Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#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

#18 Fioletowe pary jodu

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

#17 Sztuczny śnieg – właściwości poliakrylanu sodu

Poliakrylan sodu to polimer otrzymywany poprzez polimeryzację kwasu akrylowego i częściową jego neutralizację. kwas-akrylowyRysunek 1. Wzór półstrukturalny kwasu akrylowego.

 Związek ten nazywany jest nazywany superabsorbentem, ponieważ może pochłonąć znaczne ilości wody, kilkuset razy większe niż jego masa. Poliakrylan sodu nie rozpuszcza się w wodzie, ale tworzy produkt o konsystencji żelu.

Poliakrylan sodu to polimer jonowy. Za właściwości sorpcyjne odpowiedzialne są grupy karboksylowe, które tworzą z cząsteczkami wody wiązania wodorowe. poliakrylan-soduRysunek 2. Wzór meru tworzącego poliakrylan sodu (www.wikipedia.org).

Efektywnym absorbentem jest polimer o silnie splątanej i rozgałęzionej strukturze.

poliakrylan-sodu-1Rysunek 3. Struktura usieciowanego poliakrylanu sodu. (http://www.m2polymer.com/html/superabsorbent_polymers.html)

 Właściwości sorpcyjne polimeru zależą nie tylko od jego struktury, ale również od czystości absorbowanej wody. Porcja sorbentu może pochłonąć (NCSU):

  • do 800 razy większą masę wody destylowanej,
  • do 300 razy większą masę wody kranowej,
  • do 60 razy większą masę roztworu NaCl o stężeniu ~1%.

Superabsorpcyjne właściwości poliakrylanu sody znalazły zastosowanie w produkcji jednorazowych pieluch dla niemowląt oraz innych produktów higieny osobistej. Ponadto wykorzystywany jest również do produkcji podkładek osuszających w opakowaniach do mięsa oraz przez hydraulików do usuwania zalegającej wody.

 Literatura:

NCSU Dept. of Chemistry – Lecture Demonstrations, Super Absorbent Polymer – Sodium Polyacrylate (http://ncsu.edu/project/chemistrydemos/Organic/Superabsorbent.pdf)

How do superabsorbent polymers work? http://www.m2polymer.com/html/superabsorbent_polymers.html

www.wikipedia.org