Miesięczne archiwum: Grudzień 2014

#11 Właściwości ciekłego tlenu

Share

Tlen to bezbarwny, bezwonny gaz, stanowiący ok. 21% objętości powietrza. Występuje głównie w postaci cząsteczek dwuatomowych O2. Tlen skrapla się w temperaturze -182,96 oC tworząc bladoniebieską ciecz.

Do otrzymania ciekłego tlenu można wykorzystać ciekły azot. Temperatura wrzenia azotu wynosi -195,80 oC, dlatego w jego obecności tlen ulega skropleniu. Ciekły azot, należy umieścić w naczyniu z materiału dobrze przewodzącym ciepło (np. w metalowej puszce). Na ściankach puszki tlen ulega skropleniu, a dodatkowo osadza się zamarznięta woda i dwutlenek węgla, co doskonale widać na filmie.

Wysycenie substancji ciekłym tlenem znacznie ułatwia i przyspiesza przebieg reakcji spalania. W przypadku papierosa czy waty bawełnianej proces zachodził wręcz wybuchowo. Ciekły tlen wraz z ciekłym wodorem są wykorzystywane jako paliwo rakietowe.

Tlen wykazuje właściwości paramagnetyczne (Atkins i Jones, 2004). W uproszczeniu można powiedzieć, że zachowuje się jak magnes (McNaught i Wilkinson, 2005). Właściwość ta wynika z obecności dwóch niesparowanych elektronów w cząsteczce tlenu (Rys. 1).

Rys. 1. Schemat orbitali molekularnych cząsteczki O2

Gęstość ciekłego tlenu wynosi 1,14 g/cm3, ciekłego azotu 0,81 g/cm3, a wody 1,00 g/cm3 (Mizerski, 2013). Z tego powodu ciekły tlen wlany do cylindra z wodą opada na dno, a ciekły azot utrzymuje się na powierzchni wody.

Literatura:

Atkins, P. i Jones, L. (2004). Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

McNaught, A. D., Wilkinson, A. IUPAC Compendium of Chemical Terminology – Gold Book, 2 red., Oxford: Blackwell Scientific Publications, 1997.

Mizerski, W. (2013). Tablice chemiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan.

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#10 Ekologiczne węże Farona

Share

W doświadczeniu tym wykorzystuje się związki, które można znaleźć w kuchni. Pierwszym ze składników jest sacharoza, czyli cukier spożywczy, drugim zaś wodorowęglan sodu – główny składnik sody oczyszczonej i proszku do pieczenia. Ponadto potrzebny jest popiół np. z ogniska oraz wysokoprocentowy (palny) roztwór alkoholu.

Należy przygotować mieszaninę cukru i wodorowęglanu sodu w stosunku masowym 10:1. Cukier można lekko rozetrzeć (niestety wykorzystanie cukru pudru nie daje oczekiwanych efektów). W naczyniu żaroodpornym należy umieścić popiół i wsypać przygotowaną mieszaninę. Popiół wokół mieszaniny należy nasączyć etanolem i podpalić. Węże rosną pod wpływem ciepła wydzielanego podczas spalania etanolu.

C2H5OH + 3O2 → 2CO2 + 3H2O

Podczas ogrzewania wodorowęglan sodu ulega termicznemu rozkładowi:

2NaHCO3 → Na2CO3 + CO2 + H2O

Wydzielający się tlenek węgla(IV), odpowiada za właściwości spulchniające proszku do pieczenia oraz sodzie oczyszczonej.

Równocześnie cukier topi się i ulega zwęgleniu:

C12H22O11 → 12C + 11H2O

Powstający w trakcie reakcji spalania węgiel zostaje „nadmuchany” przez wydzielający się dwutlenek węgla i powstaje czarny wąż.

Doświadczenie to może być bez trudu i większego zagrożenia przeprowadzone w domu ze względu na nieszkodliwy charakter powstających produktów. Pamiętajcie jednak, że alkohol jest wysoce łatwopalny, nie należy np. dolewać etanolu podczas wykonywania doświadczenia.

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#9 Duch w butelce

Share

Przedstawione doświadczenie nie wymaga specjalistycznego sprzętu i odczynników. Opiera się na reakcji spalania par alkoholu wypełniających butelkę. W zaprezentowanym eksperymencie wykorzystano propan-1-ol, ale można również użyć innego lotnego alkoholu np. etanolu.

W pierwszej części eksperymentu spalono pary alkoholu w obecności powietrza. W tym celu kolbę stożkową o pojemności 5000 ml napełniono niewielką ilością propanolu, a następnie rozprowadzono go po ściankach kolby. Dzięki temu pary alkoholu wypełniają równomiernie całą objętość. Po przyłożeniu zapalonego łuczywa następuje reakcja spalania. Ilość tlenu wewnątrz kolby jest zbyt mała, aby spalanie mogło zajść z pełną szybkością. Podczas reakcji powietrze jest zasysane do kolby, niebieski płomień wędruje w dół i słychać charakterystyczny dźwięk. Równanie zachodzącej reakcji:

2C3H7OH + 9O2 → 6CO2 + 8H2O

W drugiej części doświadczania butelkę wypełniono tlenem, otrzymanym w wyniku katalitycznego rozkładu nadtlenku wodoru (10% roztwór) przy użyciu tlenku manganu(IV). Rozkład zachodzi zgodnie z równaniem:

2H2O2 → 2H2O + O2

Do butelki tak jak poprzednio wprowadzono alkohol. Po przyłożeniu zapalonego łuczywa obserwujemy gwałtownie przebiegającą reakcje spalania. Ponieważ proces ten jest procesem egzoenergetycznym, wydzielone ciepło powoduje częściowe stopienie plastikowej butelki. Doświadczenia w tym wariancie nie należy wykonywać w szklanej butelce, ze względu na ryzyko rozsadzenia naczynia!

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Propan-1-ol GHS02GHS05 GHS07

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#8 Bawełna strzelnicza – spalanie azotanu(V) celulozy

Share

W 1838 roku francuski chemik Théophile-Jules Pelouze zauważył, że papier poddany działaniu kwasu azotowego(V) spala się błyskawicznie. Około 1846 roku Christian Friedrich Schönbein i Rudolf Christian Böttger opisali możliwości praktycznego zastosowania tego odkrycia w pirotechnice. Włókna bawełny, czyli celuloza, poddane działaniu mieszaniny stężonych kwasów siarkowego(VI) i azotowego(V) tworzą związek – triazotan(V) celulozy (potocznie zwany nitrocelulozą). Produkt o zawartości 10-12% azotu nazywany jest bawełną kolodiumową, a o zawartości 12-14% azotu – bawełną strzelniczą (Burewicz, Gulińska i Miranowicz, 1993). Związek ten zaliczany jest do miotających materiałów wybuchowych.

Przygotowanie bawełny strzelniczej

Odczynniki:

  • stężony kwas siarkowy(VI) H2SO4 cp= 96%
  • stężony kwas azotowy(V) HNO3 cp= 65%
  • wodorowęglan sodu NaHCO3

Przygotowanie:

Zlewkę o pojemności 250 cm3 umieścić w dużym krystalizatorze wypełnionym wodą z dodatkiem lodu. Do zlewki wprowadzić 70 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI), a następnie małymi porcjami dodać 30 cm3 stężonego kwasu azotowego(V). Zawartość wymieszać i poczekać aż ulegnie schłodzeniu. Małymi porcjami wprowadzić bawełnę (np. watę, waciki kosmetyczne, papier). Ilość bawełny nie powinna przekraczać poziomu cieczy. Mieszaninę pozostawić na około 15 minut. W tym czasie do dużej zlewki wlać 500 cm3 wody i wsypać ok. 200 g wodorowęglanu sodu. Po zakończeniu reakcji, bawełnę zanurzyć w roztworze wodorowęglanu. Zaczekać aż gaz przestanie się wydzielać. Za pomocą uniwersalnego papierka wskaźnikowego skontrolować odczyn roztworu, w przypadku wskazania odczynu kwasowego dodać wodorowęglanu. Po uzyskaniu odczynu obojętnego lub zasadowego bawełnę przemyć kilkakrotnie dużą ilością wody, następnie odcisnąć i pozostawić do wyschnięcia w temperaturze pokojowej.

Bawełna pod wpływem kwasu azotowego(V) ulega reakcji estryfikacji. Stężony kwas siarkowy(VI) ułatwia zajście reakcji oraz usuwa wodę z układu, przesuwając stan równowagi w kierunku tworzenia produktów.

Rys. Fragment łańcucha triazotanu(V) celulozy (www.wikipedia.org)

Celuloza po estryfikacji nie zmienia swojego wyglądu, może jednak lekko zżółknąć. Kluczowym etapem syntezy jest dokładne zobojętnienie bawełny. Pozostałości kwasu azotowego(V) destabilizują produkt, co może prowadzić do samozapłonu.

Temperatura zapłonu bawełny strzelniczej to około 200 oC. Zapłon może nastąpić np. pod wpływem iskry, ciepła palnika lub ciepła wytworzonego w wyniku reakcji tlenku fosforu(V) z wodą:

P4O10 + 6H2O → 4H3PO4 + Q (Bielański, 2010)

Bawełna spala się do produktów gazowych takich jak: CO, CO2, H2O oraz N2 nie pozostawiając po sobie popiołu oraz zapachu.

Bawełna strzelnicza stanowi główny składnik prochu bezdymnego, używanego jako ładunek w nabojach artyleryjskich i amunicji strzeleckiej (McMurry, 2007).

Nitroceluloza była również wykorzystywana pod koniec XIX i na początku XX wieku do produkcji taśm filmów kinowych. Z tego powodu dawne kinowe pokoje projekcyjne musiały być ognioodporne, często były pokrywane azbestem, a w Londyńskim metrze obowiązywał zakaz przewożenia filmów. Fakt ten wykorzystał m.in. Quentin Tarantino w filmie „Bękarty wojny”, gdzie taśmy filmowe posłużył do spalenia kina wraz z publicznością. Scena ta przypomina pożar kina w Limerick w 1926 roku podczas którego zginęło 48 osób.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Kwas azotowy(V)  GHS03 GHS05

Literatura:

Bielański, A. (2010). Podstawy Chemii Nieorganicznej (wyd. szóste). Warszawa: PWN.

Burewicz, A., Gulińska, H. i Miranowicz, N. (1993). Chemia która zadziwia. Jelenia Góra: OFEK – Jelenia Góra.

McMurry, J. (2007). Chemia organiczna . Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share