Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#35 Lewitacja w polu magnetycznym

Jedną z charakterystycznych właściwości metali jest ich zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego, której miarą jest opór elektryczny. Ze względu na ten parametr substancje można klasyfikować jako (Atkins, 2004):

  • Izolatory – substancje o dużym oporze elektrycznym, które nie przewodzą elektryczności.
  • Przewodniki metaliczne – substancje przewodzące prąd, a ich opór zwiększa się wraz z temperaturą.
  • Nadprzewodniki – substancje, które wykazują zerowy opór w niskich temperaturach.

W tym doświadczeniu wykorzystano właściwości nadprzewodników. Substancje te można podzielić na dwa rodzaje:

  • Nadprzewodniki niskotemperaturowe dla których temperatura krytyczna (Tc), czyli temperatura poniżej której obserwowane jest nadprzewodnictwo, jest bliska 0 K. Substancje te stosowane były do około 1987, jednak ich wykorzystanie było niezwykle kosztowne.
  • Nadprzewodniki wysokotemperaturowe, których opór elektryczny zanika w temperaturze około 100 K.

W zaprezentowanym doświadczeniu wykorzystano nadprzewodniki wysokotemperaturowe, a efekt nadprzewodnictwa uzyskano dzięki chłodzeniu ciekłym azotem. Ciekły azot ma temperaturą poniżej 77 K, przez co pozwala schłodzić większość nadprzewodników wysokotemperaturowych poniżej temperatury krytycznej. Z chemicznego punktu widzenia nadprzewodniki wysokotemperaturowe to materiały ceramiczne stanowiące mieszaniny tlenków metali. Materiał przedstawiony na filmie to stop tlenków baru, miedzi i itru o wzorze sumarycznym YBa2Cu3O7. Poniżej przedstawiono wykres, który prezentuje zależność oporu tego materiału od temperatury:

wykres_lewitacjaWykres 1. Zależność oporu od temperatury nadprzewodnika YBa2Cu3O7 (http://www.superconductors.org)

Po ochłodzeniu nadprzewodnika do temperatury krytycznej wzbudzany jest prąd elektryczny nawet bez przyłożonej różnicy potencjałów. W momencie pojawienia się prądu pole magnetyczne zawarte w powierzchniowej warstwie nadprzewodnika zostaje wypchnięte na zewnątrz. Siła ta jest w stanie utrzymać magnes stacjonarny, a my obserwujemy zjawisko lewitacji. Zjawisko to nazywane jest Efektem Meissnera i jest wykorzystywane do odróżnienia przewodników o niskim oporze elektrycznym od nadprzewodników.

Materiały nadprzewodzące i zjawisko lewitacji może być wykorzystane m.in. do budowy kolei magnetycznej, łożysk, silników i innych układów w których brak tarcia między magnesem, a nadprzewodnikiem poprawia w znacznym stopniu wartość użytkową układu.

Literatura

Atkins, P. i Jones, L. (2004). Chemia ogólna. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

 

#34 Świecąca fontanna

Chemiluminescencja to zjawisko emisji światła w wyniku reakcji chemicznej. Najbardziej znaną substancją zdolną do emisji światła jest Luminol (rysunek 1). Związek ten w środowisku zasadowym i obecności utleniacza oraz aktywatora emituje światło o barwie niebieskiej, niebiesko-zielonej – długości fali 441-452 nm (Manna & Montpetit, 2000).

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

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

Rysunek 2. Przekształcenie luminolu w dianion.

Aktywator czyli np. jony Cu2+ lub jony Fe3+ (porównaj: #23 Wykrywanie śladów krwi) katalizują rozkład nadtlenku wodoru zgodnie z równaniem (Panzarasa, 2014), (Young, 2005):

2H2O2 → 2H2O + O2

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

Rysunek 3. Utlenianie luminolu.

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

Rysunek 4. Chemiluminescencja

Czas luminescencji jest dość krótki. Widzimy, że roztwór pod koniec filmu traci intensywna niebieską barwę.

Doświadczenie wykonano według przepisu opracowanego przez Thomasa (1990).

Roztwór A otrzymuje się przez rozpuszczenie w 500 cm3 wody destylowanej:

  • 2 g Na2CO3
  • 0,1 g luminolu
  • 12 g NaHCO3
  • 0,25 g (NH4)2CO3
  • 0,2 g CuSO4

Roztwór B: do 475 cm3 wody destylowanej należy dodać 25 cm3 3% roztworu H2O2

Efekt fontanny wywoływany jest w analogiczny sposób jak w doświadczeniu #13 Fontanna chlorowodorowa, jednak w tym wypadku należy użyć amoniak, ponieważ chemiluminescencja luminolu zachodzi w środowisku zasadowym. Aby wypełnić kolbę gazowym amoniakiem należy wykorzystać stężony roztwór wody amoniakalnej. Można go ogrzewać w osobnym naczyniu, tak jak to pokazano na filmie, lub bezpośrednio w kolbie. Wprowadzenie niewielkiej ilości wody do kolby z gazowym amoniakiem powoduje, że amoniak zaczyna rozpuszczać się we wprowadzonej wodzie co powoduje zmniejszenie ciśnienia w kolbie, a tym samym zassanie roztworów A i B.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Luminol

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.

