Doba železná – 3. časť

Najnovšie číslo o kove číslo jeden našej civilizácie a jej vzťahoch. Doterajšie experimenty ukázali, že ide o zaujímavý objekt pre výskum v domácom laboratóriu. Dnešné experimenty budú nemenej zaujímavé a umožnia vám pozrieť sa na niektoré aspekty chémie inak.

Jedným z experimentov v prvej časti článku bola oxidácia zelenkastej zrazeniny hydroxidu železitého na hnedý hydroxid železitý roztokom H.₂O₂. Peroxid vodíka sa rozkladá pod vplyvom mnohých faktorov, vrátane zlúčenín železa (v experimente sa našli bublinky kyslíka). Tento efekt použijete na zobrazenie...

… Ako funguje katalyzátor

samozrejme zrýchľuje reakciu, ale - stojí za to pripomenúť si - len jeden, ktorý sa za daných podmienok môže vyskytnúť (aj keď niekedy veľmi pomaly, dokonca nepostrehnuteľne). Je pravda, že existuje tvrdenie, že katalyzátor urýchľuje reakciu, ale sám sa na nej nezúčastňuje. Hmm... prečo sa to vôbec pridáva? Chémia nie je mágia (niekedy mi to tak pripadá a navyše „čierna“) a jednoduchým experimentom uvidíte katalyzátor v akcii.

Najprv si pripravte pozíciu. Budete potrebovať podnos, aby ste zabránili zaplaveniu stola, ochranné rukavice a okuliare alebo priezor. Máte do činenia so žieravinou: perhydrol (30% roztok peroxidu vodíka H₂O₂) a roztok chloridu železitého FeCl₃. Konajte múdro, hlavne sa starajte o svoje oči: pokožka rúk popálená pehydrolom sa regeneruje, ale oči nie. (1).

2. Výparník vľavo obsahuje iba vodu, vpravo vodu s prídavkom perhydrolu. Do oboch nalejete roztok chloridu železitého

3. Priebeh reakcie, po jej ukončení sa katalyzátor regeneruje

Nalejte do porcelánovej odparky a pridajte dvojnásobok vody (reakcia prebieha aj s peroxidom vodíka, ale v prípade 3% roztoku je efekt sotva badateľný). Dostali ste približne 10% roztok H₂O₂ (komerčný perhydrol zriedený 1:2 vodou). Do druhého výparníka nalejte dostatok vody, aby každá nádoba mala rovnaké množstvo kvapaliny (toto bude váš referenčný rámec). Teraz pridajte 1-2 cm do oboch parákov.³ 10 % roztok FeCl₃ a pozorne sledujte priebeh testu (2).

V kontrolnom výparníku má kvapalina žltkastú farbu v dôsledku hydratovaných Fe iónov.³⁺. Na druhej strane sa v nádobe s peroxidom vodíka deje veľa vecí: obsah zhnedne, plyn sa intenzívne uvoľňuje a kvapalina vo výparníku sa veľmi zahreje alebo dokonca vrie. Koniec reakcie je poznačený zastavením vývoja plynu a zmenou farby obsahu na žltú, ako v riadiacom systéme (3). Bol si len svedok činnosť katalyzátora, ale viete, aké zmeny nastali v plavidle?

Hnedá farba pochádza zo zlúčenín železa, ktoré vznikajú v dôsledku reakcie:

Plynom, ktorý intenzívne vychádza z výparníka, je samozrejme kyslík (môžete skontrolovať, či nad hladinou kvapaliny nezačne horieť žeravý plameň). V ďalšom kroku kyslík uvoľnený vo vyššie uvedenej reakcii oxiduje katióny Fe.²⁺:

Regenerované Fe ióny³⁺ opäť sa zúčastňujú prvej reakcie. Proces končí, keď sa spotrebuje všetok peroxid vodíka, čo si všimnete, keď sa do obsahu výparníka vráti žltkastá farba. Keď vynásobíte obe strany prvej rovnice dvoma a pridáte ju bokom k druhej a potom zrušíte rovnaké pojmy na opačných stranách (ako v normálnej matematickej rovnici), dostanete rovnicu distribučnej reakcie H₂O₂. Upozorňujeme, že v ňom nie sú žiadne ióny železa, ale na označenie ich úlohy pri transformácii ich napíšte nad šípku:

