Wybuchowa synteza ZnS

Są takie doświad­cze­nia, któ­re wyma­ga­ją sto­so­wa­nia dość zło­żo­nych sub­stra­tów i są takie, w któ­rych sub­stra­ty są tak pro­ste jak to moż­li­we, czy­li w posta­ci pier­wiast­ko­wej. Syn­te­za siarcz­ku cyn­ku wyma­ga wła­śnie tych bar­dzo pro­stych sub­stan­cji: meta­licz­ne­go, sprosz­ko­wa­ne­go cyn­ku oraz sprosz­ko­wa­nej siar­ki. Pokaz — demon­stra­cja — sam w sobie jest nie­zwy­kle pro­sty, pole­ga na zaini­cjo­wa­niu reak­cji syn­te­zy za pomo­cą wstąż­ki magne­zo­wej i… obser­wa­cji! W wyni­ku sil­nie egzo­ter­micz­nej reak­cji, zacho­dzą­cej w spo­sób mniej lub bar­dziej eks­plo­zyw­ny powsta­je nowa sub­stan­cja, tytu­ło­wy siar­czek cyn­ku. Całość prze­bie­ga w oka­mgnie­niu przy akom­pa­nia­men­cie bły­sków, dymu i pokaź­nej ilo­ści cie­pła!

Materiały:

• cynk (pro­szek)
• siar­ka (pro­szek)
• parow­ni­ca
• trój­nóg
• meta­lo­wa taca
• szczyp­ce
• wstąż­ka magne­zo­wa
• bagiet­ka / łyż­ka

Przygotowanie, wykonanie i uwagi:

Przy­go­to­wa­nie mie­sza­ni­ny reak­cyj­nej: mie­sza­ni­na skła­da się z dwóch skład­ni­ków, cyn­ku oraz siar­ki. Przy­go­to­wa­nie pole­ga na niczym innym jak ostroż­nym zmie­sza­niu obu skład­ni­ków. Poja­wia się tyl­ko jed­no pyta­nie: w jakich pro­por­cjach nale­ży zmie­szać cynk i siar­kę? Aby odpo­wie­dzieć na to pyta­nie zapisz­my naj­pierw suma­rycz­ne rów­na­nie reak­cji che­micz­nej:

Zn(s) + S(s) -> ZnS

Zatem, siar­ka i cynk reagu­ją w sto­sun­ku molo­wym 1:1. W takim razie, zapisz­my szyb­ko masę jego mola ato­mów siar­ki oraz masę jed­ne­go mola ato­mów cyn­ku. Wyno­szą one odpo­wied­nio: 32,06 oraz 65,38 g. Ozna­cza to, że aby mie­sza­ni­na była “opty­mal­na” (mie­sza­ni­na ste­chio­me­trycz­na), nale­ży zmie­szać 32 g siar­ki oraz 65 gra­mów cyn­ku. Do naszych celów, celów poka­zo­wych zasto­su­je 10% poda­nych ilo­ści. A zatem zmie­szaj 3,2g siar­ki oraz 6,5g sprosz­ko­wa­ne­go cyn­ku.

Mie­sza­nie wyko­naj ostroż­nie. Sucha mie­szan­ka nie jest co praw­da bar­dzo wraż­li­wa na bodź­ce mecha­nicz­ne ale jest to rodzaj mie­sza­ni­ny piro­tech­nicz­nej, a co za tym idzie nale­ży zacho­wać szcze­gól­ną ostroż­ność. Na pew­no nie wol­no mie­sza­ni­ny ucie­rać w moź­dzie­rzu ani innym chro­po­wa­tym pojem­ni­ku. Sub­stra­ty muszą być sprosz­ko­wa­ne osob­no i dopie­ro wte­dy wymie­sza­ne. Dobrym pomy­słem jest zasto­so­wa­nie siar­ki sub­li­mo­wa­nej, dostęp­nej w wie­lu apte­kach. Jej nie­zwy­kle sub­tel­na postać nada­ję się wręcz ide­al­nie. Mie­sza­ni­nę umieść w parow­ni­cy lub meta­lo­wej pusz­ce (doświad­cze­nie wyko­na­ne w parow­ni­cy na pew­no wyglą­da bar­dziej ele­ganc­ko, ale bądź przy­go­to­wa­ny, że taka parow­ni­ca może pęk­nąć).

Prze­pro­wa­dze­nie poka­zu: Reak­cje syn­te­zy ini­cju­je się naj­ła­twiej za pomo­cą pło­ną­cej wstąż­ki magne­zo­wej. Naj­bez­piecz­niej jest umie­ścić dłuż­szy kawa­łek takiej wstąż­ki w mie­szan­ce, pod­pa­lić go i szyb­ko się odda­lić na bez­piecz­ną odle­głość. Reak­cja syn­te­zy ZnS jest bar­dzo egzo­ter­micz­na! Zacho­dzi bły­ska­wicz­nie i trwa tyl­ko kil­ka chwil; jest za to nie­zwy­kle wido­wi­sko­wa!

