Epoka żelaza - część 3

Najnowszy numer o metalu numer jeden naszej cywilizacji i jego powiązaniach. Dotychczasowe eksperymenty wykazały, że jest to ciekawy obiekt do badań w domowym laboratorium. Dzisiejsze eksperymenty będą nie mniej interesujące i pozwolą inaczej spojrzeć na niektóre aspekty chemii.

Jednym z eksperymentów w pierwszej części artykułu było utlenianie zielonkawego osadu wodorotlenku żelaza (II) do brązowego wodorotlenku żelaza (III) roztworem H₂O₂. Nadtlenek wodoru rozkłada się pod wpływem wielu czynników, w tym związków żelaza (w eksperymencie stwierdzono pęcherzyki tlenu). Użyjesz tego efektu, aby pokazać...

… Jak działa katalizator

oczywiście przyspiesza reakcję, ale – warto pamiętać – tylko taki, który może wystąpić w danych warunkach (choć czasem bardzo wolno, wręcz niezauważalnie). To prawda, że ​​\uXNUMXb\uXNUMXbjest twierdzenie, że katalizator przyspiesza reakcję, ale sam w niej nie uczestniczy. Hmm... po co to w ogóle jest dodawane? Chemia to nie magia (czasami tak mi się wydaje, i to do tego „czarna”), a za pomocą prostego eksperymentu zobaczysz katalizator w działaniu.

Najpierw przygotuj swoje stanowisko. Będziesz potrzebować tacy, która ochroni stół przed zalaniem, rękawiczek ochronnych i okularów ochronnych lub daszka. Masz do czynienia z odczynnikiem żrącym: perhydrolem (30% roztwór nadtlenku wodoru H₂O₂) i roztwór chlorku żelaza (III) FeCl₃. Postępuj mądrze, szczególnie dbaj o oczy: skóra dłoni spalona pehydrolem regeneruje się, ale oczy nie. (1).

2. W parowniku po lewej stronie znajduje się tylko woda, po prawej woda z dodatkiem perhydrolu. Do obu wlewasz roztwór chlorku żelaza (III).

3. Przebieg reakcji, po jej zakończeniu następuje regeneracja katalizatora

Wlać do parownika porcelanowego i dodać dwukrotnie więcej wody (reakcja zachodzi również z nadtlenkiem wodoru, ale w przypadku 3% roztworu efekt jest prawie niezauważalny). Otrzymałeś około 10% roztwór H₂O₂ (handlowy perhydrol rozcieńczony wodą w stosunku 1:2). Do drugiego parownika wlej tyle wody, aby w każdym naczyniu znajdowała się taka sama ilość płynu (to będzie twój punkt odniesienia). Teraz dodaj 1-2 cm do obu parowców.³ 10% roztwór FeCl₃ i uważnie obserwuj postęp testu (2).

W parowniku kontrolnym ciecz ma żółtawy kolor ze względu na uwodnione jony Fe.³⁺. Z drugiej strony w naczyniu z nadtlenkiem wodoru dzieje się wiele rzeczy: jego zawartość brązowieje, intensywnie wydziela się gaz, a ciecz w parowniku bardzo się nagrzewa, a nawet wrze. Zakończenie reakcji oznacza zaprzestanie wydzielania się gazu i zmianę barwy zawartości na żółtą, podobnie jak w układzie sterowania (3). Byłeś tylko świadkiem działanie katalizatora, ale czy wiesz jakie zmiany zaszły w naczyniu?

Brązowy kolor pochodzi od związków żelaza, które powstają w wyniku reakcji:

Gazem intensywnie wyrzucanym z parownika jest oczywiście tlen (można sprawdzić, czy nad powierzchnią cieczy zaczyna palić się żarzący się płomień). W kolejnym etapie tlen uwolniony w powyższej reakcji utlenia kationy Fe.²⁺:

Zregenerowane jony Fe³⁺ ponownie biorą udział w pierwszej reakcji. Proces kończy się po zużyciu całego nadtlenku wodoru, co można zauważyć po powrocie żółtawego koloru do zawartości parownika. Kiedy pomnożysz obie strony pierwszego równania przez dwa i dodasz je bokiem do drugiego, a następnie anulujesz te same wyrazy po przeciwnych stronach (jak w normalnym równaniu matematycznym), otrzymasz równanie reakcji rozkładu H₂O₂. Należy pamiętać, że nie ma w nim jonów żelaza, ale aby wskazać ich rolę w przemianie, wpisz je nad strzałką:

