Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#4 Reakcja oscylacyjna Briggsa-Rauschera

Przygotowanie roztworów:

Do kolby miarowej o pojemności 100 cm3 nalać niewielką ilość wody destylowanej i rozpuścić kolejno substancje podane poniżej, roztwór uzupełnić do kreski.

Roztwór 1:

  • 4,28 g jodanu(V) potasu – KIO3
  • 0,45 cm3 stężonego kwasu siarkowego(VI) – H2SO4 95-96%

Roztwór 2:

  • 13,6 cm3 perhydrolu – H2O2 30 %

Roztwór 3:

    • 1,56 g kwasu malonowego – CH2(COOH)2
    • 0,34 g monohydratu siarczanu(VI) manganu(II) – MnSO4•H2O
  • 3 g skrobi rozpuszczalnej (skrobi nie trzeba rozpuszczać, można pozostawić w postaci zawiesiny, jednak  takim przypadku należy dodać osobno przygotowany wskaźnik – kleik skrobiowy)

Wskaźnik:

  • Do probówki wprowadzić niewielką ilość (1 łyżeczkę) skrobi rozpuszczalnej, dodać około 5 cm3 wody i ogrzewać do całkowitego rozpuszczenia.

Aby mieć pewność, że reakcja zajdzie wedle oczekiwań, należy odmierzyć substancje zgodnie z podaną dokładnością.

Zmieszanie podanych powyżej roztworów powoduje zapoczątkowanie reakcji oscylacyjnej, której towarzyszy zmiana barwy roztworu od bezbarwnej poprzez żółtą do granatowej. Proces ten jest zwany reakcją Briggsa-Rauschera (Briggs, Rauscher; 1973) i składa się 30 etapów  (Noyes, Furrow; 1982). Poniżej przedstawimy tylko główne reakcje będące sumą różnych etapów pośrednich.

Początkowo jony jodanowe(V), pochodzące z dysocjacji KIO3, ulegają redukcji do kwasu jodowego(I) pod wpływem nadtlenku wodoru. Wydziela się widoczny na filmie bezbarwny gaz – tlen. Proces zachodzi zgodnie z równaniem:

R1: IO3– + 2H2O2 + H+ → HIO + 2O2 + 2H2O

Następnie, otrzymany kwas reaguje z nadtlenkiem wodoru, powstają jony jodkowe:

R2: HIO + H2O2 → I– + O2 + H+ + H2O

Powstałe jony jodkowe ulegają procesowi synproporcjonowania z kwasem jodowym(I) zgodnie z równaniem:

R3: HIO + I– + H+ → I2 + H2O

Biegnące procesy powodują zabarwienie roztworu na żółto-bursztynowy kolor. Barwa ta pochodzi od powstającego jodu. Równocześnie zachodzi reakcja jodu z kwasem malonowym:

R4: I2 + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + H+ + I–

Jod cząsteczkowy I2 reaguje z jonami jodkowymi I– i powstaje anion trójjodkowy I3–, który następnie tworzy ze skrobią związek kompleksowy o barwie granatowej:

R5: I2 + I–  \rightleftarrows I3–

R6: I3– + skrobia \rightleftarrows granatowy związek kompleksowy

W roztworze równocześnie biegną reakcje zużywające jod:

R7: 5H2O2 + I2 → 2HIO3 + 4H2O

W związku z tym stan równowagi przedstawiony w równaniach R5 i R6 jest przesuwany w kierunku substratów, towarzyszy temu rozkład związku kompleksowego i zanik granatowej barwy roztworu.

W wyniku reakcji R7 powstają jony IO3–, które reagują zgodnie z równaniem R1, co zapoczątkowuje nowy cykl reakcji.