Thomas, N. C. (1990). A chemiluminescent ammonia fountain. Journal of Chemical Education, 67 (4), str. 339. doi: 10.1021/ed067p339

Young, J. (2005). Luminol (3-Aminophthalhydrazide). Journal of Chemical Education, 82 (10), str. 1465. doi:10.1021/ed082p1465

#33 Zima w kolbie

Kwas benzoesowy to powszechnie stosowany środek konserwujący do żywności. Jest to kwas organiczny otrzymywany w wyniku reakcji utleniania łańcuchów bocznych alkilobenzenu (McMurry, 2007).

Rysunek 1. Wzór cząsteczki kwasu benzoesowego.

W warunkach normalnych jest to krystaliczne, białe ciało stałe. Temperatura topnienia kwasu benzoesowego wynosi 122,35 oC, natomiast temperatura wrzenia 249,20 oC (Haynes, 2010). Kwas ten podczas ogrzewania w temperaturze powyżej 100 oC łatwo ulega sublimacji (porównaj z: #18 Fioletowe pary jodu).

W doświadczeniu wykorzystano fakt, iż kwas benzoesowy ulega sublimacji, jak również posiada stosunkowo niską temperaturę wrzenia. Efekt zimy w kolbie można otrzymać wywołując resublimację kwasu benzoesowego. W wyniku ogrzewania pary kwasu wypełniają całą objętość naczynia naczynia. Po obniżeniu temperatury kwas krystalizuje i obserwujemy efekt przypominający padanie śniegu. Jeżeli zwiększymy ilość kwasu i intensywność sublimacji/parowania, krystalizacja zachodzi również na powierzani choinki, tworzą się kryształy kwasu w postaci podłużnych igieł.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas benzoesowy  GHS07

Literatura:

Haynes, W.M. (ed.) CRC Handbook of Chemistry and Physics. 91st ed. Boca Raton, FL: CRC Press Inc., 2010-2011

McMurry, J. (2007). Chemia organiczna 3. Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN.

#32 Bijące serce rtęciowe

Rtęć jest jednym z dwóch pierwiastków, które w temperaturze pokojowej są w stanie ciekłym. Doświadczenie pt. „Bijące serce rtęciowe” związane jest z utlenianiem metalicznej rtęci, a następnie redukcją powstałych jonów do czystego metalu. Procesowi temu towarzyszą zmiany w napięciu powierzchniowym rtęci, obserwowane jako zmiany w kształcie kropli tego metalu.

W doświadczeniu wykorzystano rozcieńczony roztwór manganianu(VII) potasu i kwasu siarkowego(VI), stężony kwas siarkowy(VI) oraz rtęć. Krople rtęci należy pokryć zakwaszonym roztworem manganianu(VII) potasu pod wpływem którego powierzchnia rtęci ulega utlenieniu do Hg+:

5Hg → 5Hg+ + 5e–

8H+ + MnO4– + 5e– → + Mn2+ + 4H2O

Proces ten zachodzi w środowisku kwasowym. Powstałe jony rtęci, mogą dalej ulegać reakcji utleniania do HgO, tlenku, który jest nietrwały w środowisku kwasowym:

HgO + 2H+ → Hg2+ +H2O

Jednocześnie dochodzi do wytrącenia w postaci cienkiej warstewki nierozpuszczalnej w wodzie soli siarczanu(VI) rtęci(I):

SO42- + 2Hg+ → Hg2SO4(s)

Utworzona warstwa soli obniża napięcie powierzchniowe rtęci, kropla się spłaszcza. Po przyłożeniu żelaznego gwoździa zachodzi utlenienie żelaza z jednoczesna redukcją anionów manganianowych(VII):

Fe + 2H+ → Fe2+ + H2(g)

8H+ + 5Fe2+ + MnO4– → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Dodatkowo jony rtęci, jako mniej aktywne są wypierane z roztworu:

Fe + 2Hg+ → Fe2+ + 2Hg

Stopniowo zachodzi proces rozpuszczania powstałej wcześniej warstwy soli Hg2SO4:

Fe + Hg2SO4(s) → Fe2+ + 2Hg + SO42-

Roztwarzanie warstwy soli powoduje zwiększenie napięcia powierzchniowego metalu. Kropla rtęci odrywa się od powierzchni żelaza. Zachodzące procesy obserwowane są jako pulsowanie powierzchni metalu. Siłą napędową oscylacji jest przeniesienie elektronów z żelaza do roztworu manganianu za pośrednictwem rtęci. Żelazo jest donorem elektronów, a rtęć działa jako przełącznik do ich transferu. W uproszczeniu proces można opisać następująco:

5Fe + 16H+ + 2MnO4– → 5Fe2+ + 2Mn2+ + 8H2O

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Kwas siarkowy(VI) GHS05
  • Manganian(VII) potasu GHS03GHS07GHS09
  • Rtęć GHS06GHS08GHS09

Literatura:

Avnlr, D. (1989). Chemically Induced Pulsations of Interfaces: The Mercury Beating Heart. Journal of Chemical Education, 66(3), strony 211-212. doi:10.1021/ed066p211

Ramírez-Á, E., Ocampo-Espindola, J., Montoya, F., Yousif, F., Vazquez, F. i Rivera, M. (2014). Extensive Study of Shape and Surface Structure Formation in the Mercury Beating Heart System. The Journal of Physical Chemistry, 118(45), strony 10673-10678. doi:10.1021/jp507596b