Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#34 Świecąca fontanna

Share

Chemiluminescencja to zjawisko emisji światła w wyniku reakcji chemicznej. Najbardziej znaną substancją zdolną do emisji światła jest Luminol (rysunek 1). Związek ten w środowisku zasadowym i obecności utleniacza oraz aktywatora emituje światło o barwie niebieskiej, niebiesko-zielonej – długości fali 441-452 nm (Manna & Montpetit, 2000).

Rysunek 1. Wzór półstrukturalny luminolu (hydrazyd 3-aminoftalowy).

W środowisku zasadowym luminol zostaje przekształcony w dianion zgodnie ze schematem (Panzarasa, 2014):

Rysunek 2. Przekształcenie luminolu w dianion.

Aktywator czyli np. jony Cu2+ lub jony Fe3+ (porównaj: #23 Wykrywanie śladów krwi) katalizują rozkład nadtlenku wodoru zgodnie z równaniem (Panzarasa, 2014), (Young, 2005):

2H2O2 → 2H2O + O2

Powstały tlen utlenia luminol. Początkowo luminol tworzy nadtlenek, a następnie odszczepione zostają atomy azotu. Końcowym produktem utlenienia jest anion dikarboksylowy (Schneider, 1970):

Rysunek 3. Utlenianie luminolu.

Pękające wiązania powodują wzbudzenie elektronów w atomach tlenu. Powrót do stanu podstawowego przebiega z wydzieleniem energii w postaci światła.

Rysunek 4. Chemiluminescencja

Czas luminescencji jest dość krótki. Widzimy, że roztwór pod koniec filmu traci intensywna niebieską barwę.

Doświadczenie wykonano według przepisu opracowanego przez Thomasa (1990).

Roztwór A otrzymuje się przez rozpuszczenie w 500 cm3 wody destylowanej:

  • 2 g Na2CO3
  • 0,1 g luminolu
  • 12 g NaHCO3
  • 0,25 g (NH4)2CO3
  • 0,2 g CuSO4

Roztwór B: do 475 cm3 wody destylowanej należy dodać 25 cm3 3% roztworu H2O2

Efekt fontanny wywoływany jest w analogiczny sposób jak w doświadczeniu #13 Fontanna chlorowodorowa, jednak w tym wypadku należy użyć amoniak, ponieważ chemiluminescencja luminolu zachodzi w środowisku zasadowym. Aby wypełnić kolbę gazowym amoniakiem należy wykorzystać stężony roztwór wody amoniakalnej. Można go ogrzewać w osobnym naczyniu, tak jak to pokazano na filmie, lub bezpośrednio w kolbie. Wprowadzenie niewielkiej ilości wody do kolby z gazowym amoniakiem powoduje, że amoniak zaczyna rozpuszczać się we wprowadzonej wodzie co powoduje zmniejszenie ciśnienia w kolbie, a tym samym zassanie roztworów A i B.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Luminol

Literatura

Manna, A. D. i Montpetit, S., 2000. A novel approach to obtaining reliable PCR results from luminol treated bloodstains. Journal of Forensic Sciences, Tom 45(4), pp. 886-90.

Panzarasa, G., 2014. Shining Light on Nanochemistry Using Silver Nanoparticle-Enhanced Luminol Chemiluminescence. Journal of Chemical Education, Tom 91 (5), pp. 696-700.

Schneider, H. W., 1970. A new, long-lasting luminol chemiluminescent cold light. Journal of Chemical Education, Tom 47(7), p. 519.

Thomas, N. C. (1990). A chemiluminescent ammonia fountain. Journal of Chemical Education, 67 (4), str. 339. doi: 10.1021/ed067p339

Young, J. (2005). Luminol (3-Aminophthalhydrazide). Journal of Chemical Education, 82 (10), str. 1465. doi:10.1021/ed082p1465

Share

#33 Zima w kolbie

Share

Kwas benzoesowy to powszechnie stosowany środek konserwujący do żywności. Jest to kwas organiczny otrzymywany w wyniku reakcji utleniania łańcuchów bocznych alkilobenzenu (McMurry, 2007).

