Te, które tworzą sole, część 5 Jod

Dlaczego? Umożliwia wykonanie wielu doświadczeń, do których nie potrzebujesz skomplikowanej aparatury i trudno dostępnych odczynników, a efekty prób zaskoczą Cię barwami (związki pozostałych fluorowców były zazwyczaj białe). Ponadto jod jest najbezpieczniejszym w użyciu członkiem rodziny z powodu mniejszej - w porównaniu do lżejszych pierwiastków grupy 17 - aktywności oraz stałego stanu skupienia.

Pierwiastek z popiołów

W początkach XIX wieku potaż (węglan potasu K₂CO₃) otrzymywano m.in. z popiołu powstałego ze spalenia wodorostów morskich. Ten zaś związek używany był do produkcji saletry potasowej KNO₃, strategicznego materiału niezbędnego do wytwarzania czarnego prochu (w Europie trwały wtedy wojny napoleońskie). Jednym z fabrykantów tej substancji był Francuz Bernard Courtois. W lecie 1812 r. zauważył, że ługi warzelnicze (pozostałości po wymyciu potażu wodą; od ługowania, czyli wypłukiwania substancji stałej przy pomocy rozpuszczalnika) niszczą miedziane kotły, w których ogrzewano popiół z wodą. Courtois pobrał porcję roztworu i zalał ją stężonym kwasem siarkowym(VI). Zaczęły wydzielać się fioletowe opary, które następnie kondensowały w postaci ciemnych kryształów. Zaintrygowany obserwacjami, rozpoczął eksperymenty, ale nie potrafił dociec natury otrzymanej substancji. W końcu Courtois zawiadomił innych chemików o odkryciu.

Doniesienie paryskiego fabrykanta saletry sprawdzał m.in. Joseph Gay-Lussac, który kilkanaście lat później dokładnie zbada i nazwie kolejny fluorowiec - brom (patrz poprzedni odcinek). Gay-Lussac dowiódł, że jod jest pierwiastkiem o analogicznych do chloru właściwościach i nadał mu nazwę pochodzącą od greckiego słowa ioeides, czyli fioletowy (1).

1. Kryształy jodu

Badaniem jodu zajmował się również angielski chemik sir Humphry Davy, a wykonane doświadczenia pomogły w udowodnieniu, że chlor jest pierwiastkiem, a nie tlenkiem (patrz drugi odcinek cyklu).

Jod w nas i wokół nas

Wyodrębnienie jodu z popiołu morskich roślin nie było przypadkiem. Pierwiastek ten w świecie ożywionym odgrywa bardzo ważną rolę, zarówno dla roślin, jak i zwierząt. U człowieka wchodzi w skład hormonów tarczycy regulujących metabolizm. Jego zawartość w glebie (a co za tym idzie także w pożywieniu i wodzie pitnej) zależy od odległości danego rejonu od morza: im dalej, tym jodu jest mniej. W celu uniknięcia chorób związanych z niedoborem tego pierwiastka stosuje się suplementację preparatami dodawanymi do soli i mąki. Najbogatszym naturalnym źródłem jodu są morskie ryby i owoce morza.

Jod należy do pierwiastków rzadkich. W większych ilościach występuje w wodzie morskiej, niektórych solankach oraz jako domieszka w saletrze chilijskiej, czyli azotanie(V) sodu NaNO₃ (w tym minerale znajduje się w postaci soli kwasów tlenowych - jodanów). Pierwszy etap produkcji wolnego jodu zależy od źródła pochodzenia: w przypadku solanek stosuje się utlenianie zawartych w nim jodków (działając chlorem, tak jak przy produkcji bromu), natomiast jodany z saletry są redukowane. Wydzielony pierwiastek wyodrębnia się z mieszaniny reakcyjnej przez ekstrakcję odpowiednio dobranym rozpuszczalnikiem, a następnie oczyszcza przez sublimację i resublimację. Są to zjawiska, które zauważył sam odkrywca, a polegają na przejściu ciała stałego w parę z pominięciem fazy ciekłej (sublimacja) oraz na zestaleniu par bezpośrednio w ciało stałe (resublimacja) (2).

2. Ogrzewanie jodu w zlewce: widoczne fioletowe pary (sublimacja) i osadzające się na ściankach kryształy (resublimacja).

Po co nam jod?

