Weird Science

Ciepłe światło – spalanie bez płomienia i świetliki in vitro

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2016):

Ilustracja

Ples M., Cie­płe świa­tło - spa­la­nie bez pło­mie­nia i świe­tliki in vitro, Che­mia w Szkole, 4 (2016), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 6-9

Wia­do­mym jest, że każde ciało o tem­pe­ra­tu­rze wyższej od zera bezw­zględ­nego wysyła pro­mie­nio­wa­nie elek­tro­ma­gne­tyczne o okre­ślo­nych wła­ści­wo­ściach. Pow­staje ono na sku­tek ruchów ter­micz­nych cząstek obda­rzo­nych ładun­kiem elek­trycz­nym. Prawo Wiena mówi, że dla ciała dosko­nale czar­nego (całk­o­wi­cie poch­ła­nia­jącego pada­jące na nie świa­tło) wraz ze wzro­stem tem­pe­ra­tury mak­si­mum emi­sji pro­mie­nio­wa­nia prze­suwa się w stronę fal krót­szych [1]. Oczy­wi­ście w świe­cie rze­czy­wi­stym nie ist­nieją ciała dosko­nale czarne, ale wiele ota­cza­jących nas przed­mio­tów posiada zbli­żone wła­ści­wo­ści.

Przy­to­czone infor­ma­cje całk­o­wi­cie upraw­niają nas do sfor­mu­ło­wa­nia myśli, że wszystko wokół nas świeci - tem­pe­ra­tura, w której żyjemy jest prze­cież o około 300 kel­wi­nów wyższa od zera bezw­zględ­nego! Dla­czego więc zwy­kle tego nie zau­wa­żamy? Dzieje się tak, ponie­waż w tem­pe­ra­tu­rach zbli­żo­nych do poko­jo­wej mak­si­mum emi­sji ter­micz­nej ciał przy­pada na zakres pod­czer­wieni, na którą nasz zmysł wzroku jest niew­rażl­iwy. Dopiero ogrza­nie do wyższych tem­pe­ra­tur spra­wia, że zaczy­nają one emi­to­wać świa­tło widzialne. Nie ma więc prze­sady w stwier­dze­niu, że wszystko może świe­cić – potrzebne jest jedy­nie ogrza­nie do wystar­cza­jąco wyso­kiej tem­pe­ra­tury.

Poza przy­czyną ter­miczną ist­nieją też oczy­wi­ście inne mecha­ni­zmy odpo­wie­dzialne za wysy­ła­nie pro­mie­nio­wa­nia przez różn­o­rodne ciała. Przy­kła­dowo, w cza­sie lumi­ne­scen­cji pro­mie­nio­wa­nie pow­staje kosz­tem ener­gii innej niż ter­miczna, np. elek­trycz­nej (elek­tro­lu­mi­ne­scen­cja), pro­mie­ni­stej (foto­lu­mi­ne­scen­cja), mecha­nicz­nej (try­bo­lu­mi­ne­scen­cja) lub wiązań che­micz­nych (che­mi­lu­mi­ne­scen­cja) [2][3][4]. Dla­tego zja­wi­ska te zbior­czo są nazy­wane zim­nym świa­tłem.

Wróćmy jed­nak do pro­mie­nio­wa­nia ter­micz­nego. Roz­grze­wa­nie się ciał do tem­pe­ra­tury, przy której zaczy­nają one emi­to­wać świa­tło widzialne może następo­wać w różny spo­sób. Jed­nym z nich jest uwal­nia­nie ener­gii ciepl­nej na sku­tek okre­ślo­nych reak­cji che­micz­nych. Myślę, że każdy pomy­śli w tym momen­cie o spa­la­niu lub bar­dziej ogól­nie o spa­la­niu, lub bar­dziej ogól­nie, o utle­nia­niu. Gwałt­owne utle­nia­nie związane z wydzie­la­niem się dużych ilo­ści ener­gii na spo­sób cie­pła może zacho­dzić także bez obec­no­ści widocz­nego pło­mie­nia. Dzieje się tak np. w przy­padku kata­li­tycz­nego utle­nia­nia alko­holu mety­lo­wego CH3OH na powierzchni pla­tyny Pt, w wyniku czego metal ten roz­grzewa się do świe­ce­nia (Fot.1). Wspom­niany pro­ces może często przy­bie­rać formę che­micz­nych, czy raczej fizy­ko­che­micz­nych oscy­la­cji [5].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Roz­ża­rzony kata­li­za­tor pla­ty­nowy

