Archiwum autora: Paweł

#18 Fioletowe pary jodu

Jod występuje w postaci cząsteczek dwuatomowych – I2. W warunkach standardowych (oraz normalnych) jest to ciało stałe barwy fioletowej. Brom, czyli pierwiastek leżący w tej samej grupie bezpośrednio nad jodem jest cieczą, a flor i chlor to gazy. Stopniowa zmiana stanu skupienia kolejnych fluorowców wynika nie tylko ze wzrastającej masy cząsteczkowej. Za stały stan skupienia jodu odpowiadają głównie stosunkowo silne oddziaływania międzycząsteczkowe typu dipol indukowany – dipol indukowany. Wszystkie cząsteczki dwuatomowe zbudowane z dwóch takich samych atomów (tzw. homoatomowe) są niepolarne. Jednak duże chmury elektronowe atomów jodu mogą łatwo przemieszczać się względem jąder atomowych, a tym samym cząsteczki uzyskują chwilowy moment dipolowy (indukowany moment dipolowy).

Schemat tworzenia się dipoli indukowanych

Rysunek 1. Schemat tworzenia się dipoli indukowanych.

Oddziaływanie między powstałymi dipolami odpowiadają za stały stan skupienia jodu. Oddziaływania te nie są jednak zbyt mocne, do zniszczenia sieci krystalicznej jodu wystarczy już temperatura 114 oC.

Dość często można spotkać się ze stwierdzeniem, że jod pod ciśnieniem atmosferycznym nie ulega stopieniu, a podczas ogrzewania zachodzi proces sublimacji, podobnie jak dla CO2. Niestety w przypadku jodu nie jest to prawda, co można zobaczyć na poniższym diagramie fazowym.

Diagram fazowy jodu

Rysunek 2. Diagram fazowy jodu.

Jak widzimy ogrzewanie stałego jodu pod ciśnieniem 101,3 kPa (1 atm) prowadzi najpierw do przejścia w fazę ciekłą (temp. topnienia 113,6 oC), a dopiero w temp. 184,4 oC w gaz.

Podczas naszego doświadczenia jod reaguje z magnezem zgodnie z równaniem:

Mg + I2 → MgI2

Proces ten jest egzotermiczny, wydzielone ciepło powoduje stopienie oraz wrzenie jodu. Powstały jodek magnezu to ciało stałe barwy białej. Jest to substancja nietrwała, rozkłada się już w temperaturze pokojowej. W obecności powietrza zachodzi również reakcja z tlenem prowadząca do wydzielenia jodu:

2MgI2 + O2 → 2MgO + 2I2

Jod jest niezbędny w naszym organizmie do prawidłowego działania tarczycy. Należy jednak pamiętać, że jest to zarazem substancja trująca, dawka śmiertelna dla dorosłego człowieka to około 4 g jodu.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Jod  GHS07GHS09
  • Magnez GHS02

#17 Sztuczny śnieg – właściwości poliakrylanu sodu

Poliakrylan sodu to polimer otrzymywany poprzez polimeryzację kwasu akrylowego i częściową jego neutralizację. kwas-akrylowyRysunek 1. Wzór półstrukturalny kwasu akrylowego.

 Związek ten nazywany jest nazywany superabsorbentem, ponieważ może pochłonąć znaczne ilości wody, kilkuset razy większe niż jego masa. Poliakrylan sodu nie rozpuszcza się w wodzie, ale tworzy produkt o konsystencji żelu.

Poliakrylan sodu to polimer jonowy. Za właściwości sorpcyjne odpowiedzialne są grupy karboksylowe, które tworzą z cząsteczkami wody wiązania wodorowe. poliakrylan-soduRysunek 2. Wzór meru tworzącego poliakrylan sodu (www.wikipedia.org).

Efektywnym absorbentem jest polimer o silnie splątanej i rozgałęzionej strukturze.

poliakrylan-sodu-1Rysunek 3. Struktura usieciowanego poliakrylanu sodu. (http://www.m2polymer.com/html/superabsorbent_polymers.html)

 Właściwości sorpcyjne polimeru zależą nie tylko od jego struktury, ale również od czystości absorbowanej wody. Porcja sorbentu może pochłonąć (NCSU):

  • do 800 razy większą masę wody destylowanej,
  • do 300 razy większą masę wody kranowej,
  • do 60 razy większą masę roztworu NaCl o stężeniu ~1%.

Superabsorpcyjne właściwości poliakrylanu sody znalazły zastosowanie w produkcji jednorazowych pieluch dla niemowląt oraz innych produktów higieny osobistej. Ponadto wykorzystywany jest również do produkcji podkładek osuszających w opakowaniach do mięsa oraz przez hydraulików do usuwania zalegającej wody.

 Literatura:

NCSU Dept. of Chemistry – Lecture Demonstrations, Super Absorbent Polymer – Sodium Polyacrylate (http://ncsu.edu/project/chemistrydemos/Organic/Superabsorbent.pdf)

How do superabsorbent polymers work? http://www.m2polymer.com/html/superabsorbent_polymers.html

www.wikipedia.org

#16 Podwodne fajerwerki – reakcja acetylenu z chlorem

Nazwa chlor pochodzi z łacińskiego słowa chlorum i oznacza żółtozielony. Gaz ten można otrzymać w wyniku reakcji stężonego kwasu chlorowodorowego z manganianem(VII) potasu:

2KMnO4 + 16HCl → 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2↑ + 8H2O

Wydzielający się chlor wprowadzany jest do cylindra wypełnionego wodą. Następnie dodajemy węglik wapnia czyli tzw. karbid. Związek ten reaguje z wodą zgodnie z równaniem:

CaC2 + 2H2O → C2H2 + Ca(OH)2

Powstały acetylen reaguje wybuchowo z chlorem tworząc 1,1,2,2-tetrachloroetan:

C2H2 + 2Cl2 → C2H2Cl4

Ilość chloru jest zbyt mała, aby powstający etyn przereagował całkowicie. Nadmiar tego związku reaguje z tlenem z powietrza, zachodzi spalanie niecałkowite, którego produktami są sadza i para wodna:

2C2H2 + O2 → 4C + 2H2O

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas solny 35% GHS05
  • Manganian(VII) potasu GHS03GHS07GHS09
  • Węglik wapnia GHS02
  • Chlor GHS06GHS09
  • Acetylen GHS02

#15 Wytapianie szkła w kuchence mikrofalowej

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.