Możemy również zapisać sumaryczne równanie reakcji:

IO3– + 2H2O2 + H+ + CH2(COOH)2 → ICH(COOH)2 + 3H2O + 2O2

Przedstawiony opis jest uproszczeniem zachodzących procesów. Osoby zainteresowane dalszym zgłębieniem tematu odsyłamy do podanej poniżej literatury.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

    • Kwas siarkowy(VI) GHS05
    • Jodan(V) potasu GHS03
    • Perhydrol
  • Siarczan(VI) manganu(II) monohydrat GHS08

Literatura

Briggs, T., Rauscher, W. (1973). An oscillating iodine clock. Journal of Chemical Education, 50 (7), str. 496. doi:10.1021/ed050p496

Noyes, R., Furrow, S. (1982). The oscillatory Briggs-Rauscher reaction. 3. A skeleton mechanism for oscillations. Journal of the American Chemical Society, 104 (1), str. 45–48. doi: 10.1021/ja00365a011

 

#3 Węże Faraona

Zalecamy oglądanie w jakości HD!

Rodanek rtęci(II) Hg(SCN)2 jest białym ciałem stałym, może być otrzymany w wyniku reakcji strąceniowej np. rodanku potasu z chlorkiem rtęci(II). Rodanek rtęci(II) ulega termicznemu rozkładowi, a w wyniku tej reakcji powstaje żółto-szary, gąbczasty produkt znany jako „Węże Faraona” (Pharaoh’s Serpent) (Bailer et. all, 1973). Głównym produktem reakcji rozkładu jest azotek węgla C3N4:

2Hg(SCN)2(s) → 2HgS(s) + CS2(g) + C3N4(s)

Azotek węgla może ulegać dalszemu rozkładowi do azotu i toksycznego dicyjanu zgodnie z równaniem:

2C3N4(s) → 3(CN)2(g) + N2(g)

W trakcie reakcji rozkładu zazwyczaj dochodzi do zapłonu. Powstający siarczek węgla(IV) w atmosferze powietrza spala się do tlenku siarki(IV) i tlenku węgla(IV):

CS2(g) + 3O2(g) → CO2(g) + 2SO2(g)

Ponieważ proces spalania zachodzi energiczne, istnieje znaczne prawdopodobieństwo otrzymania wielu produktów ubocznych, w tym również metalicznej rtęci.

Powstający azotek węgla jest substancją bardzo porowatą, w jej porach oraz na powierzchni znajdują się wszelkie produkty reakcji. Z tego powodu węży nie należy dotykać!

Doświadczenie to zostało odkryte w 1821 przez studenta medycyny Gilberta Wöhlera. Swoje obserwacje opisał jako: „(…) wijący się sam z siebie proces, produkt podobny do robaków, zwiększający wielokrotnie swoją objętość, powstaje bardzo lekki materiał w kolorze grafitu (…)” (Davis, 1940). Doświadczenie to znalazło zastosowanie podczas nagrywania pierwszych filmów science-fiction. Specjaliści od efektów specjalnych nakładali rodanek rtęci(II) na kamienie, a następnie je ogrzewali. Powstałe w wyniku rozkładu węże imitowały obce formy życia.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Rodanek rtęci(II) GHS06GHS08GHS09
  • Toksyczne produkty reakcji: dicyjan, rtęć metaliczna

Literatura

Bailer, J. C., Emeléus, H. J., Nyholm, S. i Trotman-Dickenson, A. F. (1973). Comprehensive Inorganic Chemistry. (J. C. Bailer, Red.) Oxford: Pergamon Press.

Davis, T. (1940). Pyrotechnic snakes. Journal of Chemical Education, 17 (6), str. 268. doi:10.1021/ed017p268

#2 Reakcja manganianu(VII) potasu z gliceryną, spalanie mieszaniny fotobłyskowej

Manganian(VII) potasu wykazuje silnie właściwości utleniające i w wyniku jego reakcji z gliceryną (propan-1,2,3-triolem) następuje egzoenergetyczny proces utleniania alkoholu. Proces ten początkowo zachodzi powoli, przez chwilę nie obserwujemy żadnych efektów. W miarę postępu reakcji, wydziela się coraz większa ilość energii na sposób ciepła w wyniku czego następuje podwyższenie temperatury układu. Po chwili następuje samozapłon, zaczynają pojawiać się iskry i fioletowy płomień. Barwa płomienia wynika z obecności jonów potasu. Gliceryna w obecności silnego utleniacza jakim jest KMnO4 utlenia się do CO2 i wody zgodnie z równaniem:

14KMnO4 + 4C3H5(OH)3 → 7K2CO3 + 7Mn2O3 + 5CO2 + 16H2O

Po zakończeniu reakcji na siatce ceramicznej pojawia się czarny proszek – tlenek manganu(III) oraz ciemnozielony pył. Barwa ta jest charakterystyczna dla związków manganu na VI stopniu utlenienia i wskazuje na obecność K2MnO4 obok powstałego tlenku manganu(III).

