Czym są hydraty?

bg‑gold

Hydraty

Hydraty (inaczej wodziany) to związki uwodnione. Słowo „hydrat” jest terminem stosowanym w chemii zarówno nieorganicznej, jak i organicznej.

Tzw. sole uwodnione, jak wszystkie sole o budowie jonowej, są zbudowane z kationu metalu (jonu centralnego) oraz anionu reszty kwasowej. Dodatkowo w swojej sieci krystalicznej zawierają cząsteczki wody, zwane wodą krystalizacyjną. Ze względu na obecność cząsteczek wody w sieci krystalicznej, można się spotkać z takimi określeniami hydratów jak wodziany czy też sole uwodnione. Cząsteczki wody w hydratach mogą być związane na różne sposoby: przyłączone do kationu i anionów soli za pomocą wiązań wodorowych, przyłączone wiązaniem koordynacyjnym do jonu centralnego lub pochłonięte (zamknięte) wewnątrz sieci krystalicznej. Hydraty powstają w wyniku pochłonięcia wody przez substancje higroskopijne lub w trakcie krystalizacji z roztworów wodnych.

Ciekawostka

Poza solami hydraty tworzą również niektóre związki organiczne – takie jak na przykład kofeina, niektóre wodorotlenki – przykładowo wodorotlenek baru $(Ba {(OH)}_{2} \cdot 8 H_{2} O)$ oraz chlor i brom krystalizując w niskiej temperaturze z ich wodnych roztworów ${Cl}_{2} \cdot 8 H_{2} O$ i ${Br}_{2} \cdot 8 H_{2} O$ .

bg‑gold

Co oznacza kropka we wzorze hydratu?

Nazwy systematyczne hydratów tworzy się, podając nazwę systematyczną związku chemicznego, następnie dodaje się pauzę i wyraz „woda” oraz (w nawiasie okrągłym) stosunek liczby moli soli do liczby moli cząstczek wody w tym związku.

Przykład 1

Wzór sumaryczny hydratu: ${CuSO}_{4} \cdot 5 H_{2} O$

Nazwa systematyczna: siarczan( $VI$ ) miedzi( $II$ ) — woda ( $1 / 5$ ), co czytamy jako: siarczan( $VI$ ) miedzi( $II$ ) woda jeden do pięć.

Kropka we wzorze nie ma nic wspólnego ze znakiem mnożenia. W podanym przykładzie oznacza, że na $1$ mol siarczanu( $VI$ ) miedzi( $II$ ) w sieci krystalicznej przypada $5$ moli cząsteczek wody.

Ważne!

Ta sama substancja może tworzyć kilka hydratów, np. węglan sodu tworzy m.in. hydraty:

jednowodny ( ${Na}_{2} {CO}_{3} \cdot H_{2} O$ ), węglan sodu — woda ( $1 / 1$ );
siedmiowodny ( ${Na}_{2} {CO}_{3} \cdot 7 H_{2} O$ ), węglan sodu — woda ( $1 / 7$ );
dziesięciowodny ( ${Na}_{2} {CO}_{3} \cdot 10 H_{2} O$ ), węglan sodu — woda ( $1 / 10$ ).

bg‑gold

Przykłady hydratów

Uwodnione siarczany(

VI

) wapnia

Uwodnione siarczany(

VI

) wapnia

Hydratami stosowanymi w życiu codziennym są uwodnione siarczany( $VI$ ) wapnia: ${CaSO}_{4} \cdot 2 H_{2} O$ oraz ${({CaSO}_{4})}_{2} \cdot H_{2} O$ – czyli siarczan( $VI$ ) wapnia – woda( $1 / 2$ ) i siarczan( $VI$ ) wapnia – woda( $2 / 1$ ). Pierwszy to gips krystaliczny a drugi to gips półwodny zwany również gipsem palonym.

Rt1GzzZGIJTtY

Ilustracja przedstawia posąg lwa. Zwierzę ma bujną grzywę, duże oczy i gęstą sierść. — Posąg lwa wykonany z uwodnionego siarczanu( $VI$ ) wapnia ${CaSO}_{4} \cdot 2 H_{2} O$ (siarczanu( $VI$ ) wapnia – woda( $1 / 2$ )).
Źródło: dostępny w internecie: www.pixabay.com, domena publiczna.

Uwodnione siarczany(

VI

) metali dwuwartościowych

Uwodnione siarczany(

VI

) metali dwuwartościowych

Innym przykładem hydratów są witriole. Witriole to uwodnione siarczany( $VI$ ) metali dwuwartościowych. Do witrioli o jednakowej strukturze krystalicznej należą uwodniony siarczan( $VI$ ) magnezu, cynku, żelaza( $II$ ), kobaltu( $II$ ), niklu( $II$ ). W hydratach tych na $1$ mol soli przypada $7$ moli cząsteczek wody: $M^{II} {SO}_{4} \cdot 7 H_{2} O$ .