Na przykład do wytwarzania hormonów tarczycy stosowanych w przypadku jej niedoczynności, a promieniotwórczy izotop jod-131 służy do diagnostyki i leczenia schorzeń tego gruczołu. Jodyna to roztwór jodu w alkoholu etylowym, używany jako preparat dezynfekujący, podobne zastosowanie ma jodoform CH₃I. Jodek srebra był składnikiem emulsji światłoczułych w klasycznej fotografii, obecnie służy do tzw. zasiewania chmur. Polega ono na rozpylaniu AgI, na którego kryształach kondensuje para wodna, spadająca później w postaci deszczu. W ten sposób można wywołać opady w rejonach dotkniętych suszą lub zlikwidować chmury, gdy nie są one potrzebne (np. przed defiladą w święto państwowe).

Wolny jod służy do otrzymywania i oczyszczania trudno topliwych metali. Metoda opracowana przez holenderskich chemików Antona van Arkela i Jana de Boera w roku 1925 polega na ogrzewaniu uzyskanego z rudy proszku metalu z parami jodu. Tworzący się lotny jodek ulega rozkładowi na spirali grzejnej, która po pewnym czasie zamienia się w pręt czystego metalu (3).

3. Metoda van Arkela i de Boera: z zanieczyszczonego cyrkonu (na dole) powstaje jodek, który rozkłada się na spirali grzejnej – czysty cyrkon osadza się na niej, a jod wraca do obiegu.

Metoda została wykorzystana także w konstrukcji żarówek halogenowych. Dodatek jodu zapobiega nieuchronnemu rozpylaniu żarnika (utworzony związek rozkłada się na wolframowej spirali), co sprawia, że żarówka pracuje w wyższej temperaturze i ekonomiczniej wykorzystuje energię elektryczną.

W laboratoriach chemicznych jod jest stosowany do oznaczania substancji o charakterze redukującym, a jodek potasu - utleniającym. W obu przypadkach wykorzystuje się znaną Ci zapewne reakcję jodu ze skrobią, czyli tworzenie połączenia o ciemnoniebieskiej barwie, widocznej nawet w przypadku bardzo małych stężeń chlorowca. Ten fakt zaś sprawia, że oznaczenia jodometryczne należą do najczulszych metod analitycznych. Reakcja jodu ze skrobią jest również powszechnie używana do badania produktów spożywczych (4).

4. O obecności skrobi w produktach spożywczych świadczą ciemne plamy utworzone pod wpływem roztworu jodu.

I znów analityka

Podobnie jak w poprzednich odcinkach cyklu o fluorowcach, pora na metody wykrywania bohatera bieżącego artykułu.

Dla jodków podstawowy sposób to reakcja z roztworem azotanu(V) srebra, czyli analogicznie jak w przypadku chlorków i bromków. AgNO₃ jest odczynnikiem grupowym do wykrywania anionów - kilka daje podobny wynik reakcji, a dopiero potem identyfikuje się każdy z nich oddzielnie. Rodzinne podobieństwo sprawia, że aniony chlorowców zachowują się w zbliżony sposób (fluoru już nie): tworzą osad, który ulega rozkładowi pod wpływem światła. W przypadku jodków osad ma wyraźną żółtawą barwę, ciemniejszą niż AgBr (AgCl jest biały). Jodek srebra nie rozpuszcza się w rozcieńczonym roztworze amoniaku, co odróżnia go od dobrze rozpuszczalnego AgCl i słabo rozpuszczalnego AgBr. Jednak jodki dają o wiele większą i barwniejszą paletę osadów (5):

5. Barwy jodków srebra, ołowiu, rtęci i bizmutu (próby wykonane na płytce do reakcji kroplowych).

· żółty z jonami Pb²⁺,
· pomarańczowoczerwony z jonami Hg²⁺,
· brunatny z jonami Bi³⁺.

W każdym z tych przypadków unikaj nadmiaru odczynnika, ponieważ tworzą się rozpuszczalne połączenia kompleksowe.

Pamiętaj o zachowaniu środków ostrożności podczas prób ze związkami ołowiu i rtęci.

Oczywiście te same reakcje służą również do wykrywania odpowiednich kationów. Często do tego celu przygotowuje się papierki jodkowe, czyli paski bibuły nasycone roztworem KI i wysuszone. Barwne plamy powstałe po naniesieniu kropli roztworu dowodzą obecności szukanych jonów.

Interesująco przebiegają reakcje jodków z jonami Cu²⁺ i Fe³⁺. W obu przypadkach otrzymasz brunatne zabarwienie, które pochodzi od wolnego jodu. Możesz go wykryć przy pomocy wskaźnika skrobiowego (patrz ramka: Detektor jodu) lub papierków jodoskrobiowych przygotowanych wg przepisu z drugiego odcinka cyklu. W obu przypadkach jony metali redukują swój stopień utlenienia o jeden, a miedź dodatkowo tworzy osad (połączenie żelaza jest rozpuszczalne; spróbuj sam napisać równania reakcji). Osad związku miedzi jest maskowany barwą jodu, ale i na to znajdzie się rada. Do probówki dodawaj kroplami roztwór tiosiarczanu sodu Na₂S₂O₃, co spowoduje, że ciemna barwa zniknie i zobaczysz biały osad (6).