Peroxid vodíka sa tiež spontánne rozkladá podľa vyššie uvedenej rovnice (samozrejme bez iónov železa), ale tento proces je dosť pomalý. Pridaním katalyzátora sa mení reakčný mechanizmus na taký, ktorý sa ľahšie realizuje, a preto urýchľuje celú konverziu. Prečo teda myšlienka, že katalyzátor nie je zapojený do reakcie? Pravdepodobne preto, že sa v procese regeneruje a zostáva nezmenený v zmesi produktov (v experimente sa žltá farba iónov Fe(III) vyskytuje pred reakciou aj po nej). Tak si to zapamätaj katalyzátor sa zúčastňuje reakcie a je aktívnou súčasťou.

Pre problémy s X.₂O₂

4. Kataláza rozkladá peroxid vodíka (skúmavka vľavo), pridanie roztoku EDTA ničí enzým (skúmavka vpravo)

Enzýmy sú tiež katalyzátory, ale pôsobia v bunkách živých organizmov. Príroda použila ióny železa v aktívnych centrách enzýmov, ktoré urýchľujú oxidačné a redukčné reakcie. Je to spôsobené už spomínanými miernymi zmenami v mocenstve železa (z II na III a naopak). Jedným z týchto enzýmov je kataláza, ktorá chráni bunky pred vysoko toxickým produktom bunkovej premeny kyslíka – peroxidom vodíka. Katalázu získate jednoducho: zemiaky roztlačte a zalejte vodou. Nechajte suspenziu klesnúť na dno a zlikvidujte supernatant.

Nalejte 5 cm do skúmavky.³ zemiakový extrakt a pridajte 1 cm³ peroxid vodíka. Obsah je veľmi penivý, môže sa dokonca „vyliať“ zo skúmavky, skúste to na podnose. Kataláza je veľmi účinný enzým, jedna molekula katalázy dokáže rozložiť až niekoľko miliónov H molekúl za minútu.₂O₂.

Po naliatí extraktu do druhej skúmavky pridajte 1-2 ml³ Roztok EDTA (kyselina edetová sodná) a obsah sa zmiešajú. Ak teraz pridáte dávku peroxidu vodíka, neuvidíte žiadny rozklad peroxidu vodíka. Dôvodom je vznik veľmi stabilného komplexu iónov železa s EDTA (toto činidlo reaguje s mnohými kovovými iónmi, čo sa používa na ich stanovenie a odstránenie z prostredia). Kombinácia Fe iónov³⁺ s EDTA blokoval aktívne miesto enzýmu a následne inaktivoval katalázu (4).

Železný snubný prsteň

V analytickej chémii je identifikácia mnohých iónov založená na tvorbe ťažko rozpustných precipitátov. Letmý pohľad na tabuľku rozpustnosti však ukáže, že dusičnanové (V) a dusičnanové (III) anióny (soli prvého sa nazývajú jednoducho dusičnany a druhé - dusitany) prakticky nevytvárajú zrazeninu.

Pri detekcii týchto iónov prichádza na pomoc síran železnatý FeSO.₄. Pripravte si činidlá. Okrem tejto soli budete potrebovať koncentrovaný roztok kyseliny sírovej (VI) H₂SO₄ a zriedený 10-15% roztok tejto kyseliny (pozor pri riedení, nalievaní, samozrejme, „kyseliny do vody“). Okrem toho soli obsahujúce zistené anióny, ako je KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Pripravte koncentrovaný roztok FeSO.₄ a roztoky solí oboch aniónov (štvrtina čajovej lyžičky soli sa rozpustí asi na 50 cm³ voda).

5. Pozitívny výsledok krúžkového testu.

Činidlá sú pripravené, je čas experimentovať. Nalejte 2-3 cm do dvoch skúmaviek³ roztok FeSO₄. Potom pridajte niekoľko kvapiek koncentrovaného N roztoku.₂SO₄. Pomocou pipety odoberte alikvotnú časť roztoku dusitanov (napr₂) a nalejte ju tak, aby stekala po stene skúmavky (to je dôležité!). Rovnakým spôsobom nalejte časť roztoku ledku (napríklad KNO₃). Ak sa oba roztoky opatrne nalejú, na povrchu sa objavia hnedé kruhy (odtiaľ všeobecný názov tohto testu, kruhová reakcia) (5). Efekt je zaujímavý, ale máte právo byť sklamaný, možno aj rozhorčený (Toto je predsa analytický test? Výsledky sú v oboch prípadoch rovnaké!).

