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!
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).
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 (Eo) 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.