Archiwa tagu: redox

#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

© 2016, www.ChemVlog.pl.

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-

Rozpuszczenie 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

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#27 Lustro srebrowe i miedziowe

Share

„Próba Tollensa” lub inaczej „Próba lustra srebrowego” służy do wykrywania związków o właściwościach redukujących. Związkiem wykorzystywanym w tej próbie jest kation diaminasrebra(I) [Ag(NH3)2]+ utworzony w wyniku zalkalizowania roztworu azotanu(V) srebra(I) roztworem amoniaku. W pierwszym etapie powstaje brunatny osad tlenku srebra(I) (Bielański, 2010):

2Ag+ + 2OH → Ag2O↓ + H2O

Po dodaniu nadmiaru roztworu amoniaku, osad tlenku srebra(I) ulega roztworzeniu i powstaje jon koordynacyjny (Bielański, 2010):

Ag2O + 4NH3 + H2O → 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH

Pozytywny wynik Próby Tollensa, w postaci lustra srebrowego osadzonego na ściankach naczynia, dają związki o właściwościach redukujących zawierających w swojej strukturze najczęściej tzw. grupę aldehydową. Doświadczenie to jest również wykorzystywane do odróżnienia aldehydów od ketonów (Cotton i Wilkinson, 1988). W doświadczeniu wykorzystano glukozę, przedstawiony proces opisuje równanie:

W doświadczeniu przedstawiono także otrzymywanie lustra miedziowego. W tym przypadku zastosowanie glukozy, może prowadzić jedynie do redukcji miedzi na I stopnień utlenienia i powstania ceglastoczerwonego osadu tlenku miedzi(I). W celu redukcji i otrzymania metalicznej miedzi konieczne jest wykorzystanie bardzo silnego reduktora jakim jest hydrazyna (Rys. 1).

hydrazynaRysunek 1. Wzór strukturalny hydrazyny.

Cząsteczka hydrazyny zbudowana jest z dwóch połączonych ze sobą grup aminowych. Stopień utlenienia azotu w tej cząsteczce wynosi -II, co sugeruje, że może działać zarówno jako reduktor i utleniacz. Hydrazyna ma zdolność do bezprądowego redukowania metali takich jak np.: Ni, Co, Fe, Cr czy Cu (Cardulla, 1983), co wykorzystano i przedstawiono na filmie. Hydrazyna jest też stosowana jako jeden ze składników paliwa rakietowego.

Do zlewki z roztworem siarczanu(VI) miedzi(II) wprowadzono małymi porcjami hydrazynę. Proces utlenienia prowadzi do powstania azotu:

N2H4 → N2 + 4H+ + 4e

W wyniku redukcji powstaje metaliczna miedź:

2Cu2+ + 4e → 4Cu

Można zapisać sumaryczne równanie redoks:

2Cu2+ + N2H4 → 2Cu + N2 + 4H+

Uwaga substancje niebezpieczne! Hydrazyna jest silnie trującą i toksyczną substancją, wchłania się przez skórę i drogi oddechowe. Zatrucie hydrazyną grozi trwałymi uszkodzeniami narządów wewnętrznych. Może powodować raka.

  • Hydrazyna GHS02 GHS06GHS08GHS05GHS09
  • Azotan(V) srebra(I)GHS05 GHS05GHS07GHS09
  • Amoniak r-r  GHS05GHS07GHS09
  • Siarczan(VI) miedzi(II) GHS07GHS09

Literatura

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

Cardulla, F. (1983). Hydrazine. Journal of Chemical Education, 60(6), str. 505. doi:10.1021/ed060p505

Cotton, F. A. i Wilkinson, G. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (wyd. 5). Wiley.

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share

#26 Posrebrzanie i pozłacanie monet

Share

Doświadczenie przedstawia cynkowanie powierzchni miedzianych. Proces może wydawać się nietypowy, ponieważ szereg napięciowy metali wskazuje, że nie powinien on zachodzić.

Podczas ogrzewania cynku w obecności roztworu NaOH o stężeniu 3 mol/dm3 zachodzi reakcja (Atkins i Jones, 2004):

Zn + 2OH + 2H2O → [Zn(OH)4]2- + 2H2

W momencie kontaktu monety miedzianej z powierzchnią metalicznego cynku, następuje powolne roztwarzanie cynku z jednoczesnym jego wydzieleniem na powierzchni miedzianej. Reakcja ta zachodzi dzięki powstałemu nadnapięciu czyli odchyleniu potencjału elektrody od jego wartości równowagowej (McNaught i Wilkinson, 1997). W roztworze ustala się równowaga:

[Zn(OH)4]2- + 2e Zn + 4OH

Cynk tworzy cienką warstewkę na powierzchni miedzi (Sękowski, 1987). Moneta pokryta tą warstwą wyglądem przypomina srebro. Po wprowadzeniu monety do płomienia palnika, w temperaturze 200 oC następuje utworzenie stopu cynku i miedzi czyli mosiądzu (Pluciński, 1997), o charakterystycznej żółtej barwie przypominającej złoto (zobacz doświadczenie #20 – Wytapianie mosiądzu w kuchence mikrofalowej).,

Dziękujemy Pani Natalii Buszcie z Naukowego Koła Chemików UJ za pomoc w przygotowaniu  doświadczenia.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Wodorotlenek sodu

Literatura

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

McNaught, A. i Wilkinson, A. (1997). IUPAC Compendium of Chemical Terminology – Gold Book (wyd. 2). Oxford: Blackwell Scientific Publications. doi:doi:10.1351/goldbook.

Pluciński, T. (1997). Doświadczenia chemiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan.

Sękowski S. (1987) Galwanotechnika domowa. Warszawa: WNT.

© 2015, www.ChemVlog.pl.

Share