Zdaję sobie sprawę, że pla­tyna jest sto­sun­kowo kosz­tow­nym i często dosyć trud­nym do zdo­by­cia meta­lem. W dal­szej czę­ści arty­kułu przed­sta­wię więc podobne efek­towne doświad­cze­nia z wyko­rzy­sta­niem mate­ria­łów, których pozy­ska­nie nie sta­nowi więk­szego pro­blemu.

Doświad­cze­nie

Nie chcąc sto­so­wać pla­tyny, możemy posłu­żyć o wiele tańszym oraz bar­dziej pow­szech­nie występu­jącym w naszym oto­cze­niu meta­lem, jakim jest miedź Cu. Jest ona często wyko­rzy­sty­wana w tech­nice z powodu niskiego oporu wła­ści­wego i wyso­kiej prze­wod­no­ści ciepl­nej.

W doświad­cze­niu naj­le­piej użyć cien­kiej bla­chy mie­dzia­nej, np. o gru­bo­ści 0,15-0,20mm. Należy wyciąć z niej pro­sto­kąt o powierzchni kilku cen­ty­me­trów kwa­dra­to­wych i zawie­sić go na odcinku cien­kiego drutu (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Blaszka mie­dziana wyko­rzy­stana w doświad­cze­niu

Drut, na którym będzie zawie­szona blaszka powi­nien być sta­lowy i nie­zbyt gruby. Dobrze nadaje się tutaj odci­nek struny gita­ro­wej. Drut mie­dziany nie jest odpo­wiedni. Powo­dem jest prze­wod­ność cieplna – gdyby drut był wyko­nany z mate­riału dobrze prze­wo­dzącego cie­pło, to powo­do­wałby zbyt­nie och­ło­dze­nie blaszki. Mogłoby to unie­możl­i­wić powo­dze­nie doświad­cze­nia. Na końcu drut trzeba zawi­nąć w oczko.

Całość należy następ­nie zawie­sić w nie­wiel­kiej zlewce prze­kła­da­jąc przez oczko jakąś odporną na dzia­ła­nie wyso­kiej tem­pe­ra­tury poprzeczkę, np. pręcik szklany, jak poka­zuje Fot.3.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Blaszka mie­dziana zawie­szona w naczy­niu z ace­to­nem

Na dno naczy­nia trzeba wlać nie­wielką ilość (kilka cm3) ace­tonu C3H6O – naj­prost­szego ketonu ali­fa­tycz­nego o wzo­rze struk­tu­ral­nym jak na Rys.1. Dolna kra­wędź blaszki powinna znaj­do­wać się kilka mili­me­trów ponad powierzch­nią cie­czy i jej nie doty­kać.

Ilustracja
Rys.1– Wzór struk­tu­ralny ace­tonu

Cho­ciaż ace­ton nie jest tok­syczny, to bywa kla­sy­fi­ko­wany jako sub­stan­cja drażn­iąca lub mogąca powo­do­wać tym­cza­sowe usz­ko­dze­nie zdro­wia. Jest to lotna ciecz – w miarę możl­i­wo­ści należy ogra­ni­czyć możl­i­wość wdy­cha­nia jej par. Nie można lek­ce­wa­żyć faktu, że ace­ton jest bar­dzo łatwo­palny! Wszel­kie mani­pu­la­cje z otwar­tym ogniem trzeba wyko­ny­wać z dala od naczyń z tą sub­stan­cją, a także zapew­nić odpo­wied­nie środki och­rony prze­ciw­po­ża­ro­wej.

Zlewkę należy następ­nie usta­wić na nie­pal­nej i odpor­nej na pod­wyższoną tem­pe­ra­turę pod­sta­wie. Potem wyjąć ze zlewki blaszkę, roz­grzać ją wstęp­nie do czer­wo­no­ści nad pal­ni­kiem gazo­wym (zacho­wu­jąc wspom­niane uprzed­nio środki ostrożn­o­ści!) i umie­ścić szybko zanim osty­gnie z pow­ro­tem ponad powierzch­nią ace­tonu.

