§ 47. Кристаллогидраты

Определения и обозначения

Кристаллогидрат — вещество, кристаллическая решётка которого содержит определённое число молекул воды. Это не смесь соли с влагой, а единое кристаллическое вещество с постоянным составом. Понятие помогает отличать такие соли от обычных безводных веществ.

Кристаллизационная вода — вода, входящая в состав кристаллогидрата в строго определённом соотношении. Она занимает определённое положение в кристаллической решётке и влияет на свойства кристаллов. В формуле её количество обозначают числом перед H₂O.

Безводная соль — соль, из кристаллической решётки которой удалена кристаллизационная вода. Она может иметь другой цвет, массу и другие свойства по сравнению с исходным кристаллогидратом. Такое вещество удобно рассматривать как результат обезвоживания соли.

Формула кристаллогидрата записывает состав соли и число молекул воды через точку, например CuSO₄·5H₂O. Число 5 означает пять молекул воды на одну формульную единицу CuSO₄. Такая запись сразу показывает состав и соотношение компонентов.

Как это устроено

Кристаллогидраты часто образуются, когда соль кристаллизуется из водного раствора. По мере испарения воды частицы соли сближаются и выстраиваются в правильную кристаллическую решётку. Часть молекул воды оказывается включённой в эту решётку, потому что она помогает частицам занять устойчивые положения и сформировать кристалл.

Для конкретного вещества положение и количество молекул воды определяются строением его кристаллической решётки. Если добавить или убрать воду без изменения вещества, получится уже другая форма или другой состав соли. Поэтому число молекул воды постоянно для данного кристаллогидрата и записывается коэффициентом n в формуле соль·nH₂O.

Кристаллизационная вода отличается от случайной влаги тем, что связана с внутренним строением кристалла. Влага на поверхности может появиться из-за сырого воздуха, легко удаляется сушкой и не имеет фиксированного соотношения с солью. Кристаллизационная вода входит в формулу и удаляется только при определённых условиях, например при нагревании.

При нагревании частицы кристаллогидрата получают энергию, и молекулы воды покидают кристаллическую решётку. Оставшаяся структура перестраивается, поэтому образуется безводная соль, а масса вещества уменьшается. Цвет тоже может измениться: например, голубой CuSO₄·5H₂O после обезвоживания превращается в белый CuSO₄, а при добавлении воды голубая окраска возвращается.

В записи CuSO₄·5H₂O точка разделяет две части состава: соль CuSO₄ и воду. Индекс 5 относится к воде и показывает её количество относительно одной формульной единицы соли. Индексы внутри формул CuSO₄ и H₂O читаются отдельно и не заменяют коэффициент кристаллизационной воды.

Сравнение кристаллогидрата и безводной соли

Таблица помогает быстро определить, какая часть состава отвечает за воду и чем отличаются две формы вещества. При решении задач сначала установите, дана ли соль с водой или уже безводная соль. Затем выбирайте соответствующую формулу и молярную массу.

Если кристаллогидрат нагревают полностью, его масса превращается в сумму массы безводной соли и массы удалённой воды. Это соотношение позволяет переходить от одного вещества к другому в расчётах.

Разбор задач

Задача 1

Определить, сколько молекул воды приходится на одну формульную единицу соли в MgSO₄·7H₂O, и назвать кристаллогидрат. Нужно прочитать запись справа от точки и связать индекс с названием вещества. Индекс относится именно к молекулам воды.

1. В формуле перед H₂O стоит индекс 7, значит на одну формульную единицу MgSO₄ приходятся семь молекул воды.
2. Название составляют из названия соли и указания числа молекул воды: сульфат магния, гептагидрат.

Ответ: MgSO₄·7H₂O — гептагидрат сульфата магния; на одну формульную единицу соли приходится 7 молекул воды.

Задача 2

При нагревании 25 г CuSO₄·5H₂O полностью обезводили. Найдём массы воды и безводного CuSO₄. Относительные атомные массы округлим: Cu = 64, S = 32, O = 16, H = 1.

1. M(CuSO₄) = 64 + 32 + 4·16 = 160 г/моль; M(5H₂O) = 5·18 = 90 г/моль.
2. M(CuSO₄·5H₂O) = 160 + 90 = 250 г/моль. Доля воды равна 90/250, поэтому m(воды) = 25·90/250 = 9 г.
3. Масса безводной соли: 25 − 9 = 16 г. Это также проверяется сложением: 16 + 9 = 25 г.

Ответ: выделится 9 г воды, образуется 16 г безводного CuSO₄.

Задача 3

Из 2,50 г CuSO₄·nH₂O после нагревания получили 1,60 г CuSO₄. Сначала найдём массу воды, а затем сравним количества вещества компонентов. Именно это сравнение даёт целое число n.

1. m(H₂O) = 2,50 − 1,60 = 0,90 г.
2. ν(CuSO₄) = 1,60/160 = 0,010 моль; ν(H₂O) = 0,90/18 = 0,050 моль.
3. ν(H₂O):ν(CuSO₄) = 0,050:0,010 = 5:1, значит n = 5.

Ответ: формула кристаллогидрата — CuSO₄·5H₂O.

Типичные ошибки

Ошибка — считать кристаллизационную воду случайной влагой, потому что она удаляется при нагревании. Так думают, если не учитывают её положение в решётке и постоянное соотношение с солью. Проверьте себя: вода должна быть указана в формуле кристаллогидрата определённым числом.

Ошибка — принимать точку в CuSO₄·5H₂O за обычный знак умножения. Тогда теряется смысл записи как состава единого кристаллогидрата. Проверьте себя: точка разделяет соль и воду, а не означает вычисление.

Ошибка — забывать индекс перед H₂O и считать, что воды всегда одна молекула. Такое чтение меняет состав и все массовые расчёты. Проверьте себя: число перед водой нужно перенести в молярную массу как множитель.

Ошибка — смешивать массу исходного кристаллогидрата с массой безводной соли после нагревания. Масса уменьшается именно на массу удалённой воды, поэтому эти величины не равны. Проверьте себя равенством m(кристаллогидрата) = m(соли) + m(воды).

Связь с другими темами

До изучения кристаллогидратов нужны умения читать химические формулы и индексы, находить относительные атомные и молекулярные массы, а также рассчитывать количество вещества. Эти навыки позволяют переводить формулу в количественное соотношение частиц и масс.

Тема связана с массовой долей веществ и элементов, расчётами по уравнениям реакций, а также лабораторными способами получения и очистки солей. Состав кристаллогидрата помогает правильно учитывать воду в подобных вычислениях.

Практическое значение темы связано с хранением и сушкой реактивов. Кристаллогидраты также помогают объяснять свойства минералов и строительных материалов, в составе которых вода может быть частью кристаллической структуры.

Что запомнить

• Кристаллогидрат содержит соль и кристаллизационную воду.
• Кристаллизационная вода входит в кристаллическую решётку вещества.
• Число молекул воды в формуле кристаллогидрата постоянно.
• Формулу записывают в виде соль·nH₂O.
• При нагревании кристаллогидрат теряет воду и превращается в безводную соль.
• Масса кристаллогидрата равна массе безводной соли и массе кристаллизационной воды.
• Кристаллогидрат и соответствующая безводная соль могут различаться цветом и физическими свойствами.