Bestämning av antalet kristallvatten i kopparsulfat

Kemisk bakgrund

Kopparsulfat i hydratiserad form

Eftersom Cu2+ i vattenlösning omger sig att ett skal av H2O kallas sägs den vara hydratiserad. Vattnet binds till kopparjonen genom jon-dipolbindning. Den negativa motjonen, sulfat, SO42-, är uppbyggd av flera atomslag och sägs därför vara en komplex jon. Svavlet sitter i mitten och kallas centralatom. Även sulfatjonen är hydratiserad i vattenlösning. När saltet kristalliserar följer vatten med och byggs in i kristallstrukturen. Sådan vatten benämns kristallvatten.

Färgen som denna komplexjon har är blå så länge som vattnet sitter kvar. Det finns även andra föreningar där koppar och vatten ingår som har blå färg, så färgen är inte speciell för just kopparsulfat med kristallvatten.

Det som avgör färgen är vilka våglängder av det synliga ljuset som absorberas. Det i sin tur bestäms av skillnaderna mellan energinivåerna i ämnets elektronmoln. Ljus absorberas bara när ljuskvantats energi motsvarar skillnaden mellan två energinivåer i ämnet. En intressant sak är att liganden kan påverka energinivåerna och därmed färgen. Till exempel är kopparjoner med klorid som ligander gröna medan kopparjoner med vatten som ligander är blå. Det kan man se om man löser kopparklorid i vatten. Så länge som lösningen är koncentrerad är den grön därför kopparen har klorid som ligand, men när den blir utspädd ändras färgen till blå när kloriden ersätts av vatten som ligand.

Vattenfri kopparsulfat är gråvit

Vattenfri kopparsulfat är vit till vit/grå. Anledningen att vattenfri kopparsulfat är vit är att kristallerna har fallit sönder. Det är analogt med att snö är vit. När ljuset faller in i ett pulver bryts det och reflekteras oregelbundet i otaliga ytor. Det mesta ljuset reflekteras tillbaka innan det hunnit passera särskilt mycket av saltet och därmed hinner inte de röd-gula våglängderna absorberas. Det reflekterade ljuset är därför nästan vitt. Eventuellt är energiförhållandet hos bindningarna i vattenfri kopparsulfat även sådant att synligt ljus inte absorberas. I så fall skulle saltet vara vitt även om det bestod av stora regelbundna kristaller.

När vatten tillsätts igen minskar reflektion och brytning eftersom det blir mindre skillnad i brytningsindex mellan vattnet och kristallen. Dessutom återbildas då regelbundna kristaller, om än små och då återtar föreningen den blå färgen.

Kristallvattnet står i jämvikt med luftfuktigheten

Kristallstrukturen gör att saltet binder ett bestämt antal vatten. Om fukthalten i luften överstiger jämviktsvärdet kommer kristallerna att ta upp vatten.

Exempel: Jämvikten mellan trihydratet och pentahydratet, där saltet och den fuktiga luften är innestängda i ett slutet system:

Trihydratet tar upp vatten ifall vattenångtrycket i luften överstiger 10 mbar.
CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g) → CuSO4 · 5 H2O till dess vattenångtrycket minskat till 10 mbar.

Om luftfuktigheten är lägre än jämviktstrycket kommer saltet att avge kristallvatten till luften.
CuSO4·5 H2O → CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g) till dess vattenångtrycket ökat till 10 mbar.

Man kan alltså sammanfatta det hela som en jämvikt där två former av saltet ingår:
CuSO4·5 H2O ⇄ CuSO4·3 H2O + 2 H2O(g)

I diagrammet nedan ser man t ex att över 31 mbar vattenångtryck så förekommer kopparsulfat bara som lösning. Med så hög luftfuktighet kommer all fast kopparsulfat av delikvescera, dvs bilda lösning. Vid 31 mbar har vi jämvikt mellan en lösning av kopparsulfat och pentahydratet (med 5 H2O). Vid 10 mbar står pentahydratet och trihydratet i jämvikt med varandra (5 respektive 3 H2O). Man kan se att om man skulle låta en lösning med kopparsulfat avdunsta och sedan fortsätta uttorkningen skulle man få ett plötsligt hopp i vattenångtrycket från 31 till 10 mbar just när man har rent pentahydrat osv.

Vattenångtryck över kopparsulfat

Vi ser också i diagrammet att de former av kopparsulfat som förekommer har 0, 1, 3 eller 5 kristallvatten. 2 respektive 4 kristallvatten förekommer inte.

Formelskrivning

Vad betyder egentligen siffrorna i de olika positionerna i den kemiska formeln respektive kemiska reaktionsformeln? Vi utgår från det aktuella exemplet kopparsulfat med kristallvatten.

Kopparsulfatets formel

Kopparsulfat med kristallvatten skrivs normalt CuSO4·5 H2O. Kopparjonen som sitter tillsammans med en sulfatjon betecknas Cu2+ och har en laddning på plus två som uppväger sulfatjonens SO42- negativa laddning på minus två. Totalt blir denna sammasatta jon oladdad.

Skälet till att sulfatjonen har en negativ laddning på minus två är att den härstammar från den tvåprotoniga svavelsyran som avgivit två stycken protoner vid protolysen och dess två elektroner (en från varje väte) hänger då kvar hos sulfatjonen och ger den negativa laddningen.

