Chemiczny plener

Chemiczny plener
e-suplement
Tym razem coś w sam raz na ciepłe dni - eksperymenty do przeprowadzenia w pięknych okolicznościach przyrody. Wykonanie prezentowanych doświadczeń na otwartej przestrzeni jest wysoce zalecane, jeśli z powodu zanieczyszczenia mieszkania produktami reakcji nie chcemy usłyszeć wielu cierpkich (i całkiem w dodatku słusznych) uwag... W plenerze możemy poza tym rozwinąć skrzydła i zwiększyć (ale z zachowaniem rozsądku!) skalę eksperymentu.

Polecane przeze mnie doświadczenia są znane już od bardzo dawna; dla ich niewątpliwego uroku warto je jednak powtórzyć, a może nawet pokusić się o sfilmowanie i udostępnienie szerszej publiczności. Zatem: do dzieła!

Wulkan chemiczny

To klasyczne doświadczenie imituje wybuch prawdziwego wulkanu. We wczesnych latach kinematografii reakcja rozkładu dichromianu(VI) amonu (NH4)2Cr2O7 (ten bowiem związek będzie potrzebny do przeprowadzenia eksperymentu) była stosowana nawet jako ?efekt specjalny?! Nawiasem mówiąc, prawdziwe wulkany to jedne z najgroźniejszych, ale i najbardziej fascynujących tworów natury, a w dodatku istne ?fabryki chemiczne?, wytwarzające wielkie ilości różnych związków. Oprócz lawy i pyłu wulkanicznego są to przede wszystkim produkty gazowe: para wodna, dwutlenek węgla CO2, dwutlenek siarki SO2, a także drobne ilości tlenku węgla(II) CO, wodoru H2, chloru Cl2, siarkowodoru H2S i chlorowodoru HCl.

Charakterystycznym produktem wulkanicznym jest również wolna siarka. Wulkany mają ogromny wpływ na klimat, a w konsekwencji także na życie na Ziemi. Na przykład: erupcja wulkanu Tambora (Indonezja) w 1815 roku była przyczyną wystąpienia tzw. zimy wulkanicznej (globalnego obniżenia temperatury na skutek przysłonięcia światła słonecznego przez zawieszone w powietrzu pyły wulkaniczne i aerozol kwasów siarkowych) w następnym roku, który przeszedł do historii jako ?rok bez lata?. Spowodowało to klęskę głodu na całej półkuli północnej, zaś w Ameryce było impulsem do masowej migracji osadników na zachód kontynentu (paradoksalnie można stwierdzić, że bez wybuchu wulkanu nie byłoby westernów!). Tyle dygresji; pora na doświadczenie.

Do eksperymentu potrzebny będzie dichromianu(VI) amonu (NH4)2Cr2O7, związek tworzący kryształy o pomarańczowoczerwonej barwie. Przepis otrzymywania reagenta jest dostępny w wielu książkach oraz w Internecie. Mimo iż nic nie może równać się z satysfakcją samodzielnego uzyskania związku, należy rozważyć również ekonomiczny aspekt przedsięwzięcia. Do wytworzenia potrzebnych ilości (NH4)2Cr2O7 zużyjemy sporo chemikaliów: kwasu siarkowego(VI) H2SO4, wody amoniakalnej NH3aq oraz tlenku chromu(VI) CrO3 lub dichromianu(VI) potasu K2Cr2O7. Pomijając już konieczność zapewnienia niezbędnych środków ostrożności przy posługiwaniu się mocnym kwasem i toksycznymi związkami chromu, taniej będzie nabyć gotowy odczynnik (przykładowy adres ułatwiający znalezienie źródeł zaopatrzenia w dzisiejszym odcinku ?Chemii w sieci?). Sposób uzyskania związku pozostawiam zatem do rozważenia każdemu z Czytelników.

