Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#8 Bawełna strzelnicza – spalanie azotanu(V) celulozy

W 1838 roku francuski chemik Théophile-Jules Pelouze zauważył, że papier poddany działaniu kwasu azotowego(V) spala się błyskawicznie. Około 1846 roku Christian Friedrich Schönbein i Rudolf Christian Böttger opisali możliwości praktycznego zastosowania tego odkrycia w pirotechnice. Włókna bawełny, czyli celuloza, poddane działaniu mieszaniny stężonych kwasów siarkowego(VI) i azotowego(V) tworzą związek – triazotan(V) celulozy (potocznie zwany nitrocelulozą). Produkt o zawartości 10-12% azotu nazywany jest bawełną kolodiumową, a o zawartości 12-14% azotu – bawełną strzelniczą (Burewicz, Gulińska i Miranowicz, 1993). Związek ten zaliczany jest do miotających materiałów wybuchowych.

Przygotowanie bawełny strzelniczej

Odczynniki:

  • stężony kwas siarkowy(VI) H2SO4 cp= 96%
  • stężony kwas azotowy(V) HNO3 cp= 65%
  • wodorowęglan sodu NaHCO3

Przygotowanie:

Zlewkę o pojemności 250 cm3 umieścić w dużym krystalizatorze wypełnionym wodą z dodatkiem lodu. Do zlewki wprowadzić 70 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI), a następnie małymi porcjami dodać 30 cm3 stężonego kwasu azotowego(V). Zawartość wymieszać i poczekać aż ulegnie schłodzeniu. Małymi porcjami wprowadzić bawełnę (np. watę, waciki kosmetyczne, papier). Ilość bawełny nie powinna przekraczać poziomu cieczy. Mieszaninę pozostawić na około 15 minut. W tym czasie do dużej zlewki wlać 500 cm3 wody i wsypać ok. 200 g wodorowęglanu sodu. Po zakończeniu reakcji, bawełnę zanurzyć w roztworze wodorowęglanu. Zaczekać aż gaz przestanie się wydzielać. Za pomocą uniwersalnego papierka wskaźnikowego skontrolować odczyn roztworu, w przypadku wskazania odczynu kwasowego dodać wodorowęglanu. Po uzyskaniu odczynu obojętnego lub zasadowego bawełnę przemyć kilkakrotnie dużą ilością wody, następnie odcisnąć i pozostawić do wyschnięcia w temperaturze pokojowej.

Bawełna pod wpływem kwasu azotowego(V) ulega reakcji estryfikacji. Stężony kwas siarkowy(VI) ułatwia zajście reakcji oraz usuwa wodę z układu, przesuwając stan równowagi w kierunku tworzenia produktów.

Rys. Fragment łańcucha triazotanu(V) celulozy (www.wikipedia.org)

Celuloza po estryfikacji nie zmienia swojego wyglądu, może jednak lekko zżółknąć. Kluczowym etapem syntezy jest dokładne zobojętnienie bawełny. Pozostałości kwasu azotowego(V) destabilizują produkt, co może prowadzić do samozapłonu.

Temperatura zapłonu bawełny strzelniczej to około 200 oC. Zapłon może nastąpić np. pod wpływem iskry, ciepła palnika lub ciepła wytworzonego w wyniku reakcji tlenku fosforu(V) z wodą:

P4O10 + 6H2O → 4H3PO4 + Q (Bielański, 2010)

Bawełna spala się do produktów gazowych takich jak: CO, CO2, H2O oraz N2 nie pozostawiając po sobie popiołu oraz zapachu.

Bawełna strzelnicza stanowi główny składnik prochu bezdymnego, używanego jako ładunek w nabojach artyleryjskich i amunicji strzeleckiej (McMurry, 2007).

Nitroceluloza była również wykorzystywana pod koniec XIX i na początku XX wieku do produkcji taśm filmów kinowych. Z tego powodu dawne kinowe pokoje projekcyjne musiały być ognioodporne, często były pokrywane azbestem, a w Londyńskim metrze obowiązywał zakaz przewożenia filmów. Fakt ten wykorzystał m.in. Quentin Tarantino w filmie „Bękarty wojny”, gdzie taśmy filmowe posłużył do spalenia kina wraz z publicznością. Scena ta przypomina pożar kina w Limerick w 1926 roku podczas którego zginęło 48 osób.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Kwas azotowy(V)  GHS03 GHS05

Literatura:

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

Burewicz, A., Gulińska, H. i Miranowicz, N. (1993). Chemia która zadziwia. Jelenia Góra: OFEK – Jelenia Góra.

McMurry, J. (2007). Chemia organiczna . Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

#7 Otrzymywanie piany – pasta do mycia zębów dla słonia

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

#6 Pirania – żarłoczny roztwór

Otrzymany kwas nadtlenosiarkowy nazywany jest także kwasem Caro, nazwa ta pochodzi od jego odkrywcy – Heinrich’a Caro. Otrzymuje się go w wyniku reakcji stężonego kwasu siarkowego(VI) z 30% roztworem nadtlenku wodoru w stosunku 3:1. Można zapisać równanie reakcji:

H2SO4 + H2O2 \rightleftarrows H2SO5 + H2O

Przedstawiony proces jest silnie egzotermiczny, temperatura układu może wzrosnąć nawet do ponad 100 oC (Princeton.edu). W wysokiej temperaturze stan równowagi reakcji jest przesuwany w kierunku tworzenia substratów.

