Rdzawy deszcz

Żelazo piroforyczne

Wie­le rze­czy jest pal­nych bo wie­le sub­stan­cji, z któ­rych się skła­da­ją jest sko­re do reago­wa­nia z tle­nem. W więk­szo­ści przy­pad­ków pal­ność sub­stan­cji oce­nia­my intu­icyj­nie: mówi­my, że są po pro­stu pal­ne albo nie­pal­ne. Ale … jeśli zapy­tam, czy papier się pali? Odpo­wiesz, że tak. A ben­zy­na? Jasne, że się pali! A żela­zo? Co to za pyta­nie, pomy­ślisz. Każ­dy wie, że żela­zo jest nie­pal­ne! Masz rację, ale… nie do koń­ca. Spy­tasz więc pew­nie: Jak to?

Zanim odpo­wiem zasta­nów­my się naj­pierw czym jest cała ta “pal­ność” i “spa­la­nie”. Otóż spa­la­nie to nic inne­go jak gwał­tow­ne utle­nia­nie. Gdy coś się spa­la nazy­wa­my to coś pali­wem. Sub­stan­cje zawar­te w pali­wie (wszyst­kie lub tyl­ko wybra­ne skład­ni­ki) wcho­dzą w reak­cję z utle­nia­czem przy czym pro­ce­so­wi temu towa­rzy­szy wydzie­la­nie się dużej ilo­ści ener­gii, zazwy­czaj zarów­no na spo­sób cie­pła jak i świa­tła (inny­mi sło­wy, wydzie­la się spo­ro pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­ne­go w zakre­sie, odpo­wied­nio, pod­czer­wie­ni i w zakre­sie widzial­nym).

DO PRZEMYŚLENIA: Zwy­cza­jo­wo przy­ję­ło się mówić, że sub­stan­cje palą się w tle­nie. Tlen jest wszę­do­byl­skim utle­nia­czem; rze­czy­wi­ście jest nie­zbęd­ny aby dana sub­stan­cja mogła się zapa­lić i osta­tecz­nie spa­lić. Bez dostę­pu do tle­nu świecz­ka szyb­ko prze­sta­je się palić, a ogień gaśnie. Ale… czy aby na pew­no tlen jest nie­zbęd­ny? A może moż­na go zastą­pić czymś innym? Innym gazem, któ­ry też będzie pod­trzy­my­wać pale­nie? Jakie wła­ści­wo­ści musiał­by taki gaz posia­dać? Czy da się spa­lić np. sód w nie-tle­nie? Zasta­nów się! 

No dobrze. To co z tym spa­la­niem żela­za. Wie­my już, że spa­la­nie to gwał­tow­ne utle­nia­nie. Jeśli zatem teraz zapy­tam Cię czy moż­na spa­lić żela­zo, zasta­no­wisz się pew­nie chwi­lę i odpo­wiesz: To zale­ży w jakieś posta­ci! Otóż to!

Spa­lić gwóźdź w powie­trzu to rzecz nie­by­wa­ła. Spa­lić go nawet w czy­stym tle­nie będzie raczej trud­no, ale spa­lić cien­ką żela­zną wstąż­kę da się bez więk­sze­go pro­ble­mu. Żela­zo, któ­re jest odpo­wied­nio roz­drob­nio­ne nazy­wa się żela­zem “piro­fo­rycz­nym”. Odro­bi­na tak spre­pa­ro­wa­ne­go żela­za reagu­ją­ca z tle­nem z powie­trza będzie skut­ko­wać kaska­da­mi ogni­ste­go desz­czu.

Doświad­cze­nie to dosko­na­le ilu­stru­je, że roz­drob­nie­nie może mieć kolo­sal­ny wpływ na prze­bieg wie­lu reak­cji che­micz­nych (a tak­że pro­ce­sów fizycz­nych, tak jak np. w przy­pad­ku zmian w szyb­ko­ści roz­pusz­cza­nia w zależ­no­ści od stop­nia roz­drob­nie­nia).

Roz­drab­niać moż­na jed­nak dłu­go ale nie bez koń­ca. W pew­nym momen­cie tnąc i dzie­ląc kawa­łek żela­za doj­dzie­my do takie­go roz­drob­nie­nia, że zosta­ną nam poje­dyn­cze ato­my… co wte­dy? No cóż …. sprawdź­my!!!

Materiały:

  • szcza­wian żelaza(II)
  • pro­bów­ka lub kolb­ka
  • łapa drew­nia­na
  • pal­nik gazo­wy
  • kar­to­ny ochron­ne
  • wata baweł­nia­na

 

  • kwas szcza­wio­wy [wiki]
  • siarczan(VI) żelaza(II) [wiki]
  • chlo­rek żelaza(II) [wiki]

Przygotowanie, wykonanie i uwagi:

Żela­zo w posta­ci piro­fo­rycz­nej to żela­zo w posta­ci dosłow­nie ato­mo­wej (w posta­ci nie­sa­mo­wi­cie drob­ne­go prosz­ku). W takiej posta­ci żela­zo utle­nia się w kon­tak­cie z tle­nem natych­mia­sto­wo. Idea poka­zu pole­ga na przy­go­to­wa­niu okre­ślo­nej ilo­ści żela­za piro­fo­rycz­ne­go, a następ­nie na szyb­kim, ener­gicz­nym wysy­pa­niu go z pro­bów­ki (lub kolb­ki) z dużej wyso­ko­ści na pod­ło­gę (odpo­wied­nio zabez­pie­czo­ną np. kar­to­na­mi). Spa­da­ją­ce żela­zo będzie się nie tyle co utle­niać, ale wido­wi­sko­wo spa­lać two­rząc kaska­dy poma­rań­czo­wych iskier. Powsta­nie ogni­sty, rdza­wy deszcz!

Naj­prost­szym spo­so­bem otrzy­ma­nia piro­fo­rycz­ne­go żela­za jest ter­micz­ny roz­kład szcza­wia­nu żelaza(II), FeC2O4. W cza­sie ogrze­wa­nia szcza­wian roz­kła­da się na dwa pro­duk­ty: gazo­wy dwu­tle­nek węgla oraz wła­śnie żela­zo. Reak­cja zacho­dzi zgod­nie z rów­na­niem:

FeC2O4 Fe + 2CO2

.

Otrzy­ma­nie żela­za piro­fo­rycz­ne­go: zacznij od napeł­nie­nia oko­ło 1/4 pro­bów­ki szcza­wia­nem żelaza(II). Zwróć uwa­gę na jego kolor (powi­nien być żółty/żółtawy). Umieść pro­bów­kę w łapie, zatkać wylot małym kłęb­kiem waty (baweł­nia­nej) i zacznij całość ogrze­wać, na począt­ku deli­kat­nie, póź­niej inten­syw­nie.

Pod­czas ogrze­wa­nia wyko­nuj koli­ste ruchy pro­bów­ką tak, aby pło­mień nie ogrze­wał tyl­ko jed­ne­go miej­sca. Cho­dzi o to, aby nie prze­grzać mie­sza­ni­ny punk­to­wo. Wydzie­la­ją­cy się inten­syw­nie dwu­tle­nek węgla może bowiem dopro­wa­dzić do wyrzu­ce­nia szcza­wia­nu z pro­bów­ki, a tego nie chce­my.  Punk­to­we prze­grza­nie może też dopro­wa­dzić do pęk­nię­cia pro­bów­ki (lub kolb­ki) i roz­sy­pa­nia sub­stan­cji, a tego też nie chce­my; przy­naj­mniej na razie!

Po nie­dłu­gim cza­sie, żół­ta bar­wa zacznie ciem­nieć, a w miej­scach, gdzie tem­pe­ra­tu­ra osią­gnie war­tość roz­kła­du szcza­wia­nu poja­wią się ciem­ne, wręcz czar­ne obsza­ry. To powsta­ją­ce żela­zo. W wyni­ku zacho­dzą­cej reak­cji ana­li­zy — roz­kła­du — osta­tecz­nie cała sól żela­za ule­gnie prze­mia­nie w czy­ste żela­zo. Roz­kład zacho­dzi oczy­wi­ście na pozio­mie mole­ku­lar­nym, więc powsta­ją­ce żela­zo będzie roz­drob­nio­ne dosłow­nie na pozio­mie ato­mo­wym.

Cały okres przy­go­to­wa­nia trwa kil­ka minut, a sam pokaz pole­ga na wyję­ciu zatycz­ki z waty baweł­nia­nej oraz deli­kat­nym wysy­pa­niu gorą­ce­go jesz­cze prosz­ku z wyso­ko­ści oko­ło 2–3 metrów (moż­na np. sta­nąć na krze­śle, a pod­czas wysy­py­wa­nia żela­za nale­ży wstrzą­sać pro­bów­ką i ruszać nią na boki).

UWAGA: Żela­zo w momen­cie kon­tak­tu z tle­nem atmos­fe­rycz­nym zacznie natych­miast się palić, cze­mu poza efek­tow­ny­mi kaska­da­mi iskier towa­rzy­szy spo­ro wydzie­la­ją­ce­go się cie­pła.  Dla­te­go nale­ży zadbać po pierw­sze o wła­sne bez­pie­czeń­stwo (pro­szek nie może Was obsy­pać, spo­wo­du­je na pew­no opa­rze­nia lub dziu­ry w ubra­niach) oraz po dru­gie nale­ży zabez­pie­czyć powierzch­nię, na któ­rą będzie wysy­py­wa­ny (np. za pomo­cą kar­to­nów czy tek­tu­ry; moż­na zasto­so­wać też folię alu­mi­nio­wą, nato­miast folie z two­rzyw sztucz­nych nie nada­ją się do tych celów bo łatwo ule­gną sto­pie­niu).