W drugim wariancie tego doświadczania użyliśmy mieszaniny manganianu(VII) potasu i wiórek magnezu w stosunku ok. 3:1. Początkowo, podobnie jak w pierwszym doświadczeniu, nie obserwujemy żadnych zmian, a po chwili następuje samozapłon i widzimy oślepiający błysk. Pojawienie się błysku spowodowane jest reakcją spalania magnezu:

2Mg + O2 → 2MgO

Mieszanina KMnO4 z magnezem to przykład mieszaniny fotobłyskowej. Podobne układy stosowane były w XIX wieku w fotografii, zastępowały  dzisiejsze lampy błyskowe. Obecnie mieszaniny fotobłyskowe znajdują zastosowanie są w pirotechnice (Conkling i Mocella, 1985).

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Manganian(VII) potasu GHS03GHS07GHS09
  • Magnez GHS02

Literatura

Conkling, J. i Mocella, C. (1985). Chemistry of Pyrotechnics: Basic Principles and Theory. New York: Marcel Dekker, INC.

#1 Burza w probówce

Nawarstwienie obu cieczy jest możliwe dzięki różnicy w gęstości wykorzystanych roztworów. Mniejsza gęstość metanolu (ρ = 0.79 g/cm3) w stosunku do gęstości stężonego kwasu siarkowego(VI)  (ρ = 1.83 g/cm3) umożliwia umieszczenie alkoholu na powierzchni kwasu.

Manganianu(VII) potasu dodany do probówki z kwasem siarkowym(VI) i metanolem, zatrzymuje się na granicy faz tych dwóch cieczy. W pierwszej kolejności manganian(VII) potasu reaguje z kwasem siarkowym(VI) zgodnie z równaniem (Bielański, 2010; Bailer & all, 1973):

H2SO4(st.) +  2KMnO4 → K2SO4 + Mn2O7 + H2O

Powstały w wyniku tej reakcji tlenek manganu(VII) Mn2O7 tworzy zielone smugi opadające na dno cylindra.

Tlenek manganu(VII) jest związkiem nietrwałym i w temperaturze ok. 55 oC ulega reakcji rozkładu do tlenku manganu(IV) i tlenu (Bielański, 2010), którego pęcherzyki możemy zaobserwować na filmie. Rozkład ten jest zgodny z równaniem reakcji:

2Mn2O7 → 4MnO2 + 3O2

Obserwowalny brunatny osad utworzony na granicy faz to tlenek manganu(IV) – MnO2. Uzyskanie wymaganej temperatury do zajścia powyższej reakcji nie jest trudne, zważywszy na fakt, że podczas rozcieńczania stężonego kwasu siarkowego(VI) wydziela się duża ilość energii na sposób ciepła.

Powstały w wyniku tej reakcji tlen utlenia alkohol metylowy, czemu towarzyszą pojawiające się na granicy faz iskry i charakterystyczne trzaski.

2CH3OH + 3O2 → 2CO2 + 4H2O

Należy uważać, aby biegnąca gwałtownie reakcja nie spowodowała przeskoczenia iskier na powierzchnię alkoholu. Może to spowodować inicjację reakcji spalania alkoholu z udziałem tlenu z powietrza, jak było to widoczne na filmie podczas wylewania mieszaniny.

Przedstawiany ciąg równań stanowi reakcję główna. Należy pamiętać, że równolegle biegną m.in. procesy utleniania alkoholu przez KMnO4 i Mn2O7 prowadzące do otrzymania kwasu HCOOH i innych produktów ubocznych.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Alkohol metylowy GHS02GHS06GHS08
  • Manganian(VII) potasu GHS03GHS07GHS09

Literatura

Bailer, J. C., Emeléus, H. J., Nyholm, S. i Trotman-Dickenson, A. F. (1973). Comprehensive Inorganic Chemistry. (J. C. Bailer, Red.) Oxford: Pergamon Press.

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