O dziwo blaszka nie osty­gnie wtedy, a zacz­nie roz­grze­wać się coraz bar­dziej, często aż do tem­pe­ra­tury poma­rańczo­wego żaru (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Blaszka mie­dziana roz­grzana do wyso­kiej tem­pe­ra­tury

Warto zau­wa­żyć, że barwa świe­ce­nia blaszki (a więc także jej tem­pe­ra­tura) nie jest stała. Cza­sem udaje się zaob­ser­wo­wać trwa­jące pewien czas oscy­la­cje między jaśniej­szą, bar­dziej poma­rańczową, a ciem­niej­szą czer­woną barwą. Często po powierzchni metalu prze­my­kają jakby barwne fale.

W razie, gdyby któryś z Czy­tel­ni­ków nie mógł zdo­być odpo­wied­niej mie­dzia­nej blaszki to mogę zapro­po­no­wać także inne roz­wiąza­nie. Można ją zastąpić cia­sno zwi­niętą spi­ralną sprężyną z cien­kiego drutu mie­dzia­nego zawie­szoną na dru­cie sta­lo­wym podob­nie jak w poprzed­nim przy­padku (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Spi­ralna sprężyna z drutu mie­dzia­nego (śred­nica drutu – 0,5mm); prawy górny róg - powięk­sze­nie

Iden­tycz­nie jak w przy­padku blaszki – zawie­szona nad powierzch­nią ace­tonu wstęp­nie roz­grzana spi­rala zaczyna się żarzyć coraz wyraźn­iej (Fot.6).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Spi­ralna sprężyna z drutu mie­dzia­nego roz­grzana do wyso­kiej tem­pe­ra­tury

Łatwo zau­wa­żyć, że aby następo­wało nagrze­wa­nie mie­dzia­nego ele­mentu konieczny jest ciągły dopływ powie­trza, a raczej zawar­tego w nim tlenu. Po przy­kry­ciu naczy­nia szalką Petriego w krót­kim cza­sie blaszka lub spi­rala sty­gnie i prze­staje świe­cić.

Opi­sane zja­wi­sko trwa dosyć długo, nawet do kil­ku­dzie­sięciu minut i kończy się, kiedy wypa­ruje cała ilość ace­tonu zawar­tego w naczy­niu.

Całe naczy­nie w trak­cie doświad­cze­nia może roz­grze­wać się do wyso­kich tem­pe­ra­tur, potrzebna jest więc ostrożn­ość. Konieczna jest nie­palna pod­kładka - zlewka może pęk­nąć z powodu nie­rów­no­mier­nego nagrze­wa­nia się. Doświad­cze­nie naj­le­piej pro­wa­dzić pod wyciągiem, ponie­waż oprócz par ace­tonu w cza­sie reak­cji mogą wydzie­lać się zróżn­i­co­wane pro­dukty, niek­tóre szko­dliwe lub o duszącym zapa­chu.

Spróbujmy wyko­nać też nieco inne doświad­cze­nie. Będzie nam do niego potrzebny tle­nek chromu(III) Cr2O3, z racji swo­jej barwy nazy­wany często zie­le­nią chro­mową. Jest to ciem­no­zie­lony pro­szek, nie­roz­pusz­czalny w wodzie i wyko­rzy­sty­wany jako barw­nik przy pro­duk­cji farb i lakie­rów (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Tle­nek chromu(III)
Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Dich­ro­mianu amonu

Tle­nek ten można łatwo otrzy­mać poprzez ter­miczny roz­kład poma­rańczo­wego dich­ro­mianu amonu (NH4)2Cr2O7 (Fot.8) według rów­na­nia reak­cji:

(NH4)2Cr2O7 → Cr2O3 + N2↑ + 4H2O↑

Należy pamiętać, że dich­ro­mian amonu, podob­nie jak i pozo­stałe dich­ro­miany, wyka­zują dzia­ła­nie rako­twór­cze. Tle­nek chromu(III) może podrażn­iać skórę i oczy. Zapo­cząt­ko­wana przez lokalne ogrza­nie dich­ro­mianu reak­cja bie­gnie już samo­czyn­nie, a jej jedy­nym sta­łym pro­duk­tem jest potrzebny nam tle­nek. Warto wspom­nieć, że objętość pro­duktu jest znacz­nie więk­sza niż objętość sub­stratu, co bywa wyko­rzy­sty­wane w efek­tow­nym doświad­cze­niu nazy­wa­nym che­micz­nym wul­ka­nem [6].

