Kristālhidrāti

Kristālhidrāti (grieķu: krystallos - ledus, kalnu kristāls + hydōr - ūdens) ir kristāliskas vielas (biežāk neorganiskas), kuru sastāvā ir ūdens molekulas - tā saucamais kristalizācijas ūdens.

Akvokompleksi

Kristālhidrāti pārsvarā pieder pie kompleksajiem savienojumiem - akvokompleksiem. Piemēram, kalcija hlorīda kristālhidrāta CaCl₂·6H₂O formulu var rakstīt arī kā katjonu kompleksa formulu: [Ca(OH₂)₆]Cl₂. Daudzi sāļi, kā arī skābes un bāzes izkrīt no ūdens šķīdumiem kristālhidrātu veidā, kaut arī lielākoties akvokompleksi ir stabili tikai šķīdumos. Tomēr retumis eksistē arī tādi savienojumi, kas ir stabili tikai kristālhidrāta formā - mēģinot iegūt bezūdens formu, tie sadalās (berilija oksalāts BeC₂O₄·H₂O). Akvokompleksu kristālhidrātiem raksturīgs stingri noteikts ķīmiskais sastāvs. Bieži vienai un tai pašai vielai var būt vairāki kristālhidrāti - piemēram, kalcija hlorīds ar ūdeni veido dihidrātu, tetrahidrātu un heksahidrātu (kristālhidrātus ar 2, 4 un 6 ūdens molekulām), bet kalcija sulfāts CaSO₄ (anhidrīts) veido pushidrātu CaSO₄·0,5H₂O jeb 2CaSO₄·H₂O (alabastru) un dihidrātu CaSO₄·2H₂O (ģipsi). Karsējot kristālhidrāti zaudē ūdeni (dažreiz šķīst savā kristalizācijas ūdenī, ko mēdz jaukt ar kušanu), turklāt var veidoties kristālhidrāti ar mazāku ūdens saturu. Tā, karsējot vara vitriolu CuSO₄·5H₂O (zilā krāsā), pie 105 °C rodas trihidrāts CuSO₄·3H₂O (gaišzilā krāsā), bet pie 150 °C - monohidrāts CuSO₄·H₂O (baltā krāsā); virs 250 °C vara sulfāts pilnībā zaudē ūdeni.

Tektohidrāti

Kristālhidrātus ar sevišķi lielu ūdens saturu, piemēram, nātrija karbonāta kristālhidrātu ar 10 ūdens molekulām (Na₂CO₃·10H₂O) var uzskatīt par savdabīgiem cietajiem šķīdumiem, kur notikusi sāls iespiešanās ledus struktūrā. Tādus cietos šķīdumus sauc par tektohidrātiem. Tektohidrātos ledus struktūru stabilizē sāļu pretēji lādēto jonu savelkošā iedarbība, tiem savstarpēji pievelkoties. Tādēļ tektohidrātu kušanas temperatūra mēdz būt daudz augstāka par ledus kušanas temperatūru. Tektohidrāti pieskaitāmi pie mainīga sastāva savienojumiem, jo ūdens molekulu skaits tajos nav stingri noteikts (piemēram, iepriekš minētais nātrija karbonāta dekahidrāts jeb mazgājamā soda var saturēt arī mazāku ūdens daudzumu).

Klatrātu tipa kristālhidrāti

Mainīga sastāva savienojumi ir arī ieslēguma savienojumi jeb klatrāti. Klatrāti veidojas, kādas vielas molekulām iespiežoties citas vielas (kristālhidrātu gadījumā - ledus) kristālu tukšajos starpmolekulārajos dobumos. Šādos savienojumos abu vielu starpmolekulārajai mijiedarbībai ir mazāka nozīme nekā tektohidrātos, bet to kušanas temperatūra ir zemāka. Tā kā ledum sevišķi raksturīga irdena struktūra, tas bieži veido klatrātus ar gāzēm - hloru, metānu, sērūdeņradi, argonu, ksenonu, sēra dioksīdu, kā arī citām. Šādus ledus klatrātus sauc par gāzu hidrātiem. Laboratoriski pirmais gāzu hidrāts tika iegūts 1811. gadā (Hamfrijs Deivijs) - tas bija hlora hidrāts Cl₂·6H₂O. Šāds hidrāts veidojas, atdzesējot piesātinātu hlora šķīdumu ūdenī līdz 9 °C temperatūrai. Tā kā ledum uz katrām 46 ūdens molekulām ir 8 brīvi dobumi, pārsvarā gāzu hidrātu sastāvs ir X·5,75H₂O (noapaļojot - X·6H₂O), kur X - gāzes molekula. Ir arī hidrāti ar sastāvu X·7,75H₂O jeb X·8H₂O. Gāzu hidrāti ir sniegam vai irdenam ledum līdzīgas vielas.

Atrašanās dabā

Daudzi kristālhidrāti atrodami dabā kā minerāli, piemēram, ģipsis CaSO₄·2H₂O vai karnalīts MgCl₂·KCl·6H₂O. Metāna hidrāti atrodami Zemes dzīlēs mūžīgā sasaluma rajonos un tie ir dabiskas gāzes krātuves. Nevēlami ogļūdeņražu hidrāti var veidoties naftas un gāzes rūpniecības procesos un aizsprostot cauruļvadus un aparatūru.

Izmantošana

Kristālhidrātu veidošanos izmanto celtniecībā, piemēram, ģipsis vai cements sacietē, rodoties kristālhidrātiem. Tie izmantojami arī ugunsdrošībai, jo augstā temperatūrā izdalās ūdens, kas absorbē daudz siltuma (šādam nolūkam izmanto ģipsi).
Kobalta sāļu kristālhidrātus lieto kā mitruma indikatorus, jo bezūdens kobalta sāļi mēdz būt zilā krāsā, bet, uzsūcot ūdeni, krāsa mainās uz sarkanu.
Propāna hidrātu var izmantot ekonomiskai jūras ūdens atsāļošanai. Iespiežot propānu vēsā, sāļā ūdenī, pie 4 atmosfēru spiediena veidojas propāna kristālhidrāts, kuru var atdalīt, mazgāt un sadalīt augstākā temperatūrā, iegūstot saldūdeni, bet propānu no jauna iesūknējot sāļūdenī. Klatrātus var izmantot arī gāzu uzglabāšanai, gāzu maisījumu un izomēru atdalīšanai.