Archiwa tagu: kataliza

#25 Chemiczne świetliki

Share

Przedstawione doświadczenie pod nazwą „Chemiczne świetliki” to proces katalitycznego utleniania amoniaku. Katalizatorami tego procesu są metale, takie jak platyna czy miedź, jak również tlenki metali przejściowych. Wykorzystanie tlenku chromu(III) sprawia, że doświadczenie to jest bardzo spektakularne.

Kolbę stożkową należy wypełnić niewielką ilością stężonego roztworu amoniaku. Do przeprowadzenia reakcji wystarcza tlen zawarty w powietrzu, jednak bardziej widowiskowy efekt uzyskuje się, jeżeli zwiększymy stężenie tlenu w kolbie. W naszym doświadczeniu tlen otrzymaliśmy w wyniku katalitycznego rozkładu 10% roztworu nadtlenku wodoru (Podobnie jak w doświadczeniu #7: Otrzymywanie piany). Do mieszaniny amoniaku i tlenu należy dodawać małymi porcjami rozgrzany katalizator – tlenek chromu(III). Można wykorzystać tlenek otrzymany w wyniku termicznego rozkładu chromianu(VI) amonu czyli w tzw. „Wulkanie chemicznym” – doświadczenie #14.

Mechanizm katalitycznego utleniania amoniaku nie jest do końca znany. Większa część amoniaku utleniana jest do azotu, czemu towarzyszy emisja żółto-pomarańczowego światła. Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem (Handforth i Tilley, 1934; Volkovich i Griffiths, 2000):

4NH3 + 2O2 → 2N2 + 6H2O

Amoniak może być również utleniany do tlenku azotu(II), który następnie w reakcji z amoniakiem może prowadzić do powstania azotanu(V) amonu:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

4NO + 4NH3 + 3O2 + 2H2O → 4NH4NO3

Wydajność tego procesu jest jednak niska. Reakcja pomiędzy NH3 i NO może również prowadzić do powstania N2, N2O i H2O (Volkovich i Griffiths, 2000).

Dziękujemy Pani Klaudii Ciurze z Naukowego Koła Chemików UJ za pomoc w przygotowaniu i wykonaniu doświadczenia

Uwaga! Doświadczenie należy wykonywać pod sprawnie działającym wyciągiem! Nie należy przygotowywać mieszaniny o zbyt dużym stężeniu tlenu, ponieważ proces może zajść wybuchowo. Rozgrzany tlenek chromu(III) należy dodawać małymi porcjami.

Substancje niebezpieczne:

  • Amoniak r-r 25% GHS05GHS07GHS09
  • Perhydrol

Literatura:

Handforth, S. i Tilley, J. (1934). Catalysts for Oxidation of Ammonia to Oxides of Nitrogen. Jouranl of Chemical Education, 26(12), strony 1287–1292. doi:10.1021/ie50300a016

Volkovich , V. A. i Griffiths, T. R. (2000). Catalytic oxidation of ammonia: A sparkling experiment. Journal of Chemical Education(77 (2)), str. 177. doi:10.1021/ed077p177

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#18 Fioletowe pary jodu

Share

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

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#7 Otrzymywanie piany – pasta do mycia zębów dla słonia

Share

Doświadczenie przedstawione na filmie prezentuje katalityczny rozkład nadtlenku wodoru. Katalizatorem tej reakcji jest jodek potasu, a dokładnie jony jodkowe pochodzące z dysocjacji elektrolitycznej tej soli (Conklin, Kessinger, 1996). Proces ten zachodzi dwuetapowo, z udziałem produktu przejściowego – anionu jodanowego(I):

H2O2 + I → H2O + IO

H2O2 + IO→ H2O + O2 + I

Sumaryczne równanie reakcji:

2H2O2 → 2H2O + O2

Dzięki obecności płynu do mycia, wydzielający się tlen tworzy pianę.

W drugiej części doświadczenia do mieszaniny dodano roztwór siarczanu(VI) miedzi(II). W wyniku tej reakcji powstaje jodek miedzi(II) (Suchow, 1984), który jest związkiem nietrwałym i rozkłada się na jodek miedzi(I) i jod (Bielański, 2010).

Cu2+ + 2I → CuI2

2CuI2 → 2CuI + I2

Proces ten można zapisać sumarycznie:

2Cu2+ + 4I → 2CuI + I2

Powstająca piana ma kolor brunatny pochodzący od powstającego jodku miedzi(I) oraz jodu. Dodatkowo na filmie można zaobserwować wydzielające się filetowy pary jodu. Proces rozkładu nadtlenku wodoru jest procesem egzoenergetycznym, w wysokiej temperaturze powstający jod łatwo sublimuje.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Perhydrol

Literatura:

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

Conklin Jr., A. R. i Kessinger, A. (1996). Demonstration of the Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide. Journal of Chemical Education, 73 (9), str. 838.

