Burza w probówce

Wstęp, czyli o doświadczeniu:

Utle­nia­nie — to zja­wi­sko sta­no­wi fun­da­ment doświad­cze­nia zwy­cza­jo­wo nazy­wa­ne­go “Burza w Pro­bów­ce”. Czym jest utle­nia­nie? W ogól­no­ści utle­nia­nie odno­si się zawsze do jakiejś reak­cji che­micz­nej. Co wię­cej takiej reak­cji utle­nia­nia musi towa­rzy­szyć kom­ple­men­tar­na reak­cja reduk­cji. No dobrze, a o co cho­dzi z tymi reak­cja­mi utle­nia­nia i reduk­cji, zapy­tasz.

Reak­cja utle­nia­nia to taka, w któ­rej atom pew­ne­go pier­wiast­ka wcho­dzą­ce­go w skład jed­ne­go z sub­stra­tów prze­cho­dzi z niż­sze­go stop­nia utle­nie­nia na wyż­szy, tj. pod­wyż­sza swój sto­pień utle­nia­nia. Aby atom mógł zmie­nić sto­pień utle­nia­nia na wyż­szy musi rzecz jasna oddać elek­tron. Kom­ple­men­tar­na reak­cja reduk­cji musi zatem prze­bie­gać w ten spo­sób, że atom pew­ne­go pier­wiast­ka wcho­dzą­cy w skład jed­ne­go z sub­stra­tów obni­ża swój sto­pień utle­nia­nia, a zatem, przyj­mu­je jeden elek­tron (lub elek­tro­ny).  Ilość elek­tro­nów i suma­rycz­na zmia­na stop­ni utle­nia­nia musi się oczy­wi­ście bilan­so­wać. Parę kom­ple­men­tar­nych reak­cji połów­ko­wych, tj. reak­cji utle­nia­nia i reduk­cji nazy­wa­my suma­rycz­nie reak­cja­mi redoks.

DO PRZEMYŚLENIA: Nie każ­da reak­cja che­micz­na jest reak­cją redoks. Czy możesz zapro­po­no­wać reak­cją, któ­ra nią nie jest? Czy będzie to któ­raś z reak­cji spa­la­nia? A może jakaś z reak­cji zobo­jęt­nia­nia lub jakaś reak­cja strą­ca­nia nie­roz­pusz­czal­nej soli? Jak myślisz? 

Wra­ca­jąc do nasze­go doświad­cze­nia. Nale­ży ono do kate­go­rii: “Cał­kiem faj­ne i wido­wi­sko­we, acz … nie­co trud­ne do wytłu­ma­cze­nia” wła­śnie z powo­du mecha­ni­zmu redoks rzą­dzą­ce­go tym co się będzie dzia­ło w tytu­ło­wej pro­bów­ce. Nie ma jed­nak rze­czy nie­moż­li­wych. Spró­bu­je­my wszyst­ko wyja­śnić ale naj­pierw wyko­naj­my doświad­cze­nie!

Materiały:

  • KMnO4, manganian(VII) pota­su [wiki]
  • stę­żo­ny kwas siarkowy(VI), 98% [wiki]
  • alko­hol ety­lo­wy (lub mety­lo­wy) [wiki]
  • pro­bów­ka lub mały cylin­de­rek
  • drew­nia­na łapa (opcjo­nal­nie)
  • zlew­ka na wodę z kra­nu
  • bagiet­ka szkla­na do nale­wa­nia

Przygotowanie, wykonanie i uwagi:

Przy­go­to­wu­je­my naj­pierw pro­bów­kę. Musi byś czy­sta i sucha. Umiesz­cza­my ją w sta­ty­wie, łapie, uchwy­cie; naj­le­piej tak aby zawar­tość była dobrze widocz­na dla innych. Do pro­bów­ki nale­wa­my ostroż­nie 5 ml stę­żo­ne­go H2SO4 (96%); nale­ży to zro­bić tak aby kwas nie zwil­żył ścia­nek. Naj­le­piej zro­bić to za pomo­cą pipe­ty albo napeł­nić pro­bów­kę “po kro­pel­ce”.

Na powierzch­nię  kwa­su siarkowego(VI) bar­dzo deli­kat­nie, powo­li i ostroż­nie nale­wa­my 5 ml alko­ho­lu. Alko­hol może być dowol­ny, zarów­no eta­nol jak i meta­nol będzie reago­wać podob­nie. Alko­hol mus być jed­nak moż­li­wie bez­wod­ny. Tanim i dostęp­nym sub­sty­tu­tem może być dena­tu­rat. Zasto­so­wa­nie dena­tu­ra­tu pozwa­la lepiej zade­mon­stro­wać for­mo­wa­nie się gra­ni­cy faz (z racji bar­wy ale jeśli ktoś chce się pozbyć fio­le­to­we­go zaba­wie­nia dena­tu­ra­tu moż­na go prze­fil­tro­wać przez węgiel aktyw­ny).

Nie­za­leż­nie od wybra­ne­go alko­ho­lu, pra­wi­dło­wo przy­go­to­wa­na pro­bów­ka powin­na zawie­rać dwie nie­wy­mie­sza­ne cie­cze oddzie­lo­ne mniej lub bar­dziej dostrze­gal­ną gra­ni­cą faz. Alko­hol znaj­du­ję się w fazie gór­nej, kwas w dol­nej. Róż­ni­ca w gęsto­ści (ponad dwu­krot­na) jest bar­dzo duża jak na cie­cze więc gra­ni­ca jest dość sta­bil­na i odpor­na na zabu­rze­nia.

Demon­stra­cję roz­po­czy­na­my wrzu­ca­jąc do pro­bów­ki 1 krysz­ta­łek KMnO4. Na począt­ku jeden wystar­czy, póź­niej moż­na dosy­pać kolej­ne (kil­ka, a nawet kil­ka­na­ście; war­to dosy­py­wać krysz­tał­ki mały­mi por­cja­mi co pewien czas). Pierw­szy krysz­ta­łek powi­nien zatrzy­mać się wyraź­nie na gra­ni­cy faz. Jeśli opad­nie zupeł­nie na dno nale­ży wrzuć kolej­ny.

Nie­mal od razu w pro­bów­ce poja­wią się pierw­sze efek­ty, zarów­no świetl­ne jak i dźwię­ko­we. W pierw­szych chwi­lach reak­cji moż­na zaob­ser­wo­wać pęche­rzy­ki wydzie­la­ją­ce­go się gazu. Czy wiesz jakie­go? Z cza­sem w pro­bów­ce zaczną poja­wiać się nowe kolo­ry, a całość lek­ko ściem­nie­je i wte­dy — jeśli to moż­li­we — war­to przy­ga­sić świa­tło aby lepiej obser­wo­wać poja­wią­ją­ce się “bły­ska­wi­ce” w naszej che­micz­nej, tytu­ło­wej burzy.

Wyjaśnienie, równania i wnioski:

Dla­cze­go wła­ści­wie for­mu­je się gra­ni­ca faz? Roz­war­stwie­nie się obu cie­czy jest moż­li­we dzię­ki dużej róż­ni­cy w gęsto­ści obu sub­stan­cji. W przy­pad­ku meta­no­lu, jego znacz­nie mniej­sza gęstość (ρ = 0.79 g/ml) w sto­sun­ku do gęsto­ści stę­żo­ne­go kwa­su siarkowego(VI)  (ρ = 1.83 g/ml) umoż­li­wia umiesz­cze­nie alko­ho­lu na powierzch­ni kwa­su.

Krysz­tał­ki manganian(VII) pota­su doda­ne do pro­bów­ki z kwa­sem siarkowym(VI) i alko­ho­lem, zatrzy­mu­ją się na gra­ni­cy faz tych dwóch cie­czy. Oka­zu­je się, że prze­bieg całej reak­cji jest dość zło­żo­ny. Począt­ko­wo manganian(VII) pota­su reagu­je z kwa­sem siarkowym(VI) zgod­nie z rów­na­niem suma­rycz­nym:

H2SO4(st.) +  2KMnO4 → K2SO4 + Mn2O7 + H2O

W wyni­ku tej reak­cji powsta­je tle­nek manganu(VII) o wzo­rze suma­rycz­nym Mn2O7, któ­ry two­rzy wyraź­nie dostrze­gal­ne zie­lo­ne smu­gi będą­ce wyni­kiem roz­pusz­cza­nia w trak­cie opa­da­nia na dno pro­bów­ki lub cylin­der­ka. Ów tle­nek manganu(VII) jest związ­kiem nie­trwa­łym i w tem­pe­ra­tu­rze ok. 55 oC ule­ga reak­cji roz­kła­du do tlen­ku manganu(IV) i tle­nu. Jeśli się dobrze przyj­rzysz pro­bów­ce z bli­sko to być może nawet dasz radę zaob­ser­wo­wać pęche­rzy­ki uwal­nia­ne­go tle­nu. Reak­cję roz­kła­du Mn2O7 moż­na opi­sać rów­na­niem suma­rycz­nym:

2Mn2O→ 4MnO2 + 3O2

Na pew­no uda­ło Ci się też zaob­ser­wo­wać wyraź­nie bru­nat­ną bar­wę cze­goś co powsta­ję w pobli­żu gra­ni­cy faz. To powsta­ją­cy tle­nek manganu(IV) – MnO2. Aby reak­cja zaszła wyma­ga­ne jest prze­kro­cze­nie pew­nej barie­ry ener­ge­tycz­nej, a zatem uzy­ska­nie odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tu­ry. Jest to dość pro­ste bo samo nawet mie­sza­nie stę­żo­ne­go kwa­su z alko­ho­lem gene­ru­je spo­ro cie­pła. WAŻNE: reak­cja w pierw­szej fazie zacho­dzi sto­sun­ko­wo wol­no, a dopie­ro z cza­sem nabie­ra impe­tu. Nie dosy­puj więc zbyt wie­lu krysz­tał­ków aby reak­cja nie prze­bie­gła zbyt gwał­tow­nie (pamię­taj, że alko­hol w gór­nej war­stwie jest pal­ny).

To jed­nak nie koniec histo­rii. Powsta­ły w wyni­ku tej reak­cji tlen utle­nia bowiem alko­hol, cze­mu towa­rzy­szą poja­wia­ją­ce się na gra­ni­cy faz iskry i cha­rak­te­ry­stycz­ne trza­ski. Tu poda­je­my przy­kład zacho­dzą­cej reak­cji z udzia­łem meta­no­lu:

2CH3OH + 3O22CO2 + 4H2O

Powie­dzia­łem iskry praw­da? Dokład­nie tak. Gdzieś na gra­ni­cy faz mię­dzy dwo­ma cie­cza­mi powsta­je na krót­ką chwi­lę otwar­te źró­dło ognia! Nale­ży zatem szcze­gól­nie uwa­żać. Dla­cze­go? Ano dla­te­go, że taka iskra mogła­by zapa­lić alko­hol! Jest jak naj­bar­dziej moż­li­we aby zaszła reak­cja spa­la­nia alko­ho­lu z udzia­łem tle­nu z powie­trza. Może się tak zda­rzyć zwłasz­cza pod­czas opróż­nia­nia pro­bów­ki. W trak­cie trwa­nia doświad­cze­nia jest to raczej mało praw­do­po­dob­ne jed­nak nale­ży pamię­tać o takim zagro­że­niu.

Wymie­nio­ne reak­cje nadal nie opi­su­ją w peł­ni co dzie­je się w pro­bów­ce. Dodat­ko­wo zacho­dzą na pew­no pro­ce­sy utle­nia­nia alko­ho­lu przez KMnO4 i Mn2O7, każ­dy z tych związ­ków jest bowiem sil­nym utle­nia­czem. W wyni­ku tych reak­cji na pew­no powsta­ją kwas mrów­ko­wy (z meta­no­lu) lub kwas octo­we­go (z eta­no­lu) oraz spo­ra ilość innych, mniej lub bar­dziej dziw­nych pro­duk­tów.

NA KONIEC: Uwa­żaj pra­cu­jąc z kwa­sem siarkowym(VI). Po zakoń­cze­niu demon­stra­cji zostaw całość na pół godzi­ny tak aby cały manganian(VII) prze­re­ago­wał. Nie wyle­waj mie­sza­ni­ny gdy widać bły­ski i sły­chać trza­ski. Mogło­by to dopro­wa­dzić do zapło­nu alko­ho­lu.

Opra­co­wa­nie opi­su: Patryk Zale­ski-Ejgierd © | Źró­dło zdjęć: Mło­dy Tech­nik ©

Produkty dostępne w naszym sklepie:

Chcesz być na bieżąco z nowymi pokazami i projektami? Nic prostszego, polub naszą stroną na Facebooku!

Z góry dziękujemy 🙂

Updating…
  • Brak produktów w koszyku.