Jeden dwudodatni jon metalu otoczony jest sześcioma cząsteczkami wody. Siódma cząsteczka wody znajduje się pomiędzy kationem metalu związanym z pozostałymi cząsteczkami wody – ${[M^{II} {(H_{2} O)}_{6}]}^{2 +}$ , a anionem siarczanowym( $VI$ ) – ${SO}_{4}^{2 -}$ . Cząsteczka ta jest połączona z kationem ${[M^{II} {(H_{2} O)}_{6}]}^{2 +}$ oraz anionem ${SO}_{4}^{2 -}$ za pomocą wiązań wodorowych.

R19LHKZMZQeAd

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny witrioli oraz ich model pręcikowo‑kulkowy. Wzór strukturalny: w nawiasie kwadratowym jest część wzoru – symbol M łączy się wiązaniami pojedynczymi z sześcioma cząsteczkami wody. Za nawiasem kwadratowym w indeksie górnym jest 2+. Jedna z cząsteczek wody łączy się poza nawiasem kwadratowym z kolejną cząsteczką wody. Ta łączy się z atomem tlenu będącym częścią następującego dianionu: atom siarki łączy się z czterema atomami tlenu. Obok jest model pręcikowo‑kulkowy – jedna z cząsteczek ma następującą budowę: pomarańczowa kulka, oznaczająca atom metalu, położona w centrum modelu, łączy się z sześcioma czerwonymi kulkami, oznaczającymi atomy tlenu, a każda z czerwonych kulek z dwiema białymi kulkami, oznaczającymi atomy wodoru. Obok cząsteczki jest model zbudowany z jednej czerwonej kulki i dwóch białych oraz kolejny model zbudowany z jednej żółtej kulki, symbolizującej atom siarki, połączonej z czterema czerwonymi kulkami. — Wzór strukturalny witrioli (A) oraz ich model pręcikowo‑kulkowy (B).
Źródło: Smokefoot, dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.com, licencja: CC BY-SA 4.0.

Siedmiowodny siarczan( $VI$ ) magnezu ${MgSO}_{4} \cdot 7 H_{2} O$ (witriol magnezu) to nie jedyny rodzaj hydratu siarczanu( $VI$ ) magnezu. W wyniku ogrzewania $1$ mol ${MgSO}_{4} \cdot 7 H_{2} O$ traci $6$ moli cząsteczek wody i powstaje monohydrat ${MgSO}_{4} {·H}_{2} O$ . Powyżej temperatury $197 ° C {MgSO}_{4} \cdot H_{2} O$ traci pozostałą część wody hydratacyjnej i powstaje bezwodna sól ${MgSO}_{4}$ . Wynika z tego, iż sól bezwodna może tworzyć kilka hydratów o różnym stopniu uwodnienia.

R1c1L7B4VOeVd

Na zdjęciu na szkiełku zegarkowym jest pewna ilość zielonkawych drobnych kryształów. — Kryształy uwodnionego siarczanu( $VI$ ) żelaza( $II$ ) ${FeSO}_{4} \cdot 7 H_{2} O$ .
Źródło: Benjah-bmm27, dostępny w internecie: www.wikipedia.org, domena publiczna.

Kolejnym przykładem hydratu jest niebieski witriol miedzi, w którego strukturze na $1$ mol soli przypada $5$ moli cząsteczek wody ${CuSO}_{4} \cdot 5 H_{2} O$ . Kation miedzi ${Cu}^{2 +}$ związany jest bezpośrednio z czterema cząsteczkami wody. Piąta cząsteczka znajduje się pomiędzy anionem ${SO}_{4}^{2 -}$ oraz dwiema już związanymi cząsteczkami wody.

R173NHgbhtQJ9

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny pięciowodnego siarczanu(sześć) miedzi(dwa) oraz model cząsteczki. Wzór strukturalny: atom miedzi łączy się wiązaniami pojedynczymi z czterema cząsteczkami wody oraz z dwiema cząsteczkami o wzorze: atom siarki łączy się z czterema atomami tlenu. W każdej cząsteczce jeden z atomów tlenu łączy się z atomem miedzi. Obok wzoru jest wzór: atom tlenu łączy się z dwoma atomami wodoru. Model pręcikowo‑kulkowy: pomarańczowa kulka, oznaczająca atom miedzi, łączy się z sześcioma czerwonymi kulkami, oznaczającymi atomy tlenu. Cztery z nich łączą się z dwiema białymi kulkami – każda z nich. Białe kulki oznaczają atomy wodoru. Dwie czerwone kulki – jedna na górze, druga na dole modelu – łączą się z żółtą kulką, oznaczającą atom siarki. Żółta kulka położona w górnej części wzoru łączy się z trzema czerwonymi kulkami. Jedna z czerwonych kulek łączy się z pomarańczową kulką. Żółta kulka położona w dolnej części wzoru łączy się z trzema czerwonymi kulkami. Jedna z nich łączy się z pomarańczową kulką połączoną z pięcioma czerwonymi kulkami. Każda z czterech czerwonych kulek łączy się z dwiema białymi kulkami. Obok jest model zbudowany z jednej czerwonej kulki połączonej z dwiema białymi kulkami. — Wzór strukturalny pięciowodnego siarczanu( $VI$ ) miedzi( $II$ ) ${CuSO}_{4} \cdot 5 H_{2} O$ (A) oraz jego model pręcikowo‑kulkowy (B).
Źródło: Smokefoot, dostępny w internecie: www.pl.encyklopedia.com, licencja: CC BY-SA 4.0.