Wyjaśnienie, równania i wnioski:

Pod­czas ogrze­wa­nia w pro­bów­ce zacho­dzi reak­cja ter­micz­ne­go roz­kła­du szcza­wia­ny żelaza(II). Reak­cja zacho­dzi zgod­nie z rów­na­niem reak­cji:

Fe2C2O4(s) ->  2Fe(s) + 2CO2(g)

W trak­cie ogrze­wa­nia pro­bów­ki / kolb­ki zauwa­ży­łeś zmia­nę bar­wy praw­da? Roz­kład zacho­dzi dość szyb­ko, dla­te­go żół­ta bar­wa zani­ka “w oczach”, a w pro­bów­ce zosta­je osta­tecz­nie tyl­ko czar­ny pro­szek. W trak­cie ogrze­wa­nia moż­na zauwa­żyć, że cała prób­ka nie­ja­ko się gotu­je (wrze). To złud­ne wra­że­nie, któ­re jest wyni­kiem powsta­wa­nia dużych ilo­ści gazo­we­go dwu­tlen­ku węgla. Wydzie­la się on szcze­gól­nie inten­syw­nie u dołu pro­bów­ki i prze­cho­dząc ku wylo­to­wi, wzru­sza nie­prze­re­ago­wa­ny szcza­wian. Całość wyglą­da jak­by się rze­czy­wi­ście goto­wa­ła. Wła­ści­wie jest to bar­dzo korzyst­ne z punk­tu widze­nia przy­go­to­wań. Prób­ka nie­ja­ko sama dokład­nie się mie­sza, przez co roz­kład jest bar­dziej jed­no­rod­ny w całej obję­to­ści. Dodat­ko­wo, dwu­tle­nek węgla dzia­ła ochron­nie na powsta­łe piro­fo­rycz­ne żela­zo. Jego obec­ność unie­moż­li­wia kon­takt z powie­trzem (czy­taj: tle­nem) przez co prób­ka jest sta­bil­na, aż do momen­tu demon­stra­cji.

Co dzie­je się po wysy­pa­niu żela­za np. na pod­ło­gę? Zacho­dzi gwał­tow­na reak­cja spa­la­nia i powsta­je żela­zny, ogni­sty desz­cze. For­mal­nie zatem żela­zo gwał­tow­nie utle­nia się. Wiesz na pew­no, że ist­nie­nie kil­ka tlen­ków żela­za, ale ten któ­ry powsta­je w trak­cie tego “żela­zne­go desz­czu” to po pro­stu rdza, Fe2O3. Z całą pew­no­ścią dostrze­żesz to tu to tam obec­ność bru­nat­ne­go pyłu. Całe żela­zo wido­wi­sko­wo spło­nę­ło zatem zgod­nie z rów­na­niem reak­cji:

4Fe + 3O2 -> 2Fe2O3

Na koniec jesz­cze raz pamię­taj: nie wol­no Ci wejść w kon­takt z piro­fo­rycz­nym żela­zem, gro­zi to popa­rze­niem. Nie zapo­mnij o oku­la­rach i o tym, aby przy­ciem­nić pomiesz­cze­nie w trak­cie poka­zów!

Opra­co­wa­nie opi­su: Patryk Zale­ski-Ejgierd ©

Preparatyka (opcjonalna):

Otrzy­my­wa­nie szcza­wia­nu żela­za: Szcza­wian żelaza(II) otrzy­masz w wyni­ku reak­cji zacho­dzą­cej w roz­two­rze roz­pusz­czal­nej soli żelaza(II) oraz kwa­su szcza­wio­we­go. Szcza­wian żelaza(II) jest solą trud­no roz­pusz­czal­ną , w związ­ku czym w mia­rę doda­wa­nia kolej­nych por­cji kwa­su szcza­wio­we­go do roz­two­ru, będzie się wytrą­cał z nie­go w posta­ci osa­du.

W celu przy­go­to­wa­nia roz­two­ru zawie­ra­ją­ce­go jony Fe2+, użyj soli, któ­ra jest po pierw­sze dobrze roz­pusz­czal­na, a po dru­gie i po trze­cie łatwo dostęp­na i tania. Dobrym wybo­rem będzie zasto­so­wa­nie chlor­ku żelaza(II), FeCl2, lub siarczanu(VI) żelaza(II), FeSO4.

Skró­co­ny zapis reak­cji strą­ca­nia ma zatem postać (pomi­jam tu jony chlor­ko­we / siarczanowe(VI), gdyż te pozo­sta­ją nadal w roz­two­rze):

Fe2+(aq.) + C2O22-(aq.) -> FeC2O4(s)

Po strą­ce­niu osa­du pozo­sta­je tyl­ko prze­myć go kil­ku­krot­nie wodą, dokład­nie wysu­szyć, a następ­nie sprosz­ko­wać (świet­nie do tego nada­je się np. sta­ry mły­nek do kawy). Two­ja por­cja szcza­wia­nu żelaza(II) jest goto­wa! Uda­nych doświad­czeń!

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.