Nadtlenek wodoru również rozkłada się samorzutnie zgodnie z powyższym równaniem (oczywiście bez jonów żelaza), ale proces ten jest dość powolny. Dodatek katalizatora zmienia mechanizm reakcji na łatwiejszy w realizacji, a co za tym idzie, przyspiesza całą konwersję. Skąd więc pomysł, że katalizator nie bierze udziału w reakcji? Prawdopodobnie dlatego, że ulega on regeneracji w procesie i pozostaje niezmieniony w mieszaninie produktów (w doświadczeniu żółte zabarwienie jonów Fe(III) występuje zarówno przed, jak i po reakcji). Więc pamiętaj o tym katalizator bierze udział w reakcji i jest częścią aktywną.

Za kłopoty z H.₂O₂

4. Katalaza rozkłada nadtlenek wodoru (probówka po lewej), dodanie roztworu EDTA niszczy enzym (probówka po prawej)

Enzymy są również katalizatorami, ale działają w komórkach żywych organizmów. Natura wykorzystała jony żelaza w aktywnych centrach enzymów, które przyspieszają reakcje utleniania i redukcji. Wynika to ze wspomnianych już niewielkich zmian wartościowości żelaza (z II na III i odwrotnie). Jednym z takich enzymów jest katalaza, która chroni komórki przed wysoce toksycznym produktem przemiany tlenu w komórkach - nadtlenkiem wodoru. Katalazę można łatwo zdobyć: puree ziemniaczane zacierować i zalać wodą. Pozwól zawiesinie opaść na dno i odrzuć supernatant.

Wlać 5 cm do probówki.³ ekstrakt ziemniaczany i dodać 1 cm³ nadtlenek wodoru. Zawartość jest bardzo pienista, może nawet „wypłynąć” z probówki, dlatego wypróbuj ją na tacy. Katalaza jest bardzo wydajnym enzymem, jedna cząsteczka katalazy może rozbić nawet kilka milionów cząsteczek H w ciągu minuty.₂O₂.

Po przelaniu ekstraktu do drugiej probówki dodać 1-2 ml³ Roztwór EDTA (kwas werseniowo-sodowy) i jego zawartość miesza się. Jeśli teraz dodasz porcję nadtlenku wodoru, nie zobaczysz żadnego rozkładu nadtlenku wodoru. Powodem jest powstawanie bardzo stabilnego kompleksu jonów żelaza z EDTA (odczynnik ten reaguje z wieloma jonami metali, co służy do ich oznaczania i usuwania z otoczenia). Połączenie jonów Fe³⁺ za pomocą EDTA blokowało miejsce aktywne enzymu i w konsekwencji inaktywowało katalazę (4).

Żelazna obrączka ślubna

W chemii analitycznej identyfikacja wielu jonów opiera się na tworzeniu trudno rozpuszczalnych osadów. Jednak pobieżny rzut oka na tabelę rozpuszczalności pokaże, że aniony azotanowe (V) i azotanowe (III) (sole pierwszego nazywamy po prostu azotanami, a drugiego azotynami) praktycznie nie tworzą osadu.

W wykrywaniu tych jonów z pomocą przychodzi siarczan żelaza(II) FeSO.₄. Przygotuj odczynniki. Oprócz tej soli będziesz potrzebował stężonego roztworu kwasu siarkowego (VI) H₂SO₄ i rozcieńczony 10-15% roztwór tego kwasu (należy zachować ostrożność podczas rozcieńczania, wlewając oczywiście „kwas do wody”). Ponadto sole zawierające wykryte aniony, takie jak KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Przygotuj stężony roztwór FeSO.₄ oraz roztwory soli obu anionów (ćwierć łyżeczki soli rozpuszcza się w około 50 cm³ woda).

5. Pozytywny wynik próby pierścieniowej.

Odczynniki są gotowe, czas na eksperymenty. Wlać 2-3 cm do dwóch probówek³ roztwór FeSOXNUMX₄. Następnie dodać kilka kropli stężonego roztworu N.₂SO₄. Za pomocą pipety pobrać porcję roztworu azotynów (np. NaNO₂) i wlać tak, aby spływał po ściance probówki (to ważne!). W ten sam sposób wlej część roztworu saletry (na przykład KNO₃). Jeśli oba roztwory zostaną ostrożnie wylane, na powierzchni pojawią się brązowe kręgi (stąd potoczna nazwa tego testu, reakcja pierścieniowa) (5). Efekt jest ciekawy, ale masz prawo być rozczarowany, może nawet oburzony (Czy to test analityczny? Wyniki są takie same w obu przypadkach!).