Zanim przeprowadzimy reakcję, warto obejrzeć jej przebieg. W dzisiejszych czasach nie jest to już żadnym problemem. Jak zwykle z pomocą przychodzi serwis YouTube; w wyszukiwarce należy wpisać wyrażenie wulkan chemiczny lub chemical volcano i już po chwili możemy obserwować dokonania eksperymentatorów z całego świata.

Zacznijmy zatem od zbudowania makiety wulkanicznego stożka. Przy pełni lata warto stworzyć scenografię na otwartej przestrzeni i usypać kopiec z piasku. Na szczycie naszego wulkanicznego stożka wykonujemy wgłębienie, w którym umieścimy odporne na wysoką temperaturę naczynie. W zależności od planowanej skali eksperymentu: porcelanowy tygiel lub parowniczkę, albo też małą metalową puszkę, wypełnioną mocno ubitym reagentem. Zwróćmy również uwagę na odpowiednie zaaranżowanie otoczenia wulkanu poprzez ustawienie np. makiet domków czy sylwetek ludzi i zwierząt (a może nawet stworzenie całej antycznej scenerii Pompejów i Herkulanum).

Ponieważ dichromian(VI) amonu rozkłada się w temperaturze niewiele przekraczającej 200°C (a raz zapoczątkowana reakcja biegnie dalej samorzutnie), do podpalenia związku wystarczy zapałka. Po zakończeniu przygotowań (i ewentualnym ustawieniu kamery) inicjujemy reakcję. Już po chwili rozpoczyna się energiczny proces rozkładu związku, prowadzący do wydzielenia dużej ilości produktów gazowych, które rozrzucają wokół porowaty materiał. Reakcji towarzyszą także czerwone iskry, co znakomicie imituje wybuch prawdziwego wulkanu. Po zakończeniu doświadczenia całe otoczenie niczym lawą pokryte jest ciemnozielonym pyłem tlenku chromu(III) Cr2O3. Stały produkt reakcji jest używany w pastach do polerowania metali. Po wymieszaniu z olejem lnianym na gęstą masę otrzymamy pastę polerską, nieustępującą niczym gotowym produktom.

Przebiegającą reakcję rozkładu dichromianu(VI) amonu zapisujemy za pomocą równania:

To właśnie wydzielający się wolny azot i para wodna (temperatura reakcji znacznie przewyższa temperaturę wrzenia wody) spulchnia powstający tlenek chromu(III) i rozrzuca pył wszędzie wokół. Powyższa przemiana jest przykładem reakcji utleniania-redukcji (inaczej: reakcji redoks), podczas której dochodzi do zmiany stopnia utlenienia niektórych atomów. Co ciekawe, zarówno utleniacz (chrom(VI) z anionu dichromianowego), jak i reduktor (azot z kationu amonowego) są składnikami tej samej drobiny.

Rozkład perhydrolu

Perhydrol to zwyczajowa nazwa 30% wodnego roztworu nadtlenku wodoru H2O2. Roztwór używany jest jako silny środek odkażający, specyfik do rozjaśniania i farbowania włosów, wybielacz oraz utleniacz w przemyśle chemicznym i paliwie rakietowym.

Techniczny perhydrol, dostępny w sklepach z farbami i lakierami, nie ma wysokiej czystości, ale za to jest tani, a do naszych celów w zupełności wystarczy (nie będziemy przecież wytwarzać lekarstw ani artykułów spożywczych!). Roztwór nadtlenku wodoru o stężeniu 3% nosi nazwę wody utlenionej i jest popularnym środkiem do dezynfekcji ran. Nadtlenek wodoru jest związkiem nietrwałym - łatwo ulega rozkładowi z wydzieleniem gazowego tlenu, który w początkowym stadium występuje w postaci pojedynczych atomów (tzw. tlen in statu nascendi) i jest bardzo reaktywny:

Handlowy produkt z reguły zawiera stabilizatory utrudniające rozkład, np. kwas fosforowy H3PO4. Ze względu na przebieg powyższej przemiany, H2O2 jest idealnym wprost utleniaczem. Nadtlenek wodoru nie zanieczyszcza mieszaniny reakcyjnej obcymi substancjami, ponieważ tlen reaguje z reduktorem, a woda z reguły stanowi środowisko reakcji.

