48. Hőt vesz fel és mégis önként végbemegy

Por alakú nátrium-szulfát és kálium-klorid összekeverve jól észlelhetően lehűl (endoterm folyamat). Hasonlóan viselkedik a nátrium-karbonát-dekahidrát és a vas(III)-nitrát-nonahidrát keveréke is.

Anyagok: nátrium-szulfát-dekahidrát (Na₂SO₄ · 10 H₂O), kálium-klorid, nátrium-karbonát-dekahidrát (Na₂CO₃ · 10 H₂O), vas(III)-nitrát-nonahidrát [Fe(NO₃)₃ · 9 H₂O].

Eszközök: 2 db 50 cm³-es főzőpohár, hőmérő (lehetőleg digitális), vegyszereskanál, porcelánmozsár, kémcső.

A kísérlet végrehajtása: a) Tegyünk a főzőpohárba 2-3 vegyszereskanálnyi kristályos nátrium-szulfátot, és adjunk hozzá ugyanennyi kálium-kloridot. Mérjük meg a kiindulási hőmérsékletet. Keverjünk össze az anyagokat, és mérjük közben a keverék hőmérsékletét. Olvassuk le az elért legalacsonyabb hőmérsékletet. b) Tegyünk a főzőpohárba 2-3 vegyszereskanálnyi kristályos nátrium-karbonátot, és adjunk hozzá ugyanennyi vas(III)-nitrátot. Mérjük meg a kiindulási hőmérsékletet. Keverjünk össze az anyagokat, és mérjük közben a keverék hőmérsékletét. Olvassuk le az elért legalacsonyabb hőmérsékletet. Elvégezhetjük a kísérletet egy kémcsőben is. Ebben az esetben betöltjük a kémcsőbe az egyik anyagot és a másikat összekeverés nélkül rátöltjük. Az érintkezési helyen a rendszer azonnal megbarnul a keletkező vas(III)-hidroxid miatt.

Tapasztalat: a) A reakciókeverék kásás állagú lesz. A szobahőmérsékletről indulva kb. 12 °C hőmérséklet-csökkenés várható. Kézzel is jól észlelhető a lehűlés.b) A reakciókeverék kásás lesz, és gáz (CO₂) fejlődik. Ha abbahagyjuk a keverést, a gázfejlődés hallhatóvá is válik. A szobahőmérsékletről indulva kb. 20 °C hőmérséklet-csökkenés várható.

Magyarázat: a) A reakció során víz szabadul fel a nátrium-szulfát-dekahidrát kristályrácsából, és ebben oldódnak fel a sók. A rendezett, kristályos szerkezetből a keverék rendezetlen szerkezetűvé válik. Ez a szerkezetváltozás (entrópianövekedés, azaz a rendezett állapot megszűnése, tehát a rendezetlenség növekedése) az egyébként endoterm (azaz hőelnyelő) folyamat hajtóereje: Na₂SO₄ · 10 H₂O(sz) + KCl(sz) = Na₂SO₄(aq) + KCl(aq) + 10 H₂O(f). b) A két szilárd, kristályos anyag reakciójának igen nagy a hajtóereje: 3 Na₂CO₃ · 10 H₂O(sz) + 2 Fe(NO₃)₃ · 9 H₂O(sz) = 2 Fe(OH)₃ + 3 CO₂(g) + 6 NaNO₃(aq) + 45 H₂O(f). A keverék rendezett, kristályos szerkezetből rendezetlen szerkezetűvé válik, és ezt az effektust még fokozza az, hogy gáz is fejlődik. Ez a jelentős szerkezetváltozás az egyébként endoterm folyamat hajtóereje. A kristályvíznek fontos szerepe van a reakcióban, ez szabaddá válik a folyamatban, a nátrium-nitrát ebben feloldódik. A folyamat első lépéseként vas-oxid-hidroxid keletkezik, a rosszul oldódó vas(III)-hidroxid csapadékot ad (szuszpendálódik). Ha szükséges, porítsuk el a vegyszereket. A nátrium-szulfát-dekahidrát mindennapi neve Glauber-só, a nátrium-karbonát-dekahidráté kristályszóda. Különösen intenzívek a folyamatok, ha az anyagok sztöchiometrikus arányban vannak: 16,1 g nátrium-szulfát-dekahidrát és 7,9 g kálium-klorid ill. 6,6 g nátrium-karbonát-dekahidrát és 8,0 g vas(III)-nitrát-nonahidrát. A Glauber-só és a kálium-klorid között lejátszódó endoterm reakciónak kémiatörténeti jelentősége van. Ezzel a folyamattal mutatta be a Nobel-díjas van 't Hoff (1852-1911) 1906-ban Bécsben egy előadásában, hogy a Berthelot-féle elv (miszerint a folyamatok az energiaminimum irányában mennek végbe) téves. A nátrium-szulfát-dekahidrát más anyagokkal is ad endoterm folyamatot. Pl. (zárójelben a sztöchiometrikus arány esetén várható hőmérséklet-csökkenés) CuCl₂ · 2 H₂O (10 °C), MnCl₂ · 4 H₂O (20 °C), FeCl₃ · 6 H₂O (20 °C) A nátrium-karbonát-dekahidrát is spontán endoterm reakcióba lép számos más anyaggal: pl. MgCl₂ · 6 H₂O (15 °C), NH₄Cl (20 °C), CH₃COONH₄ (5-10 °C). Hasonlóan endoterm folyamat a kristályos nátrium-karbonát-dekahidrát és a citromsav szilárd fázisú reakciója is. A hőmérséklet csökkenését folyamatosan követhetjük úgy, hogy az egyik diák figyeli a hőmérőt, a másik feljegyzi a mért adatot. Ez kb. 10 percig tart. A diákok egyszerű grafikont is felrajzolhatnak.

Biztonsági tudnivalók és hulladékkezelés: A kísérletben szereplő anyagok nem veszélyesek.