Chemiczne klepsydry

Reakcje zegarowe to przemiany, których efekt (np. zmiana barwy) nie pojawia się natychmiast, lecz dopiero po pewnym czasie od zmieszania substratów. Istnieją również reakcje umożliwiające kilkakrotne zaobserwowanie ich rezultatów. Przez analogię do „chemicznych zegarów” można je nazwać „chemicznymi klepsydrami”. Odczynniki do jednego z eksperymentów nie są trudno dostępne.

Do próby użyjemy tlenku magnezu MgO, 3-4% kwasu solnego HCl_aq (stężony kwas rozcieńczony wodą w stosunku 1:9) lub spożywczego octu (6-10% roztwór kwasu octowego CH₃COOH). Jeśli nie dysponujemy tlenkiem magnezu, z powodzeniem zastąpią go preparaty do zwalczania nadkwasoty i zgagi – jednym ze składników jest wodorotlenek magnezu (MgO w warunkach reakcji przechodzi w ten związek).

Za zmianę barwy podczas reakcji odpowiada błękit bromotymolowy – wskaźnik barwiący się na żółto w roztworze o odczynie kwasowym i na niebiesko w zasadzie.

Do zlewki o pojemności 100 cm³ wsypujemy 1-2 łyżeczki tlenku magnezu (fotografia 1) lub wlewamy ok. 10 cm³ preparatu zawierającego wodorotlenek magnezu. Następnie dolewamy 20-30 cm³ wody (fotografia 2) i dodajemy kilka kropli wskaźnika (fotografia 3). Zawartość zlewki, zabarwioną na kolor niebieski, mieszamy (fotografia 4), a następnie wlewamy kilka cm³ roztworu kwasu (fotografia 5). Mieszanina w zlewce zmienia barwę na żółtą (fotografia 6), ale po chwili znów staje się niebieska (fotografia 7). Dolewając kolejną porcję roztworu kwasu, obserwujemy ponowną zmianę barw (fotografie 8 i 9). Cykl można powtórzyć kilkakrotnie.

Reakcje, które zaszły w zlewce, są następujące:

1. Tlenek magnezu reaguje z wodą, tworząc wodorotlenek tego metalu:

MgO + H₂O → Mg(OH)₂

Powstający związek słabo rozpuszcza się w wodzie (ok. 0,01g na 1 dm³), ale jest mocną zasadą i stężenie jonów wodorotlenowych wystarcza do zabarwienia wskaźnika.

2. Reakcja wodorotlenku magnezu z dodanym kwasem solnym:

Mg(OH)₂ + 2HCl → MgCl₂ + 2H₂O

prowadzi do zobojętnienia całej ilości rozpuszczonego w wodzie Mg(OH)₂. Nadmiar HCl_aq zmienia odczyn środowiska na kwasowy, co widzimy jako zmianę barwy wskaźnika na żółtą.

3. Kolejna porcja tlenku magnezu reaguje z wodą (równanie 1.) i zobojętnia nadmiar kwasu (równanie 2.). Roztwór ponownie staje się alkaliczny, a wskaźnik zmienia zabarwienie na niebieskie. Cykl się powtarza.

Modyfikacja doświadczenia polega na zmianie użytego wskaźnika, co prowadzi do innych efektów barwnych. W drugiej próbie, zamiast błękitu bromotymolowego użyjemy fenoloftaleiny (bezbarwna w roztworze o odczynie kwasowym, malinowa w zasadowym). Sporządzamy zawiesinę tlenku magnezu w wodzie (tzw. mleko magnezjowe) tak, jak w poprzednim eksperymencie. Dodajemy kilka kropli roztworu fenoloftaleiny (fotografia 10) i mieszamy zawartość zlewki. Po dodaniu kilku cm³ kwasu solnego (fotografia 11) następuje odbarwienie mieszaniny (fotografia 12). Cały czas mieszając zawartość, obserwujemy naprzemiennie: zmianę zabarwienia na różowe, a po dodaniu porcji kwasu odbarwienie zawartości naczynia (fotografia 13, 14, 15).

Reakcje zachodzą w identyczny sposób, jak w pierwszej próbie. Natomiast użycie innego wskaźnika powoduje, że uzyskujemy odmienne efekty barwne. W doświadczeniu możemy zastosować praktycznie dowolny indykator pH.

Chemiczne klepsydry część I:

Chemiczne klepsydry część II: