Archiwum autora: Paweł

#22 Natychmiastowa krystalizacja

Roztwory ciekłe można podzielić ze względu na ilość substancji rozpuszczonej na nienasycone, nasycone i przesycone. W przypadku roztworów przesyconych stężenie substancji rozpuszczonej jest większe niż rozpuszczalność substancji w danej temperaturze. Przykładem substancji, która krystalizuje z trudnością i tworzy roztwór przesycony jest octan sodu.

Octan sodu jest substancją dobrze rozpuszczalną w wodzie, a jego rozpuszczalność wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. Zależność ta została przedstawiona na poniższym wykresie.

Wykres 1. Zależność rozpuszczalności bezwodnego octanu sodu od temperatury. (Poradnik fizykochemiczny, 1974)

Roztwór nasycony octanu sodu przygotowany w temperaturze około 60 oC i pozostawiony do powolnego ostygnięcia tworzy roztwór przesycony (Hiegel, 1980). Układ ten może być przechowywany przez dłuższy czas, jednak wprowadzenie zarodków krystalizacji, np. niewielkiej ilość stałego octanu sodu powoduje natychmiastową krystalizację (Atkins i Jones, 2004).. Krystalizację może również zapoczątkować zanieczyszczenie roztworu, kurz czy wprowadzenie bagietki. Co ciekawe stopień przesycenia jest tak duży, że cała zawartość naczynie przechodzi w ciało stałe tworząc hydrat octanu sodu CH3COONa ∙ 3H2O.

Proces krystalizacji jest egzotermiczny, dzięki czemu znalazł zastosowanie do produkcji kieszonkowych ogrzewaczy do rąk. Wykrystalizowany octan sodu ponownie ogrzany i ochłodzony można wykorzystać ponownie.

Literatura

Atkins, P. & Jones, L., 2004. Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

Hiegel, G. A., 1980. Crystallization of Sodium Acetate. Journal of Chemical Education, Volume 57 (2), p. 152.

Poradnik fizykochemiczny, 1974. Wydanie drugie zmienione. Warszawa: Wydawnictwo Naukowo-Techniczne.

#21 Cyjanotypia – oldschoolowa technika fotograficzna

Związek kompleksowy tris(szczawiano)żelazian(III) potasu absorbuje światło w zakresie widzialnym. W trakcie tego procesu elektrony w ligandzie ulegają wzbudzeniu i zachodzi proces ich przeniesienia z ligandu na atom centralny. W efekcie kation żelaza(III) ulega redukcji do żelaza(II), a ligandy zostają utlenione do dwutlenku węgla (Abrahamson, 2001):

2[Fe(C2O4)3]3- → 2Fe2+ + 5C2O42- + 2CO2

Proces ten zachodzi podczas naświetlania. Wywołanie obrazu wymaga zanurzenia bibuły w roztworze haksacyjanożelazianu(III) potasu. Po połączeniu ww. substancji tworzy się nierozpuszczalny błękit pruski: Fe4[Fe(CN)6]3 (Lawrence & Fishelson, 1999).

Efekt ten jest stosowany w technice fotograficznej nazywanej cyjanotypią, znanej już od lat 80. XIX wieku.

Przepis na wykonanie papieru światłoczułego i zdjęcia:

1. Rozpuścić 1g K3[Fe(C2O4)3] w 25 cm3 wody.

2. W roztworze zanurzyć bibułę.

3. Wysuszyć w suszarce w temperaturze 60oC.

5. Naświetlić (15 – 30 min.).

6. Po naświetleniu umieścić bibułę w naczyniu z 0,03 mol/dm3 roztworem K3[Fe(CN)6].

7. Bibułę przemyć wodą destylowaną i ponownie wysuszyć.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

K3[Fe(CN)6] jest związkiem nietoksycznym, lecz w kontakcie z mocnymi kwasami tworzy toksyczne, silnie trujące gazy.

Literatura

Abrahamson, H. B., 2001. The Photochemical Basis of Cyanotype Photography. Journal of Chemical Education, Tom 78 (3), p. 311.

Lawrence, G. D. i Fishelson, S., 1999. Blueprint Photography by the Cyanotype Process. Journal of Chemical Education, Tom 76 (9), p. 1216A.

#20 Wytapianie mosiądzu w kuchence mikrofalowej

Stopy to roztwory stałe, składające się z co najmniej dwóch składników, przy czym przynajmniej jeden z nich jest metalem. Poprzez stapianie można otrzymać nadzwyczaj różnorodne i wszechstronne tworzywa, których właściwości mogą być w pewnych granicach dostosowane do naszych potrzeb. W przypadku mosiądzu, czyli stopu miedzi i cynku, ilości cynku wpływa na barwę otrzymanego produktu. Rozróżnia się m.in.:

  • mosiądz czerwony – zawartość cynku 20%,
  • mosiądz żółty – zawartość cynku 40% – otrzymany na filmie,
  • mosiądz biały – zawartość cynku 80%.

Do mosiądzu można dodawać również inne metale. Mosiądz z dodatkiem cyny nazywany jest „złotem mannheimskim”, stosowanym do wyrobu sztucznej biżuterii. Mosiądz domieszkowany manganem jest używany do produkcji polskich monet o nominałach 1, 2 i 5 groszy.

W doświadczeniu wykorzystaliśmy zwykłą kuchenkę mikrofalową i technikę opisaną w doświadczeniu #15 Wytapianie szkła w kuchence mikrofalowej (Lühken, A. 2001; 2010). Przed ogrzewaniem mieszaninę metali przykryto warstwą węgla aktywnego, w celu ochrony miedzi i cynku przed utlenianiem. W analogiczny sposób można wytopić brąz, czyli stop miedzi i cyny.

Literatura:

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

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

#19 Reakcja sodu z wodą

Pierwsza grupa układu okresowego, czyli grupa litowców obejmuje takie pierwiastki jak lit, sód, potas, rubid, cez i frans. Wszystkie litowce to metale o barwie srebrzystobiałej, jednak w atmosferze powietrza ulegają zmatowieniu na sutek pokrycia się warstwą tlenku. Z tego powodu metale te przechowuje się w nafcie. Litowce odznaczają się dużą aktywnością chemiczną o której decyduje łatwość oddawania elektronu walencyjnego. Aktywność pierwiastków rośnie w grupie wraz ze wzrostem liczby atomowej (Bielański, 2010).

Wszystkie litowce reagują z wodą. Ze względu na ujemne potencjały standardowe wszystkich litowców redukują one wodór w wodzie zgodnie z równaniem:

2M + 2H2O → 2MOH + H2 ↑

gdzie M to pierwiastek I grupy.

W wyniku reakcji powstaje gazowy wodór i roztwór wodorotlenku litowca.

Sód dodany do krystalizatora z wodą pływa po jej powierzchni, ponieważ jest to metal o gęstości mniejszej od wody. Podczas reakcji wydziela się ciepło, które powoduje stopienie metalu i uformowanie kulki. Fenoloftaleina zabarwia się na kolor malinowy pod wpływem powstającej zasady sodowej.

Sód w bardzo ciekawy sposób reaguje z ograniczoną ilością wody. Proces ten został opisany dopiero w styczniu 2015 roku przez czeskich naukowców (Mason & all, 2015) . Okazuje się, że reakcja w pewnych warunkach może zachodzić wybuchowo, a moc eksplozji jest większa niż eksplozja TNT o tej samej masie (Commander, 1975). Dzięki wykorzystaniu ultraszybkich kamer (ponad 11000 fps) udało się zaobserwować, że podczas zetknięcia się kropli wody z powierzchnią metalu natychmiast uwalniane są elektrony z jego powierzchni, obserwowane są powstające iskry. Efekt ten nazwano eksplozją kulombowską.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

 

  • Sód GHS02

Literatura

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

Commander, J. C. 1975 An explosive hazard analysis of the eutectic solution of NaK and KO2. Nucl. Sci. Abstracts 32, 21922

Mason P. E., Uhlig F., Vaněk V., Buttersack T., Bauerecker S., Jungwirth P. 2015 Coulomb explosion during the early stages of the reaction of alkali metals with water Nature Chemistry Vol 7, 250-254 DOI: 10.1038/NCHEM.2161