hydrat
Hydrat — Hydrat, wodzian – związek chemiczny stanowiący produkt reakcji hydratacji (uwodnienia), zawierający cząsteczki wody związane z atomem (jonem) centralnym za pomocą wiązań koordynacyjnych lub względnie trwałych wiązań wodorowych; hydrat może występować w roztworze wodnym lub w postaci związku o strukturze krystalicznej.
Powstawanie hydratów
Hydraty (wodziany) są związkami chemicznymi powstającymi w wyniku reakcji hydratacji (uwodnienia). Proces ten polega na przyłączaniu cząsteczek wody do cząsteczek innych związków chemicznych rozpuszczonych w roztworze wodnym, zachodzącym przeważnie wskutek elektrostatycznego przyciągania się polarnych cząsteczek wody oraz jonów lub polarnych cząsteczek substancji rozpuszczonej.
Procesy hydratacji obejmują różne sposoby wiązania cząsteczek wody przez jony lub polarne cząsteczki substancji rozpuszczonej w roztworze. Woda w tych połączeniach – produktach reakcji hydratacji (hydratach) – może występować w postaci cząsteczkowej (H₂O) bądź w formie zdysocjowanej, gdzie do cząsteczki danej substancji przyłączają się osobno jony wodorowe (H⁺) i jony wodorotlenowe (OH⁻).
Wyróżnia się następujące mechanizmy reakcji hydratacji:
- wiązanie cząsteczek wody (wody krystalicznej) z atomem (jonem) centralnym w sieci krystalicznej za pomocą wiązań koordynacyjnych bądź względnie trwałych wiązań wodorowych; zgodnie z tym mechanizmem przebiegają reakcje powstawania soli uwodnionych z soli bezwodnych, np. reakcja przemiany bezwodnego siarczanu wapnia – anhydrytu (CaSO₄) w dwuwodny siarczan wapnia – gips (CaSO4·2H2O);
- wiązanie cząsteczek wody z kationami o dużej wartościowości, w wyniku czego powstają kationy kompleksowe; np. oktaedryczne jony kompleksowe [Cu(H₂O)₆]²⁺ tworzone przez siarczan miedzi (CuSO₄) w roztworze wodnym;
- wiązanie cząsteczek wody do cząsteczek innych związków chemicznych (związków organicznych zawierających w cząsteczce wiązania nienasycone) przebiegająca z utworzeniem nowego związku chemicznego (reakcja addycji wody); np. addycja wody do alkenu prowadząca do powstania alkoholu, w której kation wodoru (H⁺) przyłącza się do jednego atomu węgla przy wiązaniu podwójnym, a anion wodorotlenkowy (OH⁻) do drugiego atomu węgla tworzącego to wiązanie;
- wiązanie cząsteczek wody z powierzchnią cząstek koloidalnych (np. białek), czego wynikiem jest powstanie zolu – układu z cząstkami koloidalnymi rozproszonymi w roztworze wodnym.
Właściwości hydratów
Hydraty (wodziany) powstające w wyniku reakcji hydratacji stanowią połączenia cząsteczek wody z jonami lub cząsteczkami substancji rozpuszczonych obecnych w roztworze wodnym. Hydraty mogą występować jako związki rozpuszczone w roztworach wodnych lub jako związki o strukturze krystalicznej.
Nazwa każdego hydratu uwzględnia ilość cząsteczek wody przypadającą na jedną cząsteczkę danego związku chemicznego, np. w pięciowodnym siarczanie (VI) miedzi (II) (CUSO₄ · 5H₂O) na jedną cząsteczkę siarczanu przypada pięć cząsteczek wody. Niektóre związki chemiczne mogą tworzyć kilka hydratów, np. węglan sodu (Na₂CO₃) tworzy trzy hydraty – jednowodny węglan sodu (Na₂CO₃·H₂O), siedmiowodny węglan sodu (Na₂CO₃·7H₂O) oraz dziesięciowodny węglan sodu (Na₂CO₃·10H₂O).
Właściwości hydratów:
- są przeważnie nietrwałe termicznie – w wyniku ogrzewania tracą wodę i przechodzą w hydraty mniej uwodnione bądź substancje bezwodne; niektóre hydraty cechują się większą trwałością i nie ulegają odwodnieniu przed osiągnięciem temperatury topnieniarozpuszczalników
- wykazują mniejszą higroskopijność w porównaniu do form bezwodnych;
- cechują się inną barwą w porównaniu do mniej uwodnionych hydratów i form bezwodnych tego samego związku chemicznego, np. bezwodny siarczan miedzi (CuSO₄) ma barwę białą, jednowodny siarczan miedzi (CuSO₄·H₂O) ma barwę jasnoniebieską, pięciowodny siarczan miedzi, chalkantyt (CuSO4·5H2O) ma intensywną niebieską barwę; bezwodny chlorek kobaltu (II) ma barwę ciemnoniebieską, sześciowodny chlorek kobaltu (II) (CoCl₂·6H₂O) ma barwę ciemnoróżową;
- większość cechuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie („wyzwolenie” cząsteczek wody z sieci krystalicznej); wyjątek stanowi np. słabo rozpuszczalny gips (dwuwodny siarczan wapnia CaSO₄·2H₂O).
Przykłady zastosowania hydratów
Zjawisko zmiany barwy danej substancji (soli bezwodnej) po przejściu w formę uwodnioną wykorzystywane jest do wykrywania zawilgocenia środków suszących, np. ditlenku krzemu SiO₂ (silikażelu) oraz siarczanu miedzi(II) CuSO4.
Dwuwodny siarczan wapnia CaSO₄·2H₂O (gips) wykorzystywany jest do produkcji zapraw gipsowych stosowanych w chirurgii urazowej do unieruchamiania złamanych kończyn, do wykonywania modeli gipsowych w stomatologii oraz do produkcji zaprawy hydraulicznej w budownictwie.
Dziesięciowodny siarczan sodu Na₂SO₄·10H₂O (sól glauberska) ma zastosowanie w produkcji szkła, papieru, środków piorących i sody; używany jest w farbiarstwie do wytwarzania niebieskiego pigmentu – ultramaryny; wykorzystywany jest także jako środek leczniczy o działaniu przeczyszczającym.
Czterowodny winian potasowo-sodowy KNaC₄H₄O₆·4H₂O (sól Seignette’a) wykorzystywany jest m.in. jako płyn do higieny jamy ustnej, środek leczniczy o działaniu przeczyszczającym, dodatek do żywności (produktów cukierniczych i piekarniczych, przetworów owocowych, serów, proszku do pieczenia) oraz stabilizator kationów miedziowych w reakcjach chemicznych (np. próbie Fehlinga).