Urobte však ďalší experiment. Tentokrát pridajte zriedený H.₂SO₄. Po injekcii roztokov dusičnanov a dusitanov (ako predtým) zaznamenáte pozitívny výsledok iba v jednej skúmavke – v tej s roztokom NaNO.₂. Tentoraz pravdepodobne nemáte žiadne pripomienky k užitočnosti kruhového testu: reakcia v mierne kyslom prostredí vám umožňuje jasne rozlíšiť dva ióny.

Reakčný mechanizmus je založený na rozklade oboch typov dusičnanových iónov s uvoľňovaním oxidu dusnatého (II) NO (v tomto prípade je železitý ión oxidovaný z dvoch až troch číslic). Kombinácia Fe(II) iónu s NO má hnedú farbu a dáva krúžku farbu (robí sa, ak je test urobený správne, jednoduchým zmiešaním roztokov získate len tmavú farbu skúmavky, ale - pripúšťate - nebude taký zaujímavý efekt). Rozklad dusičnanových iónov si však vyžaduje silne kyslé reakčné médium, zatiaľ čo dusitany vyžadujú len mierne okyslenie, z čoho vyplývajú rozdiely pozorované počas testu.

Železo v tajnej službe

Ľudia mali vždy čo skrývať. Vznik časopisu si vyžiadal aj vývoj metód na ochranu takto prenášaných informácií – šifrovanie či skrývanie textu. Pre posledný spôsob boli vynájdené rôzne sympatické atramenty. Toto sú látky, pre ktoré ste ich vyrobili nápis nie je viditeľnýodhalí sa však vplyvom napríklad zahrievania alebo ošetrenia inou látkou (vývojárkou). Príprava pekného atramentu a jeho vývojky nie je náročná. Stačí nájsť reakciu, pri ktorej vzniká farebný produkt. Najlepšie je, že samotný atrament je bezfarebný, potom bude nápis, ktorý urobia, neviditeľný na substráte akejkoľvek farby.

Zlúčeniny železa tiež vytvárajú atraktívne atramenty. Po vykonaní vyššie opísaných testov môžu byť roztoky železa (III) a chloridu FeCl ponúkané ako sympatické atramenty.₃, tiokyanid draselný KNCS a ferokyanid draselný K₄[Fe(CN)₆]. V reakcii FeCl₃ s kyanidom sa sfarbí do červena a s ferokyanidom do modra. Sú vhodnejšie ako atramenty. roztoky tiokyanátu a ferrokyanidupretože sú bezfarebné (v druhom prípade je potrebné roztok zriediť). Nápis bol urobený žltkastým roztokom FeCl.₃ je to vidieť na bielom papieri (pokiaľ karta nie je tiež žltá).

6. Dobrá je dvojfarebná maskara

7. Sympatický atrament kyseliny salicylovej

Pripravte zriedené roztoky všetkých solí a pomocou štetca alebo zápalky napíšte na kartičky roztokom kyanidu a ferokyanidu. Pre každý použite inú kefu, aby ste predišli kontaminácii činidiel. Po zaschnutí si nasaďte ochranné rukavice a vatu navlhčite roztokom FeCl.₃. Roztok chloridu železitého korozívny a zanecháva žlté škvrny, ktoré časom zhnednú. Z tohto dôvodu sa vyhnite zafarbeniu pokožky a okolia (pokus vykonajte na podnose). Pomocou vatového tampónu sa dotknite kúska papiera, aby ste navlhčili jeho povrch. Pod vplyvom vývojára sa objavia červené a modré písmená. Na jeden list papiera je možné písať aj oboma atramentmi, potom bude odhalený nápis dvojfarebný (6). Ako modrý atrament je vhodný aj salicylový alkohol (2% kyselina salicylová v alkohole) (7).

Týmto sa uzatvára trojdielny článok o železe a jeho zlúčeninách. Zistili ste, že je to dôležitý prvok a navyše vám umožňuje vykonávať mnoho zaujímavých experimentov. Stále sa však zameriame na „železnú“ tému, pretože o mesiac sa stretnete s jeho najväčším nepriateľom - korózie.

Pozri tiež: