислотой Льюиса и поэтому неактивен в качестве катализатора реакций Фриделя-Крафтса . Поэтому образцы AlCl 3 должны быть защищены от атмосферной влаги, чтобы предотвратить образование гидратов.
Кристаллы гидратированного сульфата меди (II) состоят из центров [Cu (H 2 O) 4 ] 2+, связанных с ионами SO 4 2– . Медь окружена шестью атомами кислорода, представленными двумя различными сульфатными группами и четырьмя молекулами воды. Пятая вода находится в другом месте каркаса, но не связывается напрямую с медью. Упомянутый выше хлорид кобальта встречается как [Co (H 2 O) 6 ] 2+ и Cl — . В хлориде олова каждый центр Sn (II) является пирамидальным (средний угол O / Cl-Sn-O / Cl составляет 83 °) и связан с двумя ионами хлорида и одним водой. Вторая вода в формульной единице связана водородными связями с хлоридом и координированной молекулой воды. Кристаллизационная вода стабилизируется электростатическим притяжением, следовательно, гидраты обычны для солей, содержащих катионы +2 и +3, а также анионы -2. В некоторых случаях большая часть веса соединения приходится на воду. Глауберова соль Na 2 SO 4 (H 2 O) 10 представляет собой белое кристаллическое твердое вещество с более чем 50% воды по весу.
Рассмотрим случай гексагидрата хлорида никеля (II) . Этот вид имеет формулу NiCl 2 (H 2 O) 6 . Кристаллографический анализ показывает, что твердое вещество состоит из субъединиц [ транс- NiCl 2 (H 2 O) 4 ], которые связаны водородными связями друг с другом, а также двух дополнительных молекул H 2 O. Таким образом, 1/3 молекул воды в кристалле не связаны напрямую с Ni 2+ , и их можно было бы назвать «кристаллизационной водой».
Анализ
Содержание воды в большинстве соединений можно определить, зная его формулу. Неизвестный образец может быть определен с помощью термогравиметрического анализа (ТГА), когда образец сильно нагревается, а точный вес образца наносится на график в зависимости от температуры. Затем количество вытесненной воды делится на молярную массу воды, чтобы получить количество молекул воды, связанных с солью.
Другие растворители кристаллизации
Вода — особенно распространенный растворитель, который можно найти в кристаллах, потому что он маленький и полярный. Но все растворители можно найти в некоторых кристаллах-хозяевах. Вода заслуживает внимания, потому что она реакционноспособна, тогда как другие растворители, такие как бензол , считаются химически безвредными. Иногда в кристалле обнаруживается более одного растворителя, и часто стехиометрия варьируется, что отражается в кристаллографической концепции «частичного заполнения». Химик обычно «сушит» образец в сочетании с вакуумом и нагреванием «до постоянного веса».
Для других растворителей кристаллизации анализ удобно выполнять путем растворения образца в дейтерированном растворителе и анализа образца на наличие сигналов растворителя с помощью ЯМР-спектроскопии . Монокристалл рентгеновской кристаллографии часто в состоянии обнаружить присутствие этих растворителей кристаллизации , а также. В настоящее время могут быть доступны другие методы.
Таблица кристаллизационной воды в некоторых неорганических галогенидах
В таблице ниже указано количество молекул воды на металл в различных солях.
