Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#24 Piroforyczne właściwości żelaza oraz bizmutu

Piroforyczność to właściwość pierwiastków i związków chemicznych do samozapłonu w kontakcie z tlenem z powietrza. Właściwość ta często nie jest stałą cechą substancji, lecz zależy od ich postaci. Na przykład żelazo w postaci płytki utlenia się bardzo powoli. Natomiast żelazo koloidalne, czyli o rozmiarach cząstek 10-6 – 10-9 m, w zetknięciu z tlenem z powietrza utlenia się gwałtownie, czemu towarzyszą pojawiające się iskry. Żelazo koloidalne można otrzymać poprzez rozkład termiczny szczawianu żelaza(II). Proces ten wymaga temperatury powyżej 848 K (Bielański, 2010) i zachodzi dwuetapowo (Ushakov, et al., 2013):

FeC2O4 → FeO + CO2 + CO

Powstały w tej reakcji czarny tlenek żelaza(II) ulega dalszej redukcji do czystego żelaza:

FeO + CO → Fe + CO2

Produktem reakcji zazwyczaj jest mieszanina żelaza i tlenku żelaz(II). Prawdopodobnie obydwie te substancje w zetknięciu z tlenem z powietrza ulegają samozapłonowi i utleniają się do czerwonego tlenku żelaza(III) (Miller, 1987) (Ushakov, et al., 2013):

4FeO + O2 → 2Fe2O3

4Fe + 3O2 → 2Fe2O3

Właściwości piroforyczne wykazuje również bizmut. W postaci koloidalnej można otrzymać ten pierwiastek poprzez rozkład zasadowego galusanu bizmutu. Związek ten jest sprzedawany w aptekach pod nazwą Dermatol, jako zasypka na skórę posiadająca właściwości odkażające, osuszające, ściągające i przeciwzapalne. Pod wpływem wysokiej temperatury galusan ulega rozkładowi m.in. do tlenku bizmutu(III), który w czasie dalszego ogrzewania ulega redukcji do metalu (Bielański, 2010). Podobnie jak w przypadku żelaza, w kontakcie z tlenem z powietrza następuje gwałtowna reakcja spalania bizmutu do tlenku bizmutu(III).

4Bi + 3O2 → 2Bi2O3­­

Literatura:

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

Miller, C. D., 1987. Iron(II) oxide. Journal of Chemical Education, Tom 64 (6), p. 545.

Ushakov, A. V. i inni, 2013. Thermodynamics of LiFePO4 Solid-Phase Synthesis Using Iron(II) Oxalate and Ammonium Dihydrophosphate as Precursors. Journal of Chemical & Engineering, Tom 58 (6), pp. 1747-1759.

#23 Wykrywanie śladów krwi

Jednym z najczęściej używanych odczynników do wykrywania śladów krwi jest roztwór luminolu.

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

Luminol w środowisku zasadowym i obecności utleniacza oraz aktywatora wykazuje właściwości chemiluminescencjne, emituje światło o długości fali 441-452 nm (Manna & Montpetit, 2000) (barwa niebieska, niebiesko-zielona). Zjawisko to związane jest z utlenianiem luminolu.

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

Rys. 2. Przekształcenie luminolu w dianion.

Następnie aktywator czyli np. jony Fe3+ zawarte w hemoglobinie, katalizują rozkład nadtlenku wodoru zgodnie z równaniem (Manna & Montpetit, 2000):

2H2O2 → 2H2O + O2

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

Rys. 3. Utlenianie luminolu.

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

Rys. 4. Chemiluminescencja

Przedstawiona metoda pozwala na wykrycie nawet starych, zatartych śladów krwi. Niestety roztwór ten nie może być długo przechowywany, a czas luminescencji jest dość krótki. Ponadto roztwór luminolu może wpływać destrukcyjnie na strukturę DNA badanego materiału.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Luminol
  • Perhydrol
  • Wodorotlenek sodu

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.

#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.