Rysunek 1. Wzór cząsteczki kwasu benzoesowego.

W warunkach normalnych jest to krystaliczne, białe ciało stałe. Temperatura topnienia kwasu benzoesowego wynosi 122,35 oC, natomiast temperatura wrzenia 249,20 oC (Haynes, 2010). Kwas ten podczas ogrzewania w temperaturze powyżej 100 oC łatwo ulega sublimacji (porównaj z: #18 Fioletowe pary jodu).

W doświadczeniu wykorzystano fakt, iż kwas benzoesowy ulega sublimacji, jak również posiada stosunkowo niską temperaturę wrzenia. Efekt zimy w kolbie można otrzymać wywołując resublimację kwasu benzoesowego. W wyniku ogrzewania pary kwasu wypełniają całą objętość naczynia naczynia. Po obniżeniu temperatury kwas krystalizuje i obserwujemy efekt przypominający padanie śniegu. Jeżeli zwiększymy ilość kwasu i intensywność sublimacji/parowania, krystalizacja zachodzi również na powierzani choinki, tworzą się kryształy kwasu w postaci podłużnych igieł.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas benzoesowy  GHS07

Literatura:

Haynes, W.M. (ed.) CRC Handbook of Chemistry and Physics. 91st ed. Boca Raton, FL: CRC Press Inc., 2010-2011

McMurry, J. (2007). Chemia organiczna 3. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

Share

#32 Bijące serce rtęciowe

Share

Rtęć jest jednym z dwóch pierwiastków, które w temperaturze pokojowej są w stanie ciekłym. Doświadczenie pt. „Bijące serce rtęciowe” związane jest z utlenianiem metalicznej rtęci, a następnie redukcją powstałych jonów do czystego metalu. Procesowi temu towarzyszą zmiany w napięciu powierzchniowym rtęci, obserwowane jako zmiany w kształcie kropli tego metalu.

W doświadczeniu wykorzystano rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu i kwasu siarkowego(VI), stężony kwas siarkowy(VI) oraz rtęć. Krople rtęci należy pokryć zakwaszonym roztworem manganianu(VII) potasu pod wpływem którego powierzchnia rtęci ulega utlenieniu do Hg+:

5Hg → 5Hg+ + 5e–

8H+ + MnO4– + 5e– → + Mn2+ + 4H2O

Proces ten zachodzi w środowisku kwasowym. Powstałe jony rtęci, mogą dalej ulegać reakcji utleniania do HgO, tlenku, który jest nietrwały w środowisku kwasowym:

HgO + 2H+ → Hg2+ +H2O

Jednocześnie dochodzi do wytrącenia w postaci cienkiej warstewki nierozpuszczalnej w wodzie soli siarczanu(VI) rtęci(I):

SO42- + 2Hg+ → Hg2SO4(s)

Utworzona warstwa soli obniża napięcie powierzchniowe rtęci, kropla się spłaszcza. Po przyłożeniu żelaznego gwoździa zachodzi utlenienie żelaza z jednoczesna redukcją anionów manganianowych(VII):

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2(g)

8H+ + 5Fe2+ + MnO4– → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Dodatkowo jony rtęci, jako mniej aktywne są wypierane z roztworu:

Fe + 2Hg+ → Fe2+ + 2Hg

Stopniowo zachodzi proces rozpuszczania powstałej wcześniej warstwy soli Hg2SO4:

Fe + Hg2SO4(s) → Fe2+ + 2Hg + SO42-

Roztwarzanie warstwy soli powoduje zwiększenie napięcia powierzchniowego metalu. Kropla rtęci odrywa się od powierzchni żelaza. Zachodzące procesy obserwowane są jako pulsowanie powierzchni metalu. Siłą napędową oscylacji jest przeniesienie elektronów z żelaza do roztworu manganianu za pośrednictwem rtęci. Żelazo jest donorem elektronów, a rtęć działa jako przełącznik do ich transferu. W uproszczeniu proces można opisać następująco:

5Fe + 16H+ + 2MnO4– → 5Fe2+ + 2Mn2+ + 8H2O

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Manganian(VII) potasu GHS03GHS07GHS09
  • Rtęć GHS06GHS08GHS09

Literatura:

Avnlr, D. (1989). Chemically Induced Pulsations of Interfaces: The Mercury Beating Heart. Journal of Chemical Education, 66(3), strony 211-212. doi:10.1021/ed066p211

Ramírez-Á, E., Ocampo-Espindola, J., Montoya, F., Yousif, F., Vazquez, F. i Rivera, M. (2014). Extensive Study of Shape and Surface Structure Formation in the Mercury Beating Heart System. The Journal of Physical Chemistry, 118(45), strony 10673-10678. doi:10.1021/jp507596b

Share

#31 Punkt potrójny i zamarzanie ciekłego azotu

Share

Fazą termodynamiczną nazywamy fragment układu o jednolitych właściwościach fizycznych. Dla substancji chemicznych fazę możemy utożsamiać ze stanem skupienia. Standardowo wyróżniamy trzy stany skupienia: gaz, ciecz i ciało stałe, choć poza typowymi fazami istnieje jeszcze plazma, szkło rotacyjne, fazy ciekłokrystaliczne i inne (Atkins, 2007).

Substancja może istnieć w danej fazie w pewnym zakresie ciśnienia i temperatury. Przemiany pomiędzy fazami mogą zatem zachodzić pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia. Zakresy tych parametrów w których różne fazy są termodynamicznie trwałe oraz parametry przemian fazowych obrazuje diagram fazowy (Atkins, 2007). Na diagramie obszary równowagi pomiędzy dwoma fazami widoczne są jako linie. W miejscu przecięcia linii znajduje się tak zwany punkt potrójny. W temperaturze i ciśnieniu określonym przez ten punkt wszystkie trzy stany skupienia są w równowadze przez co możemy zaobserwować wrzenie i krzepnięcie substancji w tym samym czasie. Poniżej przedstawiamy diagram fazowy azotu.

wykres-fazowy-azotuRys. 1. Diagram fazowy azotu (www.wolframalpha.com)

Na diagramie widoczny jest również punkt krytyczny. Punkt ten określa temperaturę krytyczną, czyli temperaturę powyżej której nie da się skroplić substancji, niezależnie od wartości ciśnienia.

Celem naszego doświadczenia było pokazanie właściwości substancji w punkcie potrójnym. W pierwszym przypadku wykorzystaliśmy 2-metyloproan-ol (alkohol tert-butylowy). Dzięki pompie próżniowej o wysokiej wydajności gwałtownie obniżyliśmy ciśnienie w kolcie. Alkohol prawie natychmiast zaczął wrzeć. Po chwili wrzenie ustało, a ciecz zaczęła zamarzać. W tym momencie wyłączyliśmy pompę. Układ dąży do osiągnięcia równowagi między powstałym ciałem stałym, cieczą i znajdującym się w kolbie gazem. Ponieważ pompa usunęła większość gazu z kolby, układ dąży do zwiększenia ilości gazu i zaczyna gwałtownie wrzeć.

W podobny sposób można spowodować zamarznięcie ciekłego azotu. Również w tym przypadku udało nam się doprowadzić układ do stanu w którym ciekły azot jednocześnie zamarza i wrze. Ponieważ temperatura punktu potrójnego dla azotu to -210 oC, (dla alkoholu tert-butylowego ok. 25 oC) (The National Institute of Standards and Technology (NIST)) po wyłączeniu pompy azot bardzo szybko paruje podnosząc ciśnienie w układzie i stały azot szybko się topi.

Dziękujemy doktorowi Pawłowi Stelmachowskiemu z Grupy Chemii Powierzchni i Materiałów WCh UJ za użyczenie pompy próżniowej.

Literatura:

Atkins, P. W. (2007). Chamia fizyczna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

NIST: http://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C75650&Mask=4 dostęp online z dn. 29.10.2015.

http://www.wolframalpha.com/input/?i=nitrogen+phase+diagram

Share