Archiwum kategorii: ciekawe doświadczenia

#28 Polimerowa piłeczka

Szkło wodne, czyli nasycony roztwór krzemianu sodu, to gęsta (syropowata) bezbarwna ciecz, którą można otrzymać w wyniku rozpuszczania stopionego SiO2 i Na2CO3. Znajduje zastosowanie jako klej mineralny, środek do impregnowania drewna, przy produkcji detergentów jak również przy produkcji żywic silikonowych (Bielański, 2010).

W podwyższonej temperaturze, podczas stapiania SiO2 i Na2CO3 wiele wiązań Si—O ulega rozerwaniu, w wyniku czego uporządkowana struktura kryształów zanika. Podczas ochładzania ciekłej mieszaniny następuje odtworzenie wiązań Si—O, przy czym niektóre atomy krzemu wiążą się z jonami tlenu i sodu tworząc grupy Si—O– Na+, zamiast wiązań Si—O—Si występujących w czystej krzemionce (Rys. 1) (Atkins i Jones, 2004).

Rysunek 1. Element struktury łańcucha metakrzemianu sodu.

Szkło wodne jest wykorzystywane do otrzymywania polimerów krzemoorganicznych. Roztwory krzemianów metali alkalicznych mają odczyn silnie zasadowy, co sprzyja tworzeniu się łańcuchów silikonowych. W naszym doświadczeniu pod wpływem alkoholu część atomów tlenu zastała zastąpiona grupą etylową —CH2—CH3 (Polymers Slime & Superball) (Rys. 2.):

Rysunek 2. Fragment struktury polimeru silikonowego.

W zależności od rodzaju przyłączonych grup oraz warunków syntezy powstające silikony mogą być cieczami lub ciałami stałymi o różnym stopni twardości.

Uwaga substancje niebezpieczne!

Szkło wodne GHS07

Etanol  GHS02

Literatura:

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

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

Polymers Slime & Superball: http://icn2.umeche.maine.edu/newnav/Homepage/Highschool/Slime/lecpolymers2.htm; z dnia: 18.05.2015

#27 Lustro srebrowe i miedziowe

„Próba Tollensa” lub inaczej „Próba lustra srebrowego” służy do wykrywania związków o właściwościach redukujących. Związkiem wykorzystywanym w tej próbie jest kation diaminasrebra(I) [Ag(NH3)2]+ utworzony w wyniku zalkalizowania roztworu azotanu(V) srebra(I) roztworem amoniaku. W pierwszym etapie powstaje brunatny osad tlenku srebra(I) (Bielański, 2010):

2Ag+ + 2OH− → Ag2O↓ + H2O

Po dodaniu nadmiaru roztworu amoniaku, osad tlenku srebra(I) ulega roztworzeniu i powstaje jon koordynacyjny (Bielański, 2010):

Ag2O + 4NH3 + H2O → 2[Ag(NH3)2]+ + 2OH−

Pozytywny wynik Próby Tollensa, w postaci lustra srebrowego osadzonego na ściankach naczynia, dają związki o właściwościach redukujących zawierających w swojej strukturze najczęściej tzw. grupę aldehydową. Doświadczenie to jest również wykorzystywane do odróżnienia aldehydów od ketonów (Cotton i Wilkinson, 1988). W doświadczeniu wykorzystano glukozę, przedstawiony proces opisuje równanie:

W doświadczeniu przedstawiono także otrzymywanie lustra miedziowego. W tym przypadku zastosowanie glukozy, może prowadzić jedynie do redukcji miedzi na I stopnień utlenienia i powstania ceglastoczerwonego osadu tlenku miedzi(I). W celu redukcji i otrzymania metalicznej miedzi konieczne jest wykorzystanie bardzo silnego reduktora jakim jest hydrazyna (Rys. 1).

hydrazynaRysunek 1. Wzór strukturalny hydrazyny.

Cząsteczka hydrazyny zbudowana jest z dwóch połączonych ze sobą grup aminowych. Stopień utlenienia azotu w tej cząsteczce wynosi -II, co sugeruje, że może działać zarówno jako reduktor i utleniacz. Hydrazyna ma zdolność do bezprądowego redukowania metali takich jak np.: Ni, Co, Fe, Cr czy Cu (Cardulla, 1983), co wykorzystano i przedstawiono na filmie. Hydrazyna jest też stosowana jako jeden ze składników paliwa rakietowego.

Do zlewki z roztworem siarczanu(VI) miedzi(II) wprowadzono małymi porcjami hydrazynę. Proces utlenienia prowadzi do powstania azotu:

N2H4 → N2 + 4H+ + 4e–

W wyniku redukcji powstaje metaliczna miedź:

2Cu2+ + 4e– → 4Cu

Można zapisać sumaryczne równanie redoks:

2Cu2+ + N2H4 → 2Cu + N2 + 4H+

Uwaga substancje niebezpieczne! Hydrazyna jest silnie trującą i toksyczną substancją, wchłania się przez skórę i drogi oddechowe. Zatrucie hydrazyną grozi trwałymi uszkodzeniami narządów wewnętrznych. Może powodować raka.

  • Hydrazyna GHS02 GHS06GHS08GHS05GHS09
  • Azotan(V) srebra(I)GHS05 GHS05GHS07GHS09
  • Amoniak r-r  GHS05GHS07GHS09
  • Siarczan(VI) miedzi(II) GHS07GHS09

Literatura

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

Cardulla, F. (1983). Hydrazine. Journal of Chemical Education, 60(6), str. 505. doi:10.1021/ed060p505

Cotton, F. A. i Wilkinson, G. (1988). Advanced Inorganic Chemistry (wyd. 5). Wiley.

#26 Posrebrzanie i pozłacanie monet

Doświadczenie przedstawia cynkowanie powierzchni miedzianych. Proces może wydawać się nietypowy, ponieważ szereg napięciowy metali wskazuje, że nie powinien on zachodzić.

Podczas ogrzewania cynku w obecności roztworu NaOH o stężeniu 3 mol/dm3 zachodzi reakcja (Atkins i Jones, 2004):

Zn + 2OH– + 2H2O → [Zn(OH)4]2- + 2H2↑

W momencie kontaktu monety miedzianej z powierzchnią metalicznego cynku, następuje powolne roztwarzanie cynku z jednoczesnym jego wydzieleniem na powierzchni miedzianej. Reakcja ta zachodzi dzięki powstałemu nadnapięciu czyli odchyleniu potencjału elektrody od jego wartości równowagowej (McNaught i Wilkinson, 1997). W roztworze ustala się równowaga:

[Zn(OH)4]2- + 2e– \rightleftarrows Zn + 4OH–

Cynk tworzy cienką warstewkę na powierzchni miedzi (Sękowski, 1987). Moneta pokryta tą warstwą wyglądem przypomina srebro. Po wprowadzeniu monety do płomienia palnika, w temperaturze 200 oC następuje utworzenie stopu cynku i miedzi czyli mosiądzu (Pluciński, 1997), o charakterystycznej żółtej barwie przypominającej złoto (zobacz doświadczenie #20 – Wytapianie mosiądzu w kuchence mikrofalowej).,

Dziękujemy Pani Natalii Buszcie z Naukowego Koła Chemików UJ za pomoc w przygotowaniu  doświadczenia.

UWAGA! Substancje niebezpieczne:

  • Wodorotlenek sodu

Literatura

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

McNaught, A. i Wilkinson, A. (1997). IUPAC Compendium of Chemical Terminology – Gold Book (wyd. 2). Oxford: Blackwell Scientific Publications. doi:doi:10.1351/goldbook.

Pluciński, T. (1997). Doświadczenia chemiczne. Warszawa: Wydawnictwo Adamantan.

Sękowski S. (1987) Galwanotechnika domowa. Warszawa: WNT.

#25 Chemiczne świetliki

Przedstawione doświadczenie pod nazwą „Chemiczne świetliki” to proces katalitycznego utleniania amoniaku. Katalizatorami tego procesu są metale, takie jak platyna czy miedź, jak również tlenki metali przejściowych. Wykorzystanie tlenku chromu(III) sprawia, że doświadczenie to jest bardzo spektakularne.

Kolbę stożkową należy wypełnić niewielką ilością stężonego roztworu amoniaku. Do przeprowadzenia reakcji wystarcza tlen zawarty w powietrzu, jednak bardziej widowiskowy efekt uzyskuje się, jeżeli zwiększymy stężenie tlenu w kolbie. W naszym doświadczeniu tlen otrzymaliśmy w wyniku katalitycznego rozkładu 10% roztworu nadtlenku wodoru (Podobnie jak w doświadczeniu #7: Otrzymywanie piany). Do mieszaniny amoniaku i tlenu należy dodawać małymi porcjami rozgrzany katalizator – tlenek chromu(III). Można wykorzystać tlenek otrzymany w wyniku termicznego rozkładu chromianu(VI) amonu czyli w tzw. „Wulkanie chemicznym” – doświadczenie #14.

Mechanizm katalitycznego utleniania amoniaku nie jest do końca znany. Większa część amoniaku utleniana jest do azotu, czemu towarzyszy emisja żółto-pomarańczowego światła. Reakcja zachodzi zgodnie z równaniem (Handforth i Tilley, 1934; Volkovich i Griffiths, 2000):

4NH3 + 2O2 → 2N2 + 6H2O

Amoniak może być również utleniany do tlenku azotu(II), który następnie w reakcji z amoniakiem może prowadzić do powstania azotanu(V) amonu:

4NH3 + 5O2 → 4NO + 6H2O

4NO + 4NH3 + 3O2 + 2H2O → 4NH4NO3

Wydajność tego procesu jest jednak niska. Reakcja pomiędzy NH3 i NO może również prowadzić do powstania N2, N2O i H2O (Volkovich i Griffiths, 2000).

Dziękujemy Pani Klaudii Ciurze z Naukowego Koła Chemików UJ za pomoc w przygotowaniu i wykonaniu doświadczenia

Uwaga! Doświadczenie należy wykonywać pod sprawnie działającym wyciągiem! Nie należy przygotowywać mieszaniny o zbyt dużym stężeniu tlenu, ponieważ proces może zajść wybuchowo. Rozgrzany tlenek chromu(III) należy dodawać małymi porcjami.

Substancje niebezpieczne:

  • Amoniak r-r 25% GHS05GHS07GHS09
  • Perhydrol

Literatura:

Handforth, S. i Tilley, J. (1934). Catalysts for Oxidation of Ammonia to Oxides of Nitrogen. Jouranl of Chemical Education, 26(12), strony 1287–1292. doi:10.1021/ie50300a016

Volkovich , V. A. i Griffiths, T. R. (2000). Catalytic oxidation of ammonia: A sparkling experiment. Journal of Chemical Education(77 (2)), str. 177. doi:10.1021/ed077p177