Uwa­ga: reak­cja prze­bie­ga w zasa­dzie wybu­cho­wo. Powsta­ją­cy siar­czek cyn­ku powsta­je począt­ko­wo w fazie gazo­wej co ozna­cza, że w powie­trze wzbi­ja się spo­ra ilość roz­grza­ne­go do wyso­kiej tem­pe­ra­tu­ry mate­ria­łu. Siłą rze­czy, mate­riał ten na coś opad­nie dla­te­go zadbaj aby była to duża meta­lo­wa taca albo kar­ton. 

Wyjaśnienie, równania i wnioski:

Wyja­śnie­nie doświad­cze­nia pole­ga na stwier­dze­niu, że cynk i siar­ka łączą się ze sobą, two­rząc nowy zwią­zek che­micz­ny. Tym związ­kiem jest siar­czek cyn­ku. Reak­cje zacho­dzi zgod­nie z poda­nym już wcze­śniej rów­na­niem, tj,:

Zn(s) + S(s) -> ZnS(s)

Tu dodam jed­nak małą uwa­ga. Siar­ka jest pier­wiast­kiem wystę­pu­ją­cym w wie­lu odmia­nach alo­tro­po­wych, zawie­ra­ją­cych czą­stecz­ki o budo­wie pier­ście­nio­wej. Każ­dy z tych pier­ście­ni skła­da się z 6, 7, 8 a nawet 18 czy 20 ato­mów.

Dwie pod­sta­wo­we odmia­ny alo­tro­po­we siar­ki to siar­ka rom­bo­wa i siar­ka jed­no­sko­śna. Oka­zu­je się, że obie zbu­do­wa­ne są z ośmio­czło­no­wych pier­ście­ni S₈ i róż­nią się tyl­ko spo­so­bem upa­ko­wa­nia tych pier­ście­ni w krysz­ta­le. Gdy­by­śmy chcie­li zatem zapi­sać rów­na­nie reak­cji syn­te­zy z uwzględ­nie­niem fak­tu, że siar­ka wystę­pu­je w posta­ci mole­kuł S₈, rów­nie mia­ło by postać:

8 Zn(s) + S₈(s) -> 8 ZnS

Jak widzisz, rów­na­nie zmie­ni­ło nie­co postać, ale sto­su­nek ilo­ścio­wy pozo­sta­je nadal taki sam. Na jeden atom siar­ki nadal przy­pa­da jeden atom cyn­ku. Pro­por­cje zatem nadal pozo­sta­ją te same: 1:1.

Sko­ro reak­cja jest tak gwał­tow­na i egzo­ter­micz­na, mógł­byś się zapy­tać, dla­cze­go cynk da się w ogó­le wymie­szać z siar­ką? Jak to się dzie­je, że nie eks­plo­du­je przy pierw­szym kon­tak­cie z nią? Otóż, rze­czy­wi­ście, reak­cja łącze­nia cyn­ku z siar­ką jest nie­zwy­kle korzyst­na z ener­ge­tycz­ne­go punk­tu widze­nia. Pro­dukt ma znacz­nie niż­szą ener­gię wewnętrz­ną niż oddziel­nie sub­stra­ty. Reak­cja nie roz­po­czy­na się jed­nak samo­rzut­nie dla­te­go, że potrzeb­na jest pew­na por­cja ener­gii, któ­ra zapo­cząt­ku­je pro­ces.

Taką zwy­kle sto­sun­ko­wo nie­wiel­ką por­cję ener­gii nazy­wa­my ener­gią akty­wa­cji.  Z chwi­lą gdy pro­ces się roz­pocz­nie wydzie­la się kolej­na por­cja ener­gii, któ­ra jest wystar­cza­ją­ca do potrzy­ma­nia reak­cji. Od tej chwi­li wstąż­ka magne­zo­wa nie jest już potrzeb­na, reak­cja zacho­dzi samo­rzut­nie i zasad­ni­czo trwa tak dłu­ga, aż nie wyczer­pią się sub­stra­ty (lub nie zosta­nie osią­gnię­ty stan rów­no­wa­gi ter­mo­dy­na­micz­nej).

Być może jesteś w sta­nie zapro­po­no­wać inne reak­cje, któ­re są cza­sem bar­dzo ener­ge­tycz­ne, ale też wyma­ga­ją ini­cja­cji? Pod­po­wiem: z cze­go skła­da­ją się “spa­li­ny” wie­lu rakiet?

Jak zawsze: pamię­taj o bez­pie­czeń­stwie, far­tu­chu i oku­la­rach! Pamię­tasz? No to uda­nych syn­tez!

Opra­co­wa­nie opi­su: dr Patryk Zale­ski-Ejgierd ©  /  Zdję­cia: Inter­net (brak pre­cy­zyj­nych danych)