Куда исчез сахар и как вырастить кристалл
Сахар едят многие, добавляя его в чай, кофе и различные блюда. Это сладкое вещество знакомо всем еще с детства. Привычное для нас его агрегатное состояние – твердое кристаллическое – одно из шести известных человечеству на сегодняшний день: твердое, жидкое, газообразное, плазма, фермионный конденсат и конденсат Бозе-Эйнштейна. Однако если взять кусочек сахара или чайную ложку сахарного песка и положить в чашку с горячим чаем, помешивая при этом ложной, то через некоторое время сахар «исчезнет». Его совсем не будет видно, а внешний вид и объем чая совершенно не изменится. Давайте попробуем разобраться, куда «исчез» сахар и можно ли каким-либо способом его вернуть в прежнее твердое состояние.
В кристаллическом состоянии могут находиться различные вещества. При этом кристаллы бывают очень причудливой формы. Например, кристаллы висмута имеют вид загадочных лабиринтов, кристаллы каменной соли являются полупрозрачными кубиками, кристаллы оксида цинка напоминают звездочки:
Сахар, который мы положили в чашку с горячим чаем, тоже был в твердом состоянии и, конечно же, никуда не исчез. Об этом свидетельствует сладкий вкус чая. При попадании в воду молекулы сахара начали взаимодействовать с молекулами воды. А молекулы воды – это ярко выраженные полярные молекулы, поэтому они образуют с молекулами сахара, находящимися в кристалле, межмолекулярные связи и отрывают их от кристалла, унося в толщу воды. При этом, чем выше температура воды, тем активнее происходит взаимодействие. Таким образом, сахар растворился в воде – произошел физический процесс, при котором в воде оказались молекулы сахара, связанные с несколькими молекулами воды. Количество молекул, которые могут раствориться в воде, ограничено, поэтому, в конце концов, наступит момент, когда сахар больше не растворяется. Такой раствор сахара называется насыщенным. Он нам потребуется, чтобы вырастить кристаллы.
Еще один практический совет. Если вы хотите, чтобы ваш чай или кофе был как можно дольше горячим, то следует сразу после наливания положить в чашку сахар. При растворении сахар заберет часть тепловой энергии у чая или кофе, и температура понизится. Разница температур между напитком и воздухом в комнате станет меньше, поэтому остывать чай или кофе будет медленнее, и дольше будет оставаться горячим.
Сахар, растворенный в воде, можно опять вернуть в твердое кристаллическое состояние. Это можно сделать в домашних условиях, при этом не потребуется каких-либо особых приспособлений. Сахар очень хорошо растворяется в воде: в 100 мл воды при температуре 100 0 С может раствориться около 500 г сахара! При этом объем раствора практически не изменится. Вы можете удивить своих друзей, если будете класть в горячий чай один за другим кубики сахара, помешивая при этом ложкой, то даже 20 кубиков сахара прекрасно растворятся, а объем чая визуально не изменится, как будто сахар куда-то исчез. Пить такой чай будет нельзя, но эффект гарантирован.
Итак, нам потребуется: 0,5 л воды, 1200-1300 г сахарного песка, деревянные палочки длиной 15-20 см, прозрачные сосуды емкостью 200-330 мл, плотная бумага, нарезанная квадратами 10х10 см, пищевые красители, если вы хотите сделать кристаллы сахара разноцветными, и небольшая кастрюля.
Сначала наливаем в кастрюлю 0,5 л воды и насыпаем 600-650 г сахарного песка. Нагреваем кастрюлю с водой и сахаром на небольшом огне, помешивая ложкой до полного растворения сахара, затем добавляем еще 600-650 г сахарного песка и добиваемся полного его растворения. Даем сахарному раствору остыть минут 10-15. В это время подготавливаем деревянные палочки: протыкаем ими в центре квадраты из плотной бумаги, смачиваем длинный конец палочки в воде и обваливаем в сахарном песке, добиваясь равномерного прилипания сахара со всех сторон, и даем палочкам с сахаром высохнуть.
Приготовленный сахарный раствор разливаем в прозрачные сосуды и добавляем в них разноцветные пищевые красители. Палочки с сахаром опускаем в растворы и при помощи плотной бумаги закрепляем их в вертикальном положении:
В течение последующей недели мы сможем наблюдать, как вокруг деревянной палочки будут вырастать окрашенные пищевыми красителями разноцветные кристаллы сахара. Таким образом, сахар выделится из раствора, вернув себе твердое кристаллическое состояние в виде сладких разноцветных леденцов.
Предлагаем Вам по предложенному методу вырастить кристалл поваренной соли.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Почему вода растворяет сахар
§7.6. Растворы. Как происходит растворение. Насыщенные растворы
Если в сосуд с водой поместить кристаллы поваренной соли, сахара или перманганата калия (марганцовки), то мы можем наблюдать, как количество твердого вещества постепенно уменьшается. При этом вода, в которую были добавлены кристаллы, приобретает новые свойства: у нее появляется соленый или сладкий вкус (в случае марганцовки появляется малиновая окраска), изменяется плотность, температура замерзания и т.д. Полученные жидкости уже нельзя назвать водой, даже если они неотличимы от воды по внешнему виду (как в случае с солью и сахаром). Это – растворы .
