Arbor Saturnus

Arbor Saturnus, czyli Drzewo Saturna

Pre­zen­to­wa­ne doświad­cze­nie to jed­no z tych, któ­re są bar­dzo wido­wi­sko­we ale … wyma­ga­ją tro­chę cier­pli­wo­ści. Idea tego poka­zu pole­ga na wymia­nie ato­mów meta­li: jeden rodzaj ato­mów prze­cho­dzi z fazy meta­licz­nej do roz­two­ru (ule­ga­jąc przy tym utle­nie­niu), a dru­gi prze­cho­dzi z roz­two­ru do posta­ci meta­licz­nej (ule­ga­jąc przy tym reduk­cji).

Wymia­na ta nastę­pu­je sto­sun­ko­wo powo­li dla­te­go też powsta­ją­ce krysz­ta­ły meta­lu mają czas na kry­sta­li­za­cję w wizu­al­nie efek­tow­ny  spo­sób; two­rzą się pięk­ne mono­krysz­ta­ły, któ­re niczym liście poja­wia­ją się na gałę­ziach drze­wa. W przy­pad­ku drze­wa Satur­na, utle­nie­niu ule­ga­ją ato­my cyn­ku (Zn), a reduk­cja doty­czy jonów oło­wiu (Pb²⁺).

Inte­re­su­ją­ce jest pocho­dze­nie nazwy doświad­cze­nia. Nie­któ­rzy twier­dzą, że zna­ne było już w kil­ka­set lat temu, gdy świa­tem Nauki rzą­dzi­li alche­mi­cy. Skąd to przy­pusz­cze­nie? Ano stąd, że nazwa Saturn była zwy­cza­jo­wo uży­wa­na na okre­śle­nie oło­wiu, głów­ne­go boha­te­ra niniej­sze­go doświad­cze­nia. Ponad­to, wszyst­kie skład­ni­ki były zasad­ni­czo dostęp­ne już 500 lat temu. Ist­nie­je duża szan­sa, że któ­ryś z żyją­cych wie­ki temu alche­mi­ków potra­fił zapro­jek­to­wać owo doświad­cze­ni.

Z całą pew­no­ścią, robi­ło pio­ru­nu­ją­ce wra­że­nie, bo … nadal robi!

Materiały:

• cynk (naj­le­piej blasz­ka)
• drut mosięż­ny
• octan ołowiu(II)
• woda desty­lo­wa­na
• bez­barw­ny lakier
• zlew­ka (lub sło­ik)
• ręka­wicz­ki i oku­la­ry
• szczyp­ce / kom­bi­ner­ki

• ocet (opcja)
• woda utle­nio­na (opcja)
• ołów meta­licz­ny (opcja)

Przygotowanie, wykonanie i uwagi:

UWAGA: Pra­ce zwią­za­ne z przy­go­to­wa­niem doświad­cze­nia wyma­ga­ją sto­so­wa­nia stę­żo­ne­go roz­two­ru octa­nu ołowiu(II) (CH₃COO)₂Pb. Ołów jest meta­lem cięż­kim i jego obec­ność w orga­ni­zmie, jak w przy­pad­ku więk­szo­ści meta­li cięż­kich jest bar­dzo szko­dli­wa dla­te­go pil­nuj aby Two­ja skó­ra nie mia­ła jakie­go­kol­wiek kon­tak­tu z roz­two­rem.  Jeśli takie ostrze­że­nie ogól­ne to za mało to dodam, że octan oło­wiu ma dzia­ła­nie sil­nie muta­gen­ne. Powo­du­je m. in. poważ­ne cho­ro­by ukła­du roz­rod­cze­go, a szcze­gól­nie nie­bez­piecz­ny jest dla kobiet w cią­ży, gdyż zatru­cie nim może dopro­wa­dzić do trwa­łych uszko­dzeń pło­du [Kar­ta Cha­rak­te­ry­sty­ki].