Prowadząc doświadczenia z perhydrolem należy zachować jednak daleko posuniętą ostrożność i pracować w gumowych rękawicach (odczynnik niszczy tkankę, zostawiając na skórze białe martwicze plamy) oraz bezwzględnie chronić oczy. Ze stężonym roztworem H2O2 naprawdę nie ma żartów! Pamiętajmy także, aby butelka na perhydrol był wykonana z ciemnego szkła lub polietylenu, zaś sam odczynnik przechowujmy z dala od promieni słonecznych i źródeł ciepła (nie chcemy przecież ryzykować zapoczątkowania rozkładu w zamkniętym naczyniu, a w konsekwencji rozerwania butelki z powodu wzrastającego ciśnienia powstających gazów!).

Pierwsze z doświadczeń nosi nazwę chemicznej lokomotywy ze względu na podobieństwo pary wylatującej z naczynia reakcyjnego do komina prawdziwego parowozu. Również i w tym eksperymencie zadbajmy o odpowiedni wystrój otoczenia, wykonując makietę lokomotywy, za którą schowamy kolbę z perhydrolem.

Do wspomnianego naczynia ostrożnie nalewamy 20-25 cm3 30% roztworu H2O2 (pamiętajmy o rękawicach i okularach ochronnych!) i, odsunąwszy się na bezpieczną odległość, wsypujemy do niego nieco czarnofioletowych kryształów nadmanganianu potasu KMnO4 (możemy go również zastąpić innym odczynnikiem, np. dwutlenkiem manganu MnO2, pochodzącym ze zużytego ogniwa galwanicznego). Od razu rozpoczyna się energiczny proces rozkładu perhydrolu. Zawartość kolby rozgrzewa się i zaczyna wrzeć, a z jej wylotu bucha strumień białego dymu pary wodnej oraz stałych produktów reakcji, imitujących sadzę wylatującą z komina lokomotywy. Przebiegającą reakcję zapiszemy za pomocą równania:

Bardziej dociekliwi Czytelnicy mogą zadać pytanie: jak możliwa jest reakcja pomiędzy dwoma znanymi utleniaczami, czyli manganianem(VII) potasu i nadtlenkiem wodoru? Wszak reagują ze sobą substancje różniące się charakterem chemicznym - utleniacz z reduktorem. Wyjaśnieniem mechanizmu procesu są stopnie utlenienia atomu tlenu, które przybiera on w tworzonych połączeniach. Mianowicie:

  • w stanie wolnym (dwuatomowa cząsteczka tlenu O2) stopień utlenienia jest równy 0;
  • w zwykłych tlenkach (np. MnO2): -II;
  • w nadtlenkach zawierających wiązanie pomiędzy atomami tlenu (np. H2O2): -I.

Ponieważ stopień utlenienia atomu tlenu w nadtlenku wodoru jest pośredni pomiędzy najwyższym występującym w cząsteczkowym tlenie (pomijając związki z fluorem, w których tlen przyjmuje formalny ładunek dodatni) i najniższym w tlenkach, związek ten może być zarówno utleniaczem, jak i reduktorem. Nadmanganian potasu (a ściślej: atom manganu(VII) w tym połączeniu) wykazuje znacznie silniejszy charakter utleniający niż tlen w H2O2 i dlatego perhydrol pełni w reakcji rolę reduktora. Po tym wyjaśnieniu wykonajmy jeszcze jedno doświadczenie.

W drugiej próbie otrzymamy chemiczną pastę do zębów i to od razu w ilościach, które wystarczyłyby do wymycia kłów słonia! Potrzebne do eksperymentu odczynniki również nie są trudno dostępne: 30% roztwór H2O2, dowolny płyn do mycia naczyń i dichromian(VI) potasu K2Cr2O7. Tym razem doświadczenie przeprowadzimy w wąskim cylindrze miarowym, który ukryjemy za makietą tubki pasty do zębów.

Do 20-25 cm3 perhydrolu umieszczonego w kolbie nalewamy nieco płynu do mycia naczyń. Zawartość kolby mieszamy i przelewamy do cylindra miarowego. Następnie do cylindra wsypujemy niewielką ilość pomarańczowych kryształów K2Cr2O7. Po chwili rozpoczyna się reakcja rozkładu perhydrolu, przebiegająca z wydzieleniem dużej ilości kolorowej piany efekt przypomina wyciskanie pasty z tubki. Również i w tym eksperymencie mamy do czynienia z reakcją utleniania nadtlenku wodoru za pomocą silniejszego od niego utleniacza - dichromianu(VI) potasu, zaś przebieg procesu możemy zapisać następująco:

Wydzielający się gazowy tlen powoduje spienienie płynu do mycia naczyń, zaś zabarwienie pianie nadają powstające związki chromu i produkty ich dalszych przemian w zasadowym środowisku reakcji.

Ze względu na swą widowiskowość przeprowadzone doświadczenia nieodmiennie wywołują podziw wśród obserwatorów, a gdy z pomysłem zaaranżowano ich scenografię - nawet i doświadczonych chemików. Mimo rozwoju nauki i techniki dla wielu widzów eksperymenty chemiczne są nadal sztuką tajemną. Zaprośmy ich więc na nasz chemiczny plener!

Chemia w sieci

W życiu każdego chemika zdarza się i tak, że trudno jest znaleźć rozwiązanie dręczącego problemu. Wtedy, w myśl zasady: ?kto pyta, nie błądzi?, zadaje on pytanie i (jeśli zrobił to w odpowiedni sposób) z reguły otrzymuje satysfakcjonującą odpowiedź. W dzisiejszych czasach ?wszechwiedzącym? źródłem informacji stał się Internet, ale i tam należy wiedzieć, gdzie najlepiej poprosić o wyjaśnienia.

Pierwszymi z owych miejsc są grupy dyskusyjne polskiego Usenetu, funkcjonujące pod adresami: pl.sci.chemia oraz alt.pl.chemia. Do czynnego udziału w dyskusji niezbędne jest odpowiednie skonfigurowanie naszego programu pocztowego oraz poznanie zasad sieciowego savoir-vivre, czyli netykiety (do wyszukania w sieci). Przed zadaniem pytania warto zapoznać się z odpowiedziami na te najczęściej pojawiające się na danej grupie, czyli tzw. FAQ (akronim angielskiego Frequently Asked Questions).

Dostęp do grup dyskusyjnych możliwy jest również poprzez przeglądarkę internetową. Adresy, pod którymi znajdziemy archiwum grupy i bieżące wątki dyskusji to: http://niusy.onet.pl/ oraz http://usenet.gazeta.pl/ (konieczne jest posiadanie konta pocztowego na danym portalu).

Oprócz list dyskusyjnych w Internecie funkcjonuje szereg stron mających charakter forum dyskusyjnego, na którym również możemy pytać. Niezbędnym wymogiem brania udziału w dyskusjach jest zarejestrowanie się na danej stronie. Przykładem forum chemicznego jest:

  • http://forum.vmc.org.pl/ - forum Vortalu młodego Chemika (jednym z działów forum jest Sklep, w którym pojawiają się oferty sprzedaży odczynników po naprawdę atrakcyjnych cenach);
  • http://www.chemicalforum.eu/ ;
  • http://www.naukowy.pl/chemia-vf4.htm - część portalu Polski Serwis Naukowy;
  • https://mlodytechnik.pl/forum - oczywiście forum ?Młodego Technika? z działem chemicznym.
Przeczytaj także
Magazyn