Растворы не отстаиваются и сохраняются все время однородными. Если раствор профильтровать через самый плотный фильтр, то ни соль, ни сахар, ни марганцовокислый калий не удается отделить от воды. Следовательно, эти вещества в воде раздроблены до наиболее мелких частиц – молекул или ионов.
Растворами называются гомогенные (т.е. однородные) смеси переменного состава из двух или более веществ. Наиболее распространенное агрегатное состояние растворов – жидкое.
Под переменным составом раствора понимают то простое обстоятельство, что соотношение смешанных друг с другом веществ может непрерывно изменяться в определенных пределах. Например, раствор соли можно разбавлять чистой водой или, наоборот, упаривать, но полученные при этом жидкости в любом случае будут называться растворами соли. Приведнное выше определение не охватывает всех свойств растворов, поэтому в конце параграфа мы его уточним.
Любой раствор состоит из растворителя и растворенного вещества:
Из двух или нескольких компонентов раствора растворителем является тот, который взят в большем количестве и имеет то же агрегатное состояние, что и раствор в целом.
Не всегда обязательно вода является растворителем – существуют и неводные растворы. Однако когда речь идет о водных растворах, воду считают растворителем и в тех случаях, когда ее меньше. Например, говорят о 96%-ном растворе этилового спирта в воде, а не о 4 %-ном растворе воды в спирте.
** Существуют растворы не только жидкие, но и твердые. В твердых растворах частицы одного вещества хаотично распределены среди частиц какого-нибудь другого, но обязательно твердого вещества. Например, водород охотно растворяется в некоторых металлах (платине, палладии), и это пример твердого раствора. Смеси газов (например, воздух) не называют растворами. Дело в том, что важным свойством растворов является заметное взаимодействие между частицами растворителя и растворенных веществ, а в газах такое взаимодействие практически отсутствует.
Давайте разберемся в том, как происходит растворение веществ. Для этого понаблюдаем, как растворяется добавленный в чай сахар. Если чай холодный, то сахар растворяется медленно. Наоборот, если чай горячий и размешивается ложечкой, то растворение происходит быстро.
Попадая в воду, молекулы сахара, находящиеся на поверхности кристаллов сахарного песка, образуют с молекулами воды межмолекулярные (водородные) связи. При этом с одной молекулой сахара связывается несколько молекул воды. Тепловое движение молекул воды заставляет связанные с ними молекулы сахара отрываться от кристалла и переходить в толщу молекул растворителя (рис. 7-2).
Рис. 7-2. Молекулы сахара (белые кружочки), находящиеся на поверхности кристалла сахара, окружены молекулами воды (темные кружочки). Между молекулами сахара и воды возникают межмолекулярные связи, благодаря которым молекулы сахара отрываются от поверхности кристалла. Молекулы воды, не связанные с молекулами сахара, на рисунке не показаны.
Молекулы сахара, перешедшие из кристалла в раствор, могут передвигаться по всему объему раствора вместе с молекулами воды благодаря тепловому движению. Это явление называется диффузией . Диффузия происходит медленно, поэтому около поверхности кристаллов находится избыток уже оторванных от кристалла, но еще не диффундировавших в раствор молекул сахара. Они мешают новым молекулам воды подойти к поверхности кристалла, чтобы связаться с его молекулами водородными или другими межмолекулярными связями. Если раствор перемешивать, то диффузия происходит интенсивнее и растворение сахара идет быстрее. Молекулы сахара распределяются равномерно и раствор становится одинаково сладким по всему объему. При растворении перманганата калия диффузию частиц в растворе можно наблюдать визуально благодаря интенсивной малиновой окраске этого вещества.
Растворение веществ можно сравнить с перетаскиванием мебели. Представьте, что на время ремонта школьные столы (или парты) составили в спортзале в строгом порядке аккуратным штабелем. Этот упорядоченный штабель является моделью кристаллического вещества, а каждый стол – как бы «молекулой» такого вещества. После окончания ремонта учеников попросили помочь перетащить столы. В спортзал вбежала ватага учеников (эта ватага не что иное, как растворитель, а каждый ученик – молекула растворителя), кто-то залез наверх, кто-то тянет столы снизу – короче, работа закипела. Очень скоро столы, каждый из которых несут где двое, а где четверо ребят, оказываются в разных концах школы, а от штабеля в спортзале не остается и следа.
Количество молекул, способных перейти в раствор, часто ограничено. Молекулы вещества не только покидают кристалл, но и вновь присоединяются к кристаллу из раствора. Пока кристаллов относительно немного, больше молекул переходит в раствор, чем возвращается из него – идет растворение. Но если растворитель находится в контакте с большим количеством кристаллов, то число уходящих и возвращающихся молекул становится одинаковым и для внешнего наблюдателя растворение прекращается.
Например, при комнатной температуре мы не можем растворить в 100 мл воды более 200 г сахара или более 35,9 г поваренной соли. В таких случаях говорят, что раствор стал насыщенным .
Раствор, в котором данное вещество при данной температуре уже больше не растворяется, называется НАСЫЩЕННЫМ.
В насыщенном растворе при данной температуре содержится максимально возможное количество растворенного вещества.
** Если вернуться к примеру со школьными столами, то там тоже возможно образование «насыщенного раствора». Это может произойти в том случае, если столов окажется слишком много и для них в классах уже не будет хватать места. В этом случае часть учеников будет просто-напросто вынуждена вернуться и поставить столы в тот же штабель, откуда они были взяты. Таким образом, количество мебели в спортзале перестанет уменьшаться. Разумеется, ученики гораздо умнее молекул воды и не станут дальше делать бесполезную работу. В реальном растворе, где есть тепловое движение молекул, молекулы продолжают “трудиться”, транспортируя частицы растворенного вещества из кристалла в раствор и обратно.
Такая ситуация называется ДИНАМИЧЕСКИМ равновесием (равновесием в движении). В связи с этим можно дополнить определение насыщенного раствора:
Насыщенным называется такой раствор, который находится в динамическом равновесии с избытком растворенного вещества.
Следовательно, никакое самое сильное перемешивание не помогает растворить в насыщенном растворе дополнительные порции вещества. Однако, если повысить температуру, то раствор вновь может стать ненасыщенным и растворить еще определенную порцию кристаллов.
Мы говорим: «сахар растворяется в воде хорошо» или «мел плохо растворяется в воде». Но можно и количественно оценить способность того или иного вещества к растворению или, другими словами, растворимость вещества.
РАСТВОРИМОСТЬЮ называется способность вещества растворяться в том или ином растворителе. Мерой растворимости вещества при данных условиях является его содержание в насыщенном растворе.
Если в 100 г воды растворяется более 10 г вещества, то такое вещество называют хорошо растворимым . Если растворяется менее 1 г вещества – вещество малорастворимо . Наконец, вещество считают практически нерастворимым , если в раствор переходит менее 0,01 г вещества. Абсолютно нерастворимых веществ не бывает. Даже когда мы наливаем воду в стеклянный сосуд, очень небольшая часть молекул стекла неизбежно переходит в раствор.
Растворимость, выраженная при помощи массы вещества, которое может раствориться в 100 г воды при данной температуре, называют также коэффициентом растворимости .
В целом растворимость разных веществ определяется многими сложными причинами, некоторые из которых до сих пор не ясны. Поэтому трудно предсказать растворимость какого-либо вещества по его химической формуле или агрегатному состоянию.
В качестве примера приведем растворимость (в граммах вещества на 100 г воды при комнатной температуре) нескольких веществ: твердых, жидких и газообразных, среди которых многие имеют похожие химические формулы (таблица 7-2).
Таблица 7-2. Растворимость некоторых веществ в воде при комнатной температуре.
Источник
Почему сахар растворяется в воде
Сахар или сахароза, тростниковый сахар – это важное для организма вещество, которое поступает в него с пищей или путем внутривенного введения. Часто при приготовлении пищи сахар растворяется в воде или иной жидкости для создания теста, напитков и т.д. Мало кто задумывается, почему именно сахар так легко растворяется, в отличие от крахмала или других подобных веществ. Свойство сахарозы быстро растворяться обосновано его физическими и химическими свойствами.
Химическая формула сахарозы
На химическом языке сахар пишется так: С12Н22О11. В формуле содержатся углерод, водород и кислород. Эти элементы легче всего распадаются под воздействием воды и легко вступают с ней в реакцию. Именно составом сахара обосновывается его легкая растворяемость как в холодной, так и в теплой воде. Для реакции обмена (растворения сахара) не нужны никакие катализаторы.
Реакция распада молекулы
При растворении вещества в воде происходит реакция гидролиза:
С12Н22О11 + Н2О → С6Н12O6 + С6Н12O6
В итоге получается две молекулы глюкозы. Сахар – олигосахарид, то есть вещество, которое включает в себя только две молекулы. Поэтому под воздействием воды эти молекулы, практически никак не связанные друг с другом, легко «расходятся» и лишаются прежней связи, становясь уже другим веществом.
Растворение вещества в холодной и теплой воде
Почему в теплой жидкости вещество растворяется быстрее, чем в холодной? Это еще один вопрос, который возникает у тех, кто интересуется растворением сахара. Ответ нужно искать в области физики.
Как известно, молекулы и их атомы постоянно находятся в движении. Чем выше температура, тем быстрее происходит перемещение частиц. Реакции гидролиза основаны именно на скорости перемещения ионов и атомов. Под воздействием тепла частицы быстрее расходятся, образуя две новые молекулы глюкозы.
Вывод: особенности сахара при взаимодействии с водой
Сахароза является одним из самых легкорастворимых веществ благодаря своей простой формуле и олигосахаридности. При взаимодействии с водой она вступает в реакцию гидролиза, благодаря чему и происходит растворение.
Дата публикации : 10 октября, 2017
Источник