RC2hxcOfWaeRx

Na zdjęciu na szkiełku zegarkowym jest pewna ilość niewielkich, białych kryształów. — Kryształy uwodnionego siarczanu( $VI$ ) glinu ${Al}_{2} {({SO}_{4})}_{3} \cdot 16 H_{2} O$ .
Źródło: dostępny w internecie: commons.wikimedia.org, domena publiczna.

Hydraty siarczanowe(

VI

), zawierające więcej niż dziesięć cząsteczek wody

Hydraty siarczanowe(

VI

), zawierające więcej niż dziesięć cząsteczek wody

Istnieją także hydraty siarczanowe( $VI$ ), które w swojej strukturze zawierają więcej niż dziesięć moli cząsteczek wody przypadających na $1$ mol soli, np. uwodnione siarczany( $VI$ ) glinu: ${Al}_{2} {({SO}_{4})}_{3} \cdot 16 H_{2} O$ , ${Al}_{2} {({SO}_{4})}_{3} \cdot 17 H_{2} O$ , ${Al}_{2} {({SO}_{4})}_{3} \cdot 18 H_{2} O$ . W przypadku tych hydratów sześć cząsteczek wody związanych jest koordynacyjnie z jednym kationem glinu ${Al}^{3 +}$ , natomiast pozostałe są uwięzione w sieci krystalicznej.

RMZv9FPWt9Geu

Na zdjęciu na szkiełku zegarkowym jest pewna ilość jasnobrązowych grudek. Sprawiają wrażenie mokrych i lepkich. — Kryształy uwodnionego chlorku żelaza( $III$ ) ${FeCl}_{3} \cdot 6 H_{2} O$ .
Źródło: Adam Rędzikowski, dostępny w internecie: www.pl.wikipedia.com, licencja: CC BY-SA 4.0.

Uwodnione sole zawierające w swojej strukturze anion chlorkowy

Liczną grupę hydratów stanowią uwodnione sole zawierające w swojej strukturze aniony chlorkowe. Bladoróżowy chlorek manganu tworzy dwa hydraty: dwuwodny ${MnCl}_{2} \cdot 2 H_{2} O$ i czterowodny ${MnCl}_{2} \cdot 4 H_{2} O$ . Znanych jest bardzo wiele hydratów zawierających w swojej strukturze sześć moli cząsteczek wody przypadających na $1$ mol soli. Należą do nich: sześciowodny chlorek wapnia ${CaCl}_{2} \cdot 6 H_{2} O$ o barwie białej, sześciowodny chlorek chromu( $III$ ) ${CrCl}_{3} \cdot 6 H_{2} O$ o barwie zielonej, sześciowodny chlorek żelaza( $III$ ) ${FeCl}_{3} \cdot 6 H_{2} O$ o barwie żółtej. Najbardziej rozpowszechnionymi są czerwony sześciowodny chlorek kobaltu( $II$ ) ${CoCl}_{2} \cdot 6 H_{2} O$ oraz zielony sześciowodny chlorek niklu( $II$ ) ${NiCl}_{2} \cdot 6 H_{2} O$ .

Uwodnione sole zawierające w swojej strukturze anion azotanowy(

V

)

Uwodnione sole zawierające w swojej strukturze anion azotanowy(

V

)

Kationy kobaltu oraz niklu tworzą również sześciowodne hydraty z anionami azotanowymi( $V$ ): $Co {({NO}_{3})}_{2} \cdot 6 H_{2} O$ , $Ni {({NO}_{3})}_{2} \cdot 6 H_{2} O$ oraz węglanowymi: ${CoCO}_{3} \cdot 6 H_{2} O$ , ${NiCO}_{3} \cdot 6 H_{2} O$ .

Symulacja 1

Czy wiesz, czym są hydraty? Przeprowadź poniższą symulację i oblicz liczbę cząsteczek wody uwodnionych soli kobaltu $(II)$ , miedzi $(II)$ , magnezu i żelaza $(II)$ .