Otrzymywanie kwasu nadtlenosiarkowego nie jest procesem utlenienia-redukcji, ze względu na fakt, że atomy tlenu w grupie nadtlenkowej kwasu ─S─O─O─H, podobnie jak w nadtlenku wodoru, występują na -I stopniu utlenienia. Zatem, siarka zarówno w kwasie siarkowy jak i nadtlenosiarkowym pozostaje na stopniu +VI.

kwas_caroRys. 1. Wzór strukturalny kwasu nadtlenosiarkowego (PubChem).

Na filmie wyraźnie widać, że z otrzymanego roztworu wydzielają się pęcherzyki bezbarwnego gazu. Powstają one z rozkładu substratów i produktów reakcji, jest to zatem głównie tlen oraz tlenki siarki. (Suess, 2010)

Kwas nadtlenosiarkowy jest związkiem o silnych właściwościach utleniających. Po wprowadzeniu substancji organicznych do jego roztworu następuje szybka i gwałtowna reakcja utlenienia, której ogólny schemat można zapisać następująco:

H2SO5 + substancja organiczna → CO2 + H2O + H2SO4

Po rozkładzie bibuły oraz waty można było zaobserwować zabarwienie/zmętnienie roztworu. Barwa ta pochodzi głównie od węgla będącego produktem reakcji częściowego utlenienia substancji organicznej, oraz jej odwodnienia przez kwas siarkowy(VI). Powstały węgiel jest dalej utleniany przez kwas nadtlenosiarkowy, nadtlenek wodoru oraz wydzielający się tlen do tlenku węgla(IV), a zabarwienie zanika.

W przypadku rozkładu żelkowego misia ilość powstałego węgla była zbyt duża, aby mogła zostać utleniona przez zastosowaną ilość odczynnika.

Roztwór pirania jest stosowany do mycia szkła, w szczególności do usuwania pozostałości związków organicznych. Posiada również silne właściwości odkażające.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

    • Kwas siarkowy(VI) GHS05
    • Perhydrol

    • Podczas otrzymywania roztworu pirania zbyt duże stężenie nadtlenku wodoru może prowadzić do powstania niestabilnej mieszaniny, która w skrajnym wypadku może mieć właściwości wybuchowe. Z tego powodu należy zawsze dodawać nadtlenek wodoru do kwasu (nie odwrotnie) i nie należy zwiększać ilości nadtlenku ponad podany stosunek.

  • Nigdy nie należy wprowadzać do kwasu Caro ciekłych substancji organicznych, a w szczególności aldehydów i ketonów. Reakcja z ciekłymi związkami organicznymi może zachodzić wybuchowo, a w reakcji z aldehydami i ketonami powstają skrajnie niestabilne i wybuchowe nadtlenki organiczne np.: peroksyaceton.

Literatura:

Suess, H. U. (2010). Pulp Bleaching Today. Berlin: Walter de Gruyter GmbH & Co. KG, str. 161.

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/compound/2754594#section=Top

http://web.princeton.edu/sites/ehs/labsafetymanual/cheminfo/piranha.htm

#5 Ryczący niedźwiedź – reakcja chloranu(V) potasu z węglem

Chloranu(V) potasu topi się w temperaturze 368 oC, a w 400 oC (Mizerski, 2013) następuje jego rozkład zgodnie z równaniem:

4KClO3(s) → KCl + 3KClO4

Chloran(VII) potasu reaguje z węglem:

KClO4 + 2C → KCl + 2CO2

Należy dodać, że w temperaturze 500 oC chloran(VII) potasu ulega dalszej reakcji rozkładu (Mizerski, 2013). Głównymi produktami tej rekcji są: wydzielający się bezbarwny gaz – tlen i białe ciało stałe – chlorek potasu:

KClO4 → KCl + 2O2

Poza tym mogą powstawać również produkty uboczne takie jak chlor Cl2 i tlenek chloru(IV) ClO2 (ok. 0,2%) (Bostrup, Demandt, Hansen, 1962). Powstający tlen reaguje z węglem i dodatkowo przyspiesza przebieg procesu.

C + O2 → CO2

W drugim wariancie doświadczenia użytym substratem były misie żelki. Produkuje się je głównie z żelatyny wieprzowej, syropu cukrowego, glukozy i sacharozy, a za ich kolor odpowiadają koncentraty owocowe i roślinne. Dla przykładu można zapisać równania reakcji utleniania dla sacharozy:

C12H22O11 + 6KClO4 → 6KCl + 12CO2 + 11H2O

C12H22O11 + 12O2 → 12CO2 + 11H2O

Żelkowe misie łatwo ulegają stopieniu co dodatkowo przyspiesza przebieg reakcji, widoczne są błyski i słychać charakterystyczne dźwięki „ryki niedźwiedzia”. Po zakończeniu reakcji na ściankach kolby widać biały osad – chlorek potasu, główny produkt reakcji, oraz czarny produkt uboczny – węgiel.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

Chloran(V) potasu GHS03GHS07GHS09

Literatura

Mizerski, W. (2013). Tablice chemiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan.

Bostrup, O., Demandt, K., Hansen, K. (1962). The thermal decomposition of KClO3. Journal of Chemical Education, 39 (11), str. 573. doi:10.1021/ed039p573