Wykonaj jednak inny eksperyment. Tym razem dodaj rozcieńczony H.₂SO₄. Po wstrzyknięciu roztworów azotanów i azotynów (jak poprzednio) pozytywny wynik zauważysz tylko w jednej probówce - tej z roztworem NaNO.₂. Tym razem prawdopodobnie nie masz żadnych wątpliwości co do przydatności próby pierścieniowej: reakcja w lekko kwaśnym środowisku pozwala wyraźnie rozróżnić oba jony.

Mechanizm reakcji opiera się na rozkładzie obu rodzajów jonów azotanowych z uwolnieniem tlenku azotu (II) NO (w tym przypadku jon żelaza jest utleniany od dwóch do trzech cyfr). Połączenie jonu Fe(II) z NO daje brązową barwę i nadaje pierścieniowi kolor (wykonuje się to, jeśli test jest wykonany prawidłowo, po prostu mieszając roztwory otrzymamy tylko ciemny kolor probówki, ale – przyznajesz – nie będzie tak ciekawego efektu). Jednak rozkład jonów azotanowych wymaga silnie kwaśnego środowiska reakcji, podczas gdy azotyny wymagają tylko niewielkiego zakwaszenia, stąd obserwowane różnice podczas testu.

Żelazo w Secret Service

Ludzie zawsze mieli coś do ukrycia. Powstanie czasopisma wiązało się również z opracowaniem metod ochrony przekazywanych informacji – szyfrowaniem czy ukrywaniem tekstu. Do tej drugiej metody wynaleziono wiele sympatycznych atramentów. To są substancje, dla których je zrobiłeś napis nie jest widocznyujawnia się jednak pod wpływem np. ogrzewania lub obróbki inną substancją (wywoływaczem). Przygotowanie ładnego tuszu i jego wywoływacza nie jest trudne. Wystarczy znaleźć reakcję, w wyniku której powstaje kolorowy produkt. Najlepiej, aby sam tusz był bezbarwny, wtedy wykonany nim napis będzie niewidoczny na podłożu o dowolnym kolorze.

Związki żelaza również tworzą atrakcyjne atramenty. Po przeprowadzeniu opisanych wcześniej badań, jako farby sympatyczne można zaproponować roztwory żelaza(III) i chlorku FeCl.₃, tiocyjanek potasu KNCS i żelazocyjanek potasu K₄[Fe(CN)₆] W reakcji FeCl₃ z cyjankiem zmieni kolor na czerwony, a z żelazocyjankiem zmieni kolor na niebieski. Lepiej sprawdzają się jako tusze. roztwory tiocyjanianu i żelazocyjankuponieważ są bezbarwne (w tym drugim przypadku roztwór należy rozcieńczyć). Napis wykonano żółtawym roztworem FeCl.₃ widać to na białym papierze (chyba że karta jest również żółta).

6. Dwukolorowy tusz do rzęs jest dobry

7. Tusz z sympatycznym kwasem salicylowym

Przygotuj rozcieńczone roztwory wszystkich soli i za pomocą pędzla lub zapałki napisz na kartach roztworem cyjanku i żelazocyjanku. Aby uniknąć zanieczyszczenia odczynników, użyj innego pędzla dla każdego z nich. Po wyschnięciu założyć rękawiczki ochronne i zwilżyć wacik roztworem FeCl.₃. Roztwór chlorku żelaza (III). żrący i pozostawia żółte plamy, które z czasem stają się brązowe. Z tego powodu należy unikać plamienia nim skóry i otoczenia (doświadczenie wykonać na tacy). Za pomocą wacika dotknij kartki papieru, aby zwilżyć jej powierzchnię. Pod wpływem wywoływacza pojawią się czerwone i niebieskie litery. Można także pisać obydwoma tuszami na jednej kartce papieru, wówczas odsłonięty napis będzie dwukolorowy (6). Jako tusz niebieski nadaje się także alkohol salicylowy (2% kwas salicylowy w alkoholu) (7).

Na tym kończy się trzyczęściowy artykuł na temat żelaza i jego związków. Przekonałeś się, że jest to ważny element, a dodatkowo pozwala na przeprowadzenie wielu ciekawych eksperymentów. Jednak nadal będziemy skupiać się na temacie „żelaznym”, ponieważ za miesiąc spotkasz jego najgorszego wroga - korozja.

Zobacz także: