Miesięczne archiwum: Styczeń 2015

#15 Wytapianie szkła w kuchence mikrofalowej

Share

Głównym substratem stosowanym do produkcji szkła jest krzemionka czyli tlenek krzemu(IV). Temperatura topnienia tej substancji wynosi aż 1723 oC, a płynna krzemionka jest lepka i niewygodna do obróbki. Z tego powodu do produkcji szkła wykorzystuje się dodatek węglanu sodu, który może obniżyć temperaturę topnienia krzemionki nawet do 900 oC i zmniejsza jej lepkość. Podczas ogrzewania następuje termiczny rozkład węglanu sodu w wyniku czego powstaje dwutlenek węgla i tlenek sodu, który w połączeniu z krzemionką tworzy krzemian sodu.

Na2O + SiO2 → Na2SiO3

Związek ten jest jednak rozpuszczalny w wodzie, z tego powodu dodaje się węglan wapnia. W wyniku jego termicznego rozkładu powstaje tlenek wapnia, który stabilizuje mieszaninę i sprawia, że jest ona nierozpuszczalna w wodzie. Dodatek kwasu borowego i węglanu litu sprawia, że otrzymane szkło jest bardziej odporne termicznie i mechanicznie (Kolb i Kolb, 1979). Szkło można zabarwić dodając niewielką ilość np.: tlenku kobaltu(II) (ciemnoniebieski), siarczanu(VI) miedzi(II) (niebieski), tlenku chromu(III) (zielony) lub tlenku żelaza(III) (żółty).

W naszym doświadczeniu użyliśmy następującą mieszaninę:

  • 10,6 g kwasu borowego,
  • 4,2 g węglanu litu,
  • 1,8 g węglanu sodu,
  • 1,7 g węglanu wapnia,
  • 1,0 g piasku kwarcowego,
  • Szczyptę bezwodnego siarczanu(VI) miedzi(II).

Mieszanina została opracowana przez A. Lühkena (Lühken, 2010) i wystarcza na ok. 3 doświadczenia.

To wytapiania szkła wykorzystaliśmy zwykłą kuchenkę mikrofalową i technikę GST (niem. Graphit-Suszeptor-Tiegel-Technik) (Arnim Lühken, 2001). Technika ta polega na ogrzewaniu w kuchence tygla umieszczonego w specjalnie to tego celu przygotowanym naczyniu żaroodpornym, np. doniczce. Przed wykonaniem doświadczenia doniczkę porcelanową należy wypełnić żaroodporną zaprawą murarską (np. do kominków). Następnie w zaprawie wykonujemy zagłębienie, w którym docelowo będzie umieszczany tygiel. Dobrze jest przygotować trochę więcej zaprawy, a z nadmiaru uformować podstawkę pod naczynie. Elementy pozostawiamy do wyschnięcia.  Do gotowego naczynia najpierw należy wsypać węgiel granulowany o średnicy 1-4 mm, a następnie wcisnąć do środka tygiel. Węgiel pełni rolę susceptora – czyli substancji, która pochłania promieniowanie w zakresie mikrofal. Napromieniowany w kuchence mikrofalowej węgiel może osiągnąć temperaturę ponad 2000 oC. Według badań Mingosa i Baghursta węgiel już w pierwszej minucie osiąga temperaturę 1283 oC (Mingos i Baghurst, 1991).

Należy zwrócić uwagę, że nasze naczynie powinno być umieszczony w obszarze kuchenki, w który intensywność promieniowania jest największa tzw. hot-spot. W celu ustalenia położenia hot-spotu można wykorzystać zwilżony papier termoczuły (np. do faksu), zamieszczony na wysokości preparatu (np. na podstawce styropianowej). Hot-spot wskaże nam obszar o najsilniejszym zaczernieniu.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas borowy GHS08

Literatura:

Arnim Lühken, H. J. (2001). Hochtemperaturchemie im Haushalts-Mikrowellenofen. CHEMKON, 8 (1), strony 7-14. doi:10.1002/ckon.20010080103

Day, ,. M. i Hill, V. J. (1953, December). The Thermal Transformations of the Aluminas and their Hydrates. Journal of Physical Chemistry, 57 (9), strony 946-950. doi:10.1021/j150510a022

Kolb, D. i Kolb, K. E. (1979). The chemistry of glass. Journal of Chemical Education, 56 (9), strony 604-608. doi:10.1021/ed056p604

Lühken, A. (2010). Eksperymenty szkolne w domowej kuchence mikrofalowej. Niedziałki, 79(2), strony 29-38.

Mingos, D. M. i Baghurst, D. R. (1991). Applications of Microwave Dielectric Heating Effects to Synthetic Problems in Chemistry. Chemical Society Reviews, 20(1), strony 1-47.

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#14 Wulkan chemiczny

Share

Doświadczenie przedstawia termiczny rozkład chromianu(VI) amonu. Podczas reakcji powstaje azot, para wodna oraz szarozielony pył – tlenek chromu(III). Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem:

(NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2 + 4H2O

Dzięki gazowym produktom reakcji lekki pył tlenku chromu(III) unosi się w powietrze, w skutek czego doświadczenie przypomina wybuch wulkanu. Tlenek chromu(III) znajduje zastosowanie jako barwnik do farb mineralnych, szkła i glazury (Bielański, 2010).

Sól chromu początkowo zmieszano z wiórkami magnezowymi. W wyniku rozkładu dichromianu(VI) amonu wydziela się duża ilość ciepła, wystarczająca do zainicjowania reakcji spalania magnezu (temperatura zapłonu wiórek magnezowych wynosi 472 oC).

Magnez spala się jasnym oślepiającym płomieniem. Dodatkowo uwalniana jest znaczna ilość promieniowania UV, dlatego nie należy patrzeć na płonący magnez bez odpowiednich okularów ochronnych. Produktem reakcji jest biały proszek – tlenek magnezu.

Wpływ dodatku magnezu na reakcję manganianu(VII) potasu z gliceryną przedstawiliśmy w odcinku 2.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Dichromian(VI) amonu GHS06GHS08GHS09GHS03GHS05

Literatura:

Bielański, A., 2010. Podstawy Chemii Nieorganicznej. szóste red. Warszawa: PWN.

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#13 Fontanna chlorowodorowa

Share

Przedstawione doświadczenie stanowi jedną z metod otrzymywania kwasu chlorowodorowego. W pierwszym etapie otrzymuje się chlorowodór przez działanie stężonym roztworem kwasu siarkowego(VI) na chlorek sodu. Reakcja na zimno zachodzi zgodnie z równaniem (Bielański, 2010):

NaCl(s) + H2SO4(aq) → NaHSO4(aq) + HCl(g) (1)

Gęstość chlorowodoru (ρ = 1,49 g/cm3) jest większa od gęstości powietrza (ρ = 1,19 g/cm3) (Mizerski, 2013), dlatego gaz ten może być zbierany w otwartej kolbie tak jak przedstawiono na filmie. Gazy lżejsze od powietrza należy zbierać w naczyniu odwróconym do góry dnem. O wypełnieniu naczynia zbieranym gazem informuje nas intensywne czerwone zabarwienie  uniwersalnego papierka wskaźnikowego umieszczonego u wylotu kolby.

Kolbę z chlorowodorem należy zamknąć korkiem z rurką odprowadzającą i zamocowanym wkraplaczem, w którym znajduje się niewielka ilość wody. Rurkę zanurzamy w krystalizatorze wypełnionym wodą z dodatkiem wskaźnika, np. oranżu metylowego. Efekt fontanny obserwujemy po wkropleniu wody do wnętrza kolby. Chlorowodór to gaz bardzo dobrze rozpuszczalny w wodzie. Po dodaniu nawet niewielkiej ilości wody do kolby znaczna ilość gazu ulega rozpuszczeniu. W kolbie tworzy się podciśnienie, które powoduje zassanie wody z krystalizatora. Równocześnie obserwujemy zmianę barwy roztworu z pomarańczowej na czerwoną. Chlorowodór rozpuszcza się w wodzie tworząc kwas chlorowodorowy, który ulega procesowi dysocjacji elektrolitycznej:

HCl(g) HCl(aq) (2)

HCl(aq)   H+(aq) + Cl(aq) (3)

Powstające kationy wodoru odpowiadają za kwasowy odczyn roztworu, a tym samym za barwę wskaźnika. Zmiana barwy oranżu metylowego następuje w zakresie pH od 3,1 do 4,4 (Bielański, 2010). Taka sama sytuacja miała miejsce kiedy zbliżono zwilżony uniwersalny papierek wskaźnikowy do wylotu kolby. Wydzielający się chlorowodór rozpuszcza się w wodzie obecnej na zwilżonym papierku wskaźnikowym i tworzy roztwór o odczynie kwasowym, odpowiedzialnym za zmianę jego barwy.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Niebezpieczny produkt reakcji: chlorowodór GHS06GHS05

Literatura

Bielański, A., 2010. Podstawy Chemii Nieorganicznej. szóste red. Warszawa: PWN.

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

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#12 Węże – ostatnie starcie (wąż z sacharozy i p-nitroaniliny)

Share

Stężony kwas siarkowy(VI) to bezbarwna, gęsta, oleista ciecz wykazująca silne właściwości higroskopijne. Pod jego wpływem substancje organiczne ulegają odwodnieniu, a w wyniku reakcji powstaje węgiel.

C12H22O11(s)    12C(s) + 11H2O(c)

Proces ten jest silnie egzotermiczny. Sacharoza ulega stopieniu i wydziela się para wodna. Mogą również powstawać inne gazowe produkty reakcji np.: CO2 i SO2.

2H2SO4(aq) + C(s) → CO2(g) + 2SO2(g) + 2H2O(g)

Podobnie jak w przypadku węży z sacharozy i wodorowęglanu sodu (#10 Ekologiczne węże Farona) powstający węgiel zostaje „nadmuchany” przez wydzielające się gazy, tworząc czarnego, gąbczastego węża.

Reakcja zwęglania cukru zachodzi stosunkowo powoli. W przypadku zastosowania para-nitroaniliny (Rys. 1) proces zwęglania zachodzi bardzo gwałtownie, wręcz wybuchowo. Ze względu na szybkość tej reakcji, nie zawsze powstające produkty tworzą formę przypominającą węże.

pnanilina1Rysunek 1. Wzór półstrukturalny p-nitroaniliny.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • 4-nitroanilina GHS06GHS08
  • Kwas siarkowy(VI) GHS05

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share