Koppar är en övergångsmetall, dvs. ligger i blocket mellan grupp 2A och 3A i periodiska systemet. Övergångsmetallernas elektroner fylls på enligt "aufbau"-principen, dvs. att lägsta energinivåerna fylls på först. I koppar har s-elektronerna i yttersta skalet lägre energi än d-elektronerna i skalet innanför. Därför påbörjas yttersta skalet innan skalet innanför är fullt. Därmed blir både elektroner i yttersta och näst yttersta skalet "valenselektroner". Detta gör också övergångsmetallernas jonladningar inte stämmer med gruppnumret. Koppar har vanligen jonladdningen 2+, men ibland kan den vara 1+.

Efter beteckningen för kopparsulfat står en punkt (·) och därefter 5, d.v.s. antalet H2O. Med detta menas att till varje formelenhet kopparsulfat (CuSO4) så följer det med fem vatten (5 H2O).

Denna beskrivning är en förenklad bild av hur det ser ut både till utseendet, namngivning och en korrekt skriven formel. Om man tittar på nedanstående strukturformel så blir det genast lättare att förstå den något krångligare formeln [Cu(H2O)4]SO4·H2O, koppar(II)sulfat pentahydrat.

Reaktionsformler när koppparsulfat upphettas

Om man därefter tittar på vad som mer exakt händer vid en långsam upphettning och kopplar samman detta med reaktionsformelskrivning så kan man se hur de olika bindningarna lossar från varandra.

Vid 110 °C så händer följande: CuSO4·5 H2O → CuSO4·H2O + 4 H2O. Det är de fyra vatten runt kopparjonen som avgår först.

Vid 150 °C så händer följande: CuSO4·H2O → CuSO4 + H2O. Då avgår resterande vatten.

Tydligen är det så att jon-dipolbindningen mellan kopparjonen och vattenmolekylerna är svagare än den vätebindning som sitter mellan den sista vattenmolekylen och sulfatjonen.

Vid 650 °C sönderdelas det vattenfria kopparsulfatet och svavlet avgår som svaveltrioxid: CuSO4 → CuO+ SO3(g).

Vid bestämningen av antalet kristallvatten i kopparsulfat är det viktigt att temperaturen inte når upp till 600 °C eftersom det då blir en rest av kopparoxid i stället för det vattenfria kopparsulfatet.

Termogravimetrisk analys

En metod att analysera vilka kemiska reaktioner som sker är med termogravimetrisk analys. Den innebär att ett prov långsamt upphettas samtidigt som man följer vikförändringarna. Om man analyserar 1 mmol kopparsulfat pentahydrat med denna metod och för in vikten som funktion av temperaturen, så får man diagrammet nedan.

När man vet att kristallvatten avges vid upphettning så kan man ur viktsförändringarna få fram att 1 mmol kopparsulfat ⇔ 4 mmol H2O (vid 110 °C) resp. 1 mmol H2O (vid 150 °C), dvs. molförhållandet är (kopparsulfat : H2O vid100 °C :H2O vid 180 °C) = (1:4:1). Sammanlagt avges alltså 5 kristallvatten av en formelenhet kopparsulfat och man inser att det är ett pentahydrat.

Tabellen nedan visar samma sak som diagrammet, men med siffror.

ämne molmassa (g/mol) mängd (mmol) vikt (mg) temp (°C) resterande vikt (mg)
kopparsulfat pentahydrat 249,7 1 249,7    
vatten 18,0 4 72,1 110 177,6
vatten 18,0 1 18,0 150 159,6
svaveltrioxid 80,1 1 80,1 650 79,5

Kemiska beräkningar

Sambandet mellan massa, molmassa och substansmängd

De begrepp man använder när man gör kemiska beräkningar är:

Värt att nämna är också Avogadros konstant som har värdet 6·1023 (mer exakt värde 6,02214199·1023). En mol, substansmängen av ett ämne, innehåller alltid 6·1023 st formelenheter av ämnet.

Exempel: Kol (C) har atomnummer 6. I periodiska systemet kan man se att molmassan för kol är 12 g/mol. Detta innebär att 12 gram kol är lika med 1 mol och denna substansmängd väger 12 gram samt innehåller 6·1023 st kolatomer.

Sambandet mellan massan, molmassan och substansmängden inser man direkt i och med att molmassan anges i gram/mol. Således gäller nedanstående samband för de beräkningar som behövs.

M = m/n m = M·n n = m/M

Beräkningar på kopparsulfatet

Den kopparsulfat som vi använder i laborationen betecknas normalt CuSO4·5 H2O och kallas rätt och slätt för kopparsulfat med kristallvatten. Dess riktiga namn är koppar(II)sulfat pentahydrat. (II) är beteckningen för att det är Cu2+ som är inblandat och penta står för att det är 5 vatten (hydrat).

Det som kan vara förvillande när man skall beräkna molmassan för kopparsulfaten är att det står ett "multiplikationstecken" mellan kopparsulfaten och vattnet. Detta skall inte tolkas som att molmassan för kopparsulfaten skall multipliceras med molmassan för vattnet. Utan dessa skall istället adderas till varandra.

Molmassan för kopparsulfatet

Vi beräknar molmassan för kopparsulfaten, CuSO4·5 H2O. I periodiska systemet kan vi läsa av molmassan för de ingående grundämnena.

Atomer Molmassa
1 st koppar, Cu:  63,5 g/mol
1 st svavel, S:  32,1 g/mol
4 st syre, O:  64,0 g/mol (dvs 4·16,0 g/mol)
10 st väte, H:  10,0 g/mol (dvs 10·1,0 g/mol)
5 st syre, O:  80,0 g/mol (dvs 5 ·16,0 g/mol)

Om man nu lägger ihop dessa, 63,5 + 32,1 + 64,0 + 10,0 + 80,0 = 249,6 g/mol, så får man molmassan för kopparsulfat med kristallvattnet.

Fördjupning