6. Reakcja jodków z solami miedzi(II). Od lewej: roztwór soli miedzi(II), roztwór po dodaniu jodków (brunatne zabarwienie pochodzi od wydzielonego wolnego jodu), roztwór po dodaniu tiosiarczanu sodu – widoczny biały osad jodku miedzi(I)

Zapamiętaj reakcję z tiosiarczanem - jest ona stosowana do usuwania wolnego jodu:

I₂+2Na₂S₂O₃→2NaI+Na₂S₄O₆

Tiosiarczan sodu analogicznie reaguje z chlorem i bromem, stąd potoczna nazwa tego związku - antychlor (używa się go do eliminacji resztek chloru po bieleniu). Można jednak powiedzieć, że tiosiarczan to również "antyjod".

Jak w przypadku pozostałych chlorowców, jodki wykryjesz, utleniając je do wolnego pierwiastka (tak zrobiłeś w reakcjach z jonami Cu²⁺ i Fe³⁺). Przemiana ta zachodzi bardzo łatwo, nawet pod wpływem tlenu z powietrza. Z tego też powodu jod do soli kuchennej i mąki dodaje się w postaci jodanów (czyli już utlenionej), a nie jodków (powstający wolny jod ulotniłby się z produktu). Do próby potrzebne będą roztwory: jodku potasu KI, nadmanganianu potasu KMnO₄, kwasu siarkowego(VI) H₂SO₄ - oraz rozpuszczalnik organiczny niemieszający się z wodą (np. rozcieńczalnik do farb). Roztwór jodku zakwaś, a następnie kroplami dodawaj roztwór nadmanganianu. Zawartość naczynia przybiera ciemnobrązową barwę:

2KMnO₄+10KI+8H₂SO₄→2MnSO₄+6K₂SO₄+5I₂+8H₂0

Wlej niewielką ilość rozpuszczalnika i dokładnie zmieszaj zawartość. Po rozwarstwieniu cieczy zauważysz, że woda stała się znacznie jaśniejsza, a warstwa organiczna - ciemna od rozpuszczonego w niej jodu (7).

7. Jod przechodzi z roztworu wodnego (dolna warstwa) do rozpuszczalnika organicznego (górna warstwa).

Złoty deszcz

W ostatnim eksperymencie pamiętaj o zachowaniu zasad laboratoryjnego BHP podczas pracy ze związkami ołowiu.

Przygotuj kilkuprocentowe roztwory: dobrze rozpuszczalnej soli tego metalu (azotanu lub octanu) oraz jodku potasu. Do kolby z roztworem związku ołowiu wlej porcję roztworu KI (unikaj nadmiaru, bo powstały osad się rozpuści). Wytrącony żółty PbI2 jest łatwiej rozpuszczalny w gorącej wodzie i po wstawieniu kolby do naczynia z wrzątkiem lub ogrzaniu jej płomieniem palnika, osad znika, a roztwór staje się tylko lekko żółtawy.

Pozostaw kolbę do ostygnięcia, usiądź wygodnie i obserwuj spektakl. Wkrótce zaczynają się pojawiać kryształy w postaci złocistych blaszek, a gdy oświetlisz naczynie z boku, zobaczysz padający "złoty deszcz" (8).

8. Złoty deszcz kryształków jodku ołowiu

Zamieszanie zawartości kolby wywoła zimową zamieć z nietypowymi - złocistymi - płatkami śniegu.

Detektor jodu Skrobia jest nadzwyczaj czułym odczynnikiem do wykrywania wolnego jodu. Ciemnoniebieska barwa powstającego połączenia to efekt "wchodzenia" jodu do wnętrza spiral tworzonych przez jeden ze składników skrobi - amylopektynę. Kolor zobaczysz nawet w przypadku użycia suchej mąki, ale lepiej przygotować wskaźnik skrobiowy, czyli po prostu rzadki krochmal. Krótko: na koniec noża nabierz szczyptę mąki ziemniaczanej i rozrób ją w kilku cm3 zimnej wody. Zagotuj 100 cm3 wody, a gdy zacznie wrzeć - wlej papkę skrobiową. Pogotuj kilka minut, aż roztwór stanie się przezroczysty. Po ostudzeniu wskaźnik możesz przechowywać w lodówce, ale jest nietrwały i lepiej sporządzać go w miarę potrzeby.

Krzysztof Orliński