Przy­go­to­wa­nie roz­two­ru octa­nu ołowiu(II): No cóż, przy­go­to­wa­nie roz­two­ru z czy­ste­go octa­nu jest raczej pro­ste i pole­ga jedy­nie na roz­pusz­cze­niu odpo­wied­niej ilo­ści octa­nu ołowiu(II) w wodzie. Ile? Tyle aby roz­twór był dość moc­no stę­żo­ny, bo im bar­dziej będzie stę­żo­ny tym szyb­ciej poja­wiać się będą krysz­ta­łu oło­wiu i tym więk­sze będą rosnąć. Roz­pusz­czal­ność bez­wod­ne­go octa­nu ołowiu(II) w wodzie wyno­si oko­ło 44 g (zwy­kle jed­nak wystę­pu­je w posta­ci trój­wod­nej i wte­dy jego roz­pusz­czal­ność to oko­ło 55g). Ilość roz­two­ru, a zatem i masa potrzeb­ne­go octa­nu będą zale­żeć od wiel­ko­ści Two­je­go drzew­ka, a zatem od obję­to­ści naczy­nia w któ­rym umie­ścisz drzew­ko. Sto­sow­ną ilość octa­nu oblicz samo­dziel­nie na pod­sta­wie wie­dzy o roz­pusz­czal­no­ści (tu małe przy­po­mnie­nie: jeże­li roz­pusz­czal­ność wyno­si np. 44g ozna­cza to, że owe 44g roz­pusz­czą się cał­ko­wi­cie w 56g wody dając roz­twór nasy­co­ny; jeże­li roz­pusz­czal­ność wyno­si 55g to ozna­cza to, że owe 55g roz­pusz­czą się cał­ko­wi­cie w 45g wody dając roz­twór nasy­co­ny; itd.).

Przy­go­to­wa­nie (syn­te­za) octa­nu ołowiu(II): Jeże­li nie posia­dasz octa­nu oło­wiu, możesz go przy­go­to­wać samo­dziel­nie. W tym celu będziesz potrze­bo­wać ocet (zwy­kły, spi­ry­tu­so­wy, ze skle­pu), wodę utle­nio­ną (roz­twór 3% z apte­ki) oraz ołów (np. z odważ­ni­ków węd­kar­skich). Naj­pierw przy­go­tuj pojem­nik na mie­sza­ni­nę octu i wody utle­nio­nej; napeł­nij go mak­sy­mal­nie do poło­wy. Dodaj roz­drob­nio­ny ołów, możesz dodać wiór­ki ale łatwiej jest go roz­kle­pać młot­kiem i pociąć na małe kawa­łecz­ki nożycz­ka­mi. Następ­nie … cze­kaj. Reak­cja roz­twa­rza­nia oło­wiu będzie zacho­dzić dość dłu­go, a jeśli w miej­scu gdzie prze­pro­wa­dzasz reak­cję jest chłod­no to nawet bar­dzo dłu­go. Pod­grza­nie mie­sza­ni­ny reak­cyj­nej wydat­nie zwięk­szy jej szyb­kość. Suma­rycz­ny zapis reak­cji jest nastę­pu­ją­cy:

Pb(s) + H₂O₂(aq) + 2 H⁺(aq) → Pb²⁺(aq) + 2 H₂O(l)
Pb²⁺(aq) + 2 CH₃COO⁻(aq) → Pb(CH₃COO)₂(aq)

Zna­jo­mość suma­rycz­ne­go rów­na­nia reak­cji jest waż­na, bo pomo­że Ci usta­lić jakie ilo­ści octu wody utle­nio­nej oraz oło­wiu nale­ży ze sobą wymie­szać aby otrzy­mać pożą­da­ną ilość octa­ny ołowiu(II).

Przy­go­to­wa­nie drzew­ka z dru­tu: drzew­ko for­mu­je­my wedle wła­sne­go uzna­nia z dru­tu mosięż­ne­go. Dla­cze­go mosięż­ne­go? Dla­te­go, że mosiądz jest sto­pem, któ­ry poza mie­dzią zawie­ra też cynk. To wła­śnie ato­my cyn­ku będą prze­cho­dzić do roz­two­ru, a w ich miej­scu powsta­ną zaląż­ki kry­sta­li­za­cyj­ne, z któ­rych będą powsta­wać pięk­ne mono­krysz­ta­ły meta­licz­ne­go oło­wiu. Aby krysz­ta­ły poja­wia­ły się tyl­ko na gałąz­kach, “pień” i “grub­sze frag­men­ty” poma­luj bez­barw­nym lakie­rem np. do paznok­ci. W miej­scu gdzie będzie się znaj­do­wał lakier roz­twór nie będzie miał kon­tak­tu z mosią­dzem i tam drzew­ko pozo­sta­nie “zło­te”.

Aby dodat­ko­wo upięk­szyć drzew­ko, zain­sta­lu­je je na blasz­ce cyn­ko­wej, tak aby blasz­ka sta­no­wi­ła “grunt”, z któ­re­go wyra­sta drze­wo. Duża ilość cyn­ku szyb­ko przej­dzie do roz­two­ru, a w jego miej­sce poja­wią się drob­ne krysz­tał­ki błysz­czą­ce­go oło­wiu. (Blasz­kę cyn­ko­wą może łatwo zdo­być roz­mon­to­wu­jąc bate­rię “palusz­ka”. Pamię­taj tyl­ko, że musi to być bate­rią nie alka­licz­na, tyl­ko taka kla­sycz­na, z elek­tro­dą węglo­wą w środ­ku. Elek­tro­dy zacho­waj, przy­da­dzą Ci się w kil­ku doświad­cze­niach.)

Prze­pro­wa­dze­nie reak­cji: Gdy już zain­sta­lu­jesz i usta­bi­li­zu­jesz drzew­ko w zlew­ce / sło­iku, nalej roz­twór, zamknij szczel­nie i obser­wuj co się będzie dzia­ło. Pierw­sze wyraź­ne efek­ty poja­wią się już po kil­ku minu­tach, a całość reak­cji będzie trwa­ła do kil­ku godzin (w zależ­no­ści od obję­to­ści two­je­go pojem­ni­ka, tem­pe­ra­tu­ry oto­cze­nia no i oczy­wi­ście od stę­że­nia octa­nu oło­wiu w wodzie).

Wyjaśnienie, równania i wnioski:

Reak­cja, któ­ra zacho­dzi w naczy­niu nie jest szyb­ka ale na pew­no jest spon­ta­nicz­na i prze­bie­ga samo­rzut­nie. Ozna­cza to, że z ener­ge­tycz­ne­go punk­tu widze­nia, wymia­na jonów oło­wiu na jony cyn­ku “opła­ca się” ukła­do­wi. Taki trans­fer jonów z i do roz­two­ru ma miej­sce w sytu­acji gdy mamy do czy­nie­nia z dwo­ma meta­la­mi; jed­nym w fazie meta­licz­nej (sta­łej) dru­gim w posta­ci katio­nów. Otóż wszyst­kie meta­le da się podzie­lić na te mniej i te bar­dziej aktyw­ne; sys­te­ma­tycz­ny podział opie­ra się na porów­na­niu poten­cja­łów stan­dar­do­wych (E^o) w odnie­sie­niu do poten­cja­łu stan­dar­do­we­go elek­tro­dy wodo­ro­wej.

Takie zesta­wie­nie pier­wiast­ków che­micz­nych o wła­ści­wo­ściach meta­licz­nych wzglę­dem rosną­cych poten­cja­łów stan­dar­do­wych nazy­wa się sze­re­giem elek­tro­che­micz­nym meta­li. Brzmi trud­no. Co to wła­ści­wie ozna­cza w prak­ty­ce? Otóż im dany metal ma mniej­szy poten­cjał tym jest aktyw­niej­szy, dla­te­go sze­reg ten roz­po­czy­na­ją lit, sód, potas, a koń­czą sre­bro, rtęć i zło­to:

Li K Na Ca Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H Sb Bi Cu Ag Hg Pt Au

Co wię­cej, bar­dziej aktyw­ny metal wypie­ra (zazwy­czaj) metal mniej aktyw­ny z roz­two­ru jego soli, choć ist­nie­ją wyjąt­ki. Pod­sta­wo­wy wyją­tek doty­czy litow­ców i bery­low­ców, któ­re nie wypie­ra­ją innych meta­li z wod­nych roz­two­rów; pierw­szeń­stwo ma bowiem reak­cja z wodą pro­wa­dzą­ca do otrzy­ma­nia wodo­ro­tlen­ków przy czym nale­ży pamię­tać, że magnez i beryl (któ­re reagu­ją z wodą na gorą­co), mogą wypie­rać w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej inne meta­le z roz­two­ru i robią to. Inny wyją­tek doty­czy gli­nu; glin nie wypie­ra jonów mie­dzi (Cu²⁺) czy żela­za (Fe²⁺) z roz­two­ru ich soli, jesteś w sta­nie powie­dzieć dla­cze­go?

W przy­pad­ku nasze­go “Drze­wa Satur­na” jony wypie­ra­ne z roz­two­ru to oczy­wi­ście jony oło­wiu Pb²⁺, któ­re zastę­po­wa­ne są przez jony Zn²⁺. W efek­cie, miej­sce meta­licz­ne­go cyn­ku zaj­mu­je meta­licz­ny ołów, a miej­sce roz­twór octa­nu ołowiu(II) zaj­mu­je octan cynku(II). Reak­cje prze­bie­ga tak dłu­go, aż cały cynk zosta­nie zuży­ty lub tak dłu­go aż cały ołów w roz­two­rze przej­dzie do fazy meta­licz­nej (w naszym przy­pad­ku, zdrow­sza dla śro­do­wi­ska jest opcja dru­ga dla­te­go war­to dodać nad­miar cyn­ku aby bez­piecz­nie móc pozbyć się pozo­sta­ło­ści po reak­cji).

Opra­co­wa­nie opi­su: Patryk Zale­ski-Ejgierd © |  Źró­dło: J. Chem. Edu­ca­tion, 44, 417 (1967) | Zdję­cia: Jere­miah Flet­cher © Podzię­ko­wa­nia za uwa­gi: dr Tatia­na Koro­na.