Suchow, L. (1984). Simplest formula for copper iodide. Journal of Chemical Education, 61 (6), str. 566. doi:10.1021/ed061p566.2

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#4 Reakcja oscylacyjna Briggsa-Rauschera

Share

Przygotowanie roztworów:

Do kolby miarowej o pojemności 100 cm3 nalać niewielką ilość wody destylowanej i rozpuścić kolejno substancje podane poniżej, roztwór uzupełnić do kreski.

Roztwór 1:

  • 4,28 g jodanu(V) potasu – KIO3
  • 0,45 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI) – H2SO4 95-96%

Roztwór 2:

  • 13,6 cm3 perhydrolu – H2O2 30 %

Roztwór 3:

  • 1,56 g kwasu malonowego – CH2(COOH)2
  • 0,34 g monohydratu siarczanu(VI) manganu(II) – MnSO4•H2O
  • 3 g skrobi rozpuszczalnej (skrobi nie trzeba rozpuszczać, można pozostawić w postaci zawiesiny, jednak  takim przypadku należy dodać osobno przygotowany wskaźnik – kleik skrobiowy)

Wskaźnik:

  • Do probówki wprowadzić niewielką ilość (1 łyżeczkę) skrobi rozpuszczalnej, dodać około 5 cm3 wody i ogrzewać do całkowitego rozpuszczenia.

Aby mieć pewność, że reakcja zajdzie wedle oczekiwań, należy odmierzyć substancje zgodnie z podaną dokładnością.

Zmieszanie podanych powyżej roztworów powoduje zapoczątkowanie reakcji oscylacyjnej, której towarzyszy zmiana barwy roztworu od bezbarwnej poprzez żółtą do granatowej. Proces ten jest zwany reakcją Briggsa-Rauschera (Briggs, Rauscher; 1973) i składa się 30 etapów  (Noyes, Furrow; 1982). Poniżej przedstawimy tylko główne reakcje będące sumą różnych etapów pośrednich.

Początkowo jony jodanowe(V), pochodzące z dysocjacji KIO3, ulegają redukcji do kwasu jodowego(I) pod wpływem nadtlenku wodoru. Wydziela się widoczny na filmie bezbarwny gaz – tlen. Proces zachodzi zgodnie z równaniem:

R1: IO3 + 2H2O2 + H+ → HIO + 2O2 + 2H2O

Następnie, otrzymany kwas reaguje z nadtlenkiem wodoru, powstają jony jodkowe:

R2: HIO + H2O2 → I + O2 + H+ + H2O

Powstałe jony jodkowe ulegają procesowi synproporcjonowania z kwasem jodowym(I) zgodnie z równaniem:

R3: HIO + I + H+ → I2 + H2O

Biegnące procesy powodują zabarwienie roztworu na żółto-bursztynowy kolor. Barwa ta pochodzi od powstającego jodu. Równocześnie zachodzi reakcja jodu z kwasem malonowym:

R4: I2 + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + H+ + I

Jod cząsteczkowy I2 reaguje z jonami jodkowymi I i powstaje anion trójjodkowy I3, który następnie tworzy ze skrobią związek kompleksowy o barwie granatowej:

R5: I2 + I  I3

R6: I3 + skrobia granatowy związek kompleksowy

W roztworze równocześnie biegną reakcje zużywające jod:

R7: 5H2O2 + I2 → 2HIO3 + 4H2O

W związku z tym stan równowagi przedstawiony w równaniach R5 i R6 jest przesuwany w kierunku substratów, towarzyszy temu rozkład związku kompleksowego i zanik granatowej barwy roztworu.

W wyniku reakcji R7 powstają jony IO3, które reagują zgodnie z równaniem R1, co zapoczątkowuje nowy cykl reakcji.

Możemy również zapisać sumaryczne równanie reakcji:

IO3 + 2H2O2 + H+ + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + 3H2O + 2O2

Przedstawiony opis jest uproszczeniem zachodzących procesów. Osoby zainteresowane dalszym zgłębieniem tematu odsyłamy do podanej poniżej literatury.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Jodan(V) potasu GHS03
  • Perhydrol
  • Siarczan(VI) manganu(II) monohydrat GHS08

Literatura

Briggs, T., Rauscher, W. (1973). An oscillating iodine clock. Journal of Chemical Education, 50 (7), str. 496. doi:10.1021/ed050p496

Noyes, R., Furrow, S. (1982). The oscillatory Briggs-Rauscher reaction. 3. A skeleton mechanism for oscillations. Journal of the American Chemical Society, 104 (1), str. 45–48. doi: 10.1021/ja00365a011

 

© 2014 – 2015, www.ChemVlog.pl.

Share