| Формула гидратированных галогенидов металлов | Координационная сфера металла | Эквиваленты кристаллизационной воды , не связанные с M | Замечания |
|---|---|---|---|
| CaCl 2 (H 2 O) 6 | [Ca (μ-H 2 O) 6 (H 2 O) 3 ] 2+ | никто | Пример воды как мостикового лиганда |
| TiCl 3 (H 2 O) 6 | транс — [TiCl 2 (H 2 O) 4 ] + | два | изоморфен VCl 3 (H 2 O) 6 |
| VCl 3 (H 2 O) 6 | транс — [VCl 2 (H 2 O) 4 ] + | два | |
| VBr 3 (H 2 O) 6 | транс — [VBr 2 (H 2 O) 4 ] + | два | |
| VI 3 (H 2 O) 6 | [V (H 2 O) 6 ] 3+ | никто | относительно Cl — и Br — , I — плохо конкурирует с водой в качестве лиганда для V (III) |
| Nb 6 Cl 14 (H 2 O) 8 | [Nb 6 Cl 14 (H 2 O) 2 ] | четыре | |
| CrCl 3 (H 2 O) 6 | транс — [CrCl 2 (H 2 O) 4 ] + | два | темно-зеленый изомер, он же «соль Бьеррума» |
| CrCl 3 (H 2 O) 6 | [CrCl (H 2 O) 5 ] 2+ | один | сине-зеленый изомер |
| CrCl 2 (H 2 O) 4 | транс — [CrCl 2 (H 2 O) 4 ] | никто | квадратное плоское / тетрагональное искажение |
| CrCl 3 (H 2 O) 6 | [Cr (H 2 O) 6 ] 3+ | никто | фиолетовый изомер. изоструктурный с алюминиевым компаундом |
| AlCl 3 (H 2 O) 6 | [Al (H 2 O) 6 ] 3+ | никто | изоструктурен соединению Cr (III) |
| MnCl 2 (H 2 O) 6 | транс — [MnCl 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| MnCl 2 (H 2 O) 4 | цис — [MnCl 2 (H 2 O) 4 ] | никто | цис-молекулярный, нестабильный транс-изомер также был обнаружен |
| MnBr 2 (H 2 O) 4 | цис — [MnBr 2 (H 2 O) 4 ] | никто | цис, молекулярный |
| MnCl 2 (H 2 O) 2 | транс — [MnCl 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым хлоридом |
| MnBr 2 (H 2 O) 2 | транс — [MnBr 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым бромидом |
| FeCl 2 (H 2 O) 6 | транс — [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| FeCl 2 (H 2 O) 4 | транс — [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] | никто | молекулярный |
| FeBr 2 (H 2 O) 4 | транс — [FeBr 2 (H 2 O) 4 ] | никто | молекулярный |
| FeCl 2 (H 2 O) 2 | транс — [FeCl 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым хлоридом |
| FeCl 3 (H 2 O) 6 | транс — [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] + | два | один из четырех гидратов хлорида железа , изоструктурный аналогу Cr |
| FeCl 3 (H 2 O) 2,5 | цис — [FeCl 2 (H 2 O) 4 ] + | два | дигидрат имеет аналогичную структуру, оба содержат анионы FeCl 4 — . |
| CoCl 2 (H 2 O) 6 | транс — [CoCl 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| CoBr 2 (H 2 O) 6 | транс — [CoBr 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| CoI 2 (H 2 O) 6 | [Co (H 2 O) 6 ] 2+ | никто | йодид плохо конкурирует с водой |
| CoBr 2 (H 2 O) 4 | транс — [CoBr 2 (H 2 O) 4 ] | никто | молекулярный |
| CoCl 2 (H 2 O) 4 | цис — [CoCl 2 (H 2 O) 4 ] | никто | Примечание: цис-молекулярный |
| CoCl 2 (H 2 O) 2 | транс — [CoCl 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым хлоридом |
| CoBr 2 (H 2 O) 2 | транс — [CoBr 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым бромидом |
| NiCl 2 (H 2 O) 6 | транс — [NiCl 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| NiCl 2 (H 2 O) 4 | цис — [NiCl 2 (H 2 O) 4 ] | никто | Примечание: цис-молекулярный |
| NiBr 2 (H 2 O) 6 | транс — [NiBr 2 (H 2 O) 4 ] | два | |
| NiI 2 (H 2 O) 6 | [Ni (H 2 O) 6 ] 2+ | никто | йодид плохо конкурирует с водой |
| NiCl 2 (H 2 O) 2 | транс — [NiCl 4 (H 2 O) 2 ] | никто | полимерный с мостиковым хлоридом |
| CuCl 2 (H 2 O) 2 | [CuCl 4 (H 2 O) 2 ] 2 | никто | тетрагонально искаженные два длинных расстояния Cu-Cl |
| CuBr 2 (H 2 O) 4 | [CuBr 4 (H 2 O) 2 ] n | два | тетрагонально искаженные два длинных расстояния Cu-Br |
| ZnCl 2 (H 2 O) 1,33 | 2 ZnCl 2 + ZnCl 2 (H 2 O) 4 | никто | координационный полимер с тетраэдрическими и октаэдрическими центрами Zn |
| ZnCl 2 (H 2 O) 2,5 | Cl 3 Zn (μ-Cl) Zn (H 2 O) 5 | никто | тетраэдрические и октаэдрические центры Zn |
| ZnCl 2 (H 2 O) 3 | [ZnCl 4 ] 2- + Zn (H 2 O) 6 ] 2+ | никто | тетраэдрические и октаэдрические центры Zn |
| ZnCl 2 (H 2 O) 4,5 | [ZnCl 4 ] 2- + [Zn (H 2 O) 6 ] 2+ | три | тетраэдрические и октаэдрические центры Zn |
Гидраты сульфатов металлов
Сульфаты переходных металлов образуют множество гидратов, каждый из которых кристаллизуется только в одной форме. Сульфатная группа часто связывается с металлом, особенно для солей с менее чем шестью акволигандами . Гептагидраты, которые часто являются наиболее распространенными солями, кристаллизуются в моноклинных и менее распространенных орторомбических формах. В гептагидратах одна вода находится в решетке, а остальные шесть координированы с центром железа. Многие сульфаты металлов встречаются в природе в результате выветривания сульфидов минералов. Известно много моногидров.
| Формула гидратированного сульфата иона металла | Координационная сфера иона металла | Эквиваленты кристаллизационной воды , не связанные с M | название минерала | Замечания |
|---|---|---|---|---|
| MgSO 4 (H 2 O) 4 | [Mg (H 2 O) 4 (κ ‘, κ 1 -SO 4 )] 2 | никто | сульфат является мостиковым лигандом, 8-членные кольца Mg 2 O 4 S 2 | |
| MgSO 4 (H 2 O) 6 | [Mg (H 2 O) 6 ] | никто | гексагидрит | общий мотив |
| MgSO 4 (H 2 O) 7 | [Mg (H 2 O) 6 ] | один | эпсомит | общий мотив |
| TiOSO 4 (H 2 O) | [Ti (μ-O) 2 (H 2 O) (κ 1 -SO 4 ) 3 ] | никто | дальнейшее увлажнение дает гели | |
| VSO 4 (H 2 O) 6 | [V (H 2 O) 6 ] | никто | Использует мотив гексагидрита | |
| ВОСО 4 (Н 2 О) 5 | [VO (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | один | ||
| Cr 2 (SO 4 ) 3 (H 2 O) 18 | [Cr (H 2 O) 6 ] | шесть | Один из нескольких сульфатов хрома (III) | |
| MnSO 4 (H 2 O) | [Mn (μ-H 2 O) 2 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | никто | Самый распространенный из нескольких гидратированных сульфатов марганца (II) | |
| MnSO 4 (H 2 O) 7 | [Mn (H 2 O) 6 ] | один | маллардит | см. аналог Mg |
| FeSO 4 (H 2 O) 7 | [Fe (H 2 O) 6 ] | один | мелантерит | см. аналог Mg |
| FeSO 4 (H 2 O) 4 | [Fe (H 2 O) 4 (κ ‘, κ 1 -SO 4 )] 2 | никто | сульфат является мостиковым лигандом, 8-членные кольца Fe 2 O 4 S 2 | |
| Fe II (Fe III ) 2 (SO 4 ) 4 (H 2 O) 14 ]] | [Fe II (H 2 O) 6 ] 2+ [Fe III (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 2 ] — 2 | никто | сульфаты являются концевыми лигандами на Fe (III) | |
| CoSO 4 (H 2 O) 7 | [Co (H 2 O) 6 ] | один | см. аналог Mg | |
| CoSO 4 (H 2 O) 6 | [Co (H 2 O) 6 ] | никто | больше | см. аналог Mg |
| CoSO 4 (H 2 O) 7 | [Co (H 2 O) 6 ] | один | биберит | см. аналог Fe |
| NiSO 4 (H 2 O) 6 | [Ni (H 2 O) 6 ] | никто | ретгерсит | Один из нескольких гидратов сульфата никеля |
| NiSO 4 (H 2 O) 7 | [Ni (H 2 O) 6 ] | моренозит | ||
| CuSO 4 (H 2 O) 5 | [Cu (H 2 O) 4 (κ 1 -SO 4 ) 2 ] | один | халькантит | сульфат является мостиковым лигандом |
| CuSO 4 (H 2 O) 7 | [Cu (H 2 O) 6 ] | один | Бутит | |
| ZnSO 4 (H 2 O) 4 | [Zn (H 2 O) 4 (κ ‘, κ 1 -SO 4 )] 2 | никто | сульфат является мостиковым лигандом, 8-членные кольца Zn 2 O 4 S 2 | |
| ZnSO 4 (H 2 O) 6 | [Zn (H 2 O) 6 ] | никто | см. аналог Mg | |
| ZnSO 4 (H 2 O) 7 | [Zn (H 2 O) 6 ] | один | госларит | см. аналог Mg | |
| CdSO 4 (H 2 O) | [Cd (μ-H 2 O) 2 (κ 1 -SO 4 ) 4 ] | никто | мостиковый водный лиганд |
Гидраты нитратов металлов
Нитраты переходных металлов образуют множество гидратов. Нитрат-анион часто связывается с металлом, особенно для солей с менее чем шестью акволигандами .
Источник
