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!
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 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)