R1NplQNqz4lsq

Symulacja interaktywna pt. Co to są hydraty?
Źródło: GroMar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Aby obliczyć dowolną liczbę moli hydratu możesz wykorzystać poniższy sposób lub zapoznać się ze sposobem z Ćwiczenia 1.

Korzystając ze wzoru na liczbę moli $n$ .
$n_{hydratu} = \frac{m_{hydratu}}{M_{hydratu}}$
Z powższego znana jest jedynie masa hydratu, zatem należy wyprowadzić wzór na masę molową z proporcji.
$m_{hydratu} — M_{hydratu}$
$m_{bezwodnej} — M_{bezwodnej}$
Zatem:
$M_{hydratu} = \frac{m_{hydratu} \cdot M_{bezwodnej}}{m_{bezwodnej}}$
Podstawiając do pierwszego równania.
$n_{hydratu} = \frac{m_{bezwodnej}}{M_{bezwodnej}}$

Ćwiczenie 1

W oparciu o powyższą symulację, oblicz liczbę moli cząsteczek wody przypadającą na 1 mol uwodnionego siarczaniu $(VI)$ magnezu. W obliczeniach przyjmij, że masa hydratu wynosiła $6 g$ .

R13fBFYCUeR0U

Masa molowa bezwodnego ${MgSO}_{4}$ to $120,37 \frac{g}{mol}$ .

Masa hydratu = $6 g$

Masa soli bezwodnej = $2,94 g$

Masa molowa soli bezwodnej = $120,37 \frac{g}{mol}$

Masa wody = $6 g - 2,94 g = 3,06 g$

Masa molowa wody = $18 \frac{g}{mol}$

$m_{hydratu} = 6 g$

Obliczanie liczby moli soli bezwodnej.

$120,37 g - 1 mol$

$2,94 g - n mol$

$n = 0,0244 mola$

Obliczanie liczby moli wody.

$18 g - 1 mol$

$3,06 g - z mol$

$z = 0,17 mola$

Z proporcji należy obliczyć $x$ .

$0,0244 mola {MgSO}_{4} - 0,17 mola wody$

$1 mol {MgSO}_{4} - x mola wody$

$x = 6,97 mola wody ≃ 7$

Uwodniony siarczan $(VI)$ magnezu zawiera około $7$ moli cząsteczek wody.

Ćwiczenie 2

R1T0g6MqbEHDb

Ćwiczenie 3

Na podstawie symulacji, podaj liczby koordynacyjne kationów metali w badanych związkach.

R1EGopnSwypPb

${Mg}^{2 +}$ – $liczba koordynacji 6$

${Cu}^{2 +}$ – $liczba koordynacji 6$

${Co}^{2 +}$ – $liczba koordynacji 6$

${Fe}^{2 +}$ – $liczba koordynacji 6$

Polecenie 1

Zapoznaj się z animację dotyczącą nazewnictwa hydratów, zapoznaj się z informacjami w niej zawartymi i rozwiąż ćwiczenia.

RTeYTRzx4ucz41

Animacja pt. „Nomenklatura i wzory hydratów”
Źródło: GroMar Sp. z o.o., Patrycja Męcik, licencja: CC BY-SA 3.0.

Ćwiczenie 4

RZTvHQiAxA2hO

Ćwiczenie 5

RIXRpqpbTYlEK

Rogz0q0tMWxZV

Ćwiczenie 6

kizeryt Możliwe odpowiedzi: 1. F e S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 2. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O , 3. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. C a S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 5. A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, siedemnaście H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O epsomit Możliwe odpowiedzi: 1. F e S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 2. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O , 3. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. C a S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 5. A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, siedemnaście H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O melanteryt Możliwe odpowiedzi: 1. F e S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 2. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O , 3. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. C a S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 5. A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, siedemnaście H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O alunogen Możliwe odpowiedzi: 1. F e S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 2. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O , 3. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. C a S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 5. A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, siedemnaście H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O gips Możliwe odpowiedzi: 1. F e S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 2. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, siedem H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O , 3. M g S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 4. C a S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, razy, dwa H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O, 5. A l indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, nawias, S O indeks dolny, cztery, koniec indeksu dolnego, zamknięcie nawiasu, indeks dolny, trzy, koniec indeksu dolnego, razy, siedemnaście H indeks dolny, dwa, koniec indeksu dolnego, O

bg‑blue

Notatnik

R17TY7A3VUjRk

Źródło: Gromar Sp. z o.o., licencja: CC BY-SA 3.0.

Jak otrzymać sole?

Jak produkuje się sól kuchenną z wody morskiej?

Hydraty

Co oznacza kropka we wzorze hydratu?

Przykłady hydratów

Notatnik