Do doświad­cze­nia potrzebne jest dosyć duże (np. 5dm3) naczy­nie o wąskiej szyjce. Na jego dno należy wpro­wa­dzić około 30-40cm3 wod­nego roz­tworu amo­niaku NH3 o stęże­niu 25%. Naczy­nie trzeba nakryć np. szalką Petriego oraz pozo­sta­wić na przy­najm­niej kilka minut, tak by wypełnił je gazowy amo­niak uwal­nia­jący się z roz­tworu (Fot.9). Przy­po­mi­nam, że amo­niak ma duszący zapach oraz sil­nie drażni błony ślu­zowe i oczy. W więk­szych stęże­niach jest tru­jący, tak więc doświad­cze­nie trzeba pro­wa­dzić w dobrze wen­ty­lo­wa­nym pomiesz­cze­niu, na zew­nątrz lub pod wyciągiem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Naczy­nie wypełn­ione amo­nia­kiem

Przy­stępu­jąc do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia należy roz­grzać dosyć mocno nie­wielką ilość tlenku chromu(III) w pło­mie­niu pal­nika gazo­wego, uży­wa­jąc do tego celu np. łyżeczki do spa­lań. Kolejną czyn­no­ścią jest szyb­kie odkry­cie naczy­nia z amo­nia­kiem i wsy­pa­nie do niego gorącego tlenku.

Jeśli zaciem­nimy wtedy pomiesz­cze­nie to naszym oczom ukaże się piękny widok: w naczy­niu roz­bły­skuje jakby chmara świe­tli­ków. Każda iskierka pola­tuje to tu, to tam, zmie­nia­jąc ciągle kie­ru­nek (Fot.9). Ich liczba nieu­stan­nie maleje, ale niek­tóre mogą “żyć” nawet kil­ka­dzie­siąt sekund.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Efekt doświad­cze­nia

Efekt wizu­alny obu zapre­zen­to­wa­nych doświad­czeń jest naprawdę wido­wi­skowy i wywo­łuje nie­sa­mo­wite wra­że­nie na widzach.

Wyja­śnie­nie

Kata­li­za­to­rami nazy­wamy takie sub­stan­cje che­miczne, które wpro­wa­dzone do układu reak­cyj­nego umożl­i­wiają zmianę mecha­ni­zmu reak­cji, na taki, który odz­na­cza się niższą ener­gią akty­wa­cji. Pociąga to za sobą wzrost szyb­ko­ści kata­li­zo­wa­nej reak­cji che­micz­nej [7].

Trzeba zazna­czyć, że kata­li­za­tor nie ulega trwa­łej prze­mia­nie che­micz­nej w cza­sie reak­cji. Z tego powodu często spo­ty­ka­nym (nawet w lite­ra­tu­rze!) stwier­dze­niem jest, że w niej nie uczest­ni­czy. Jest to oczy­wi­sty błąd: by zmie­nić prze­bieg reak­cji, kata­li­za­tor musi w niej brać udział. Mecha­nizm reak­cji kata­li­zo­wa­nej opiera się zwy­kle na fak­cie two­rze­nia przez kata­li­za­tor przej­ścio­wej struk­tury z sub­stra­tem, która następ­nie roz­pada się na pro­dukt, przy czym następuje odtwo­rze­nie kata­li­za­tora.

Kata­li­za­tory możemy podzie­lić np. ze względu na fazę, w jakiej się znaj­dują pod­czas reak­cji na:

Przy­kła­dem bio­lo­gicz­nych kata­li­za­to­rów homo­ge­nicz­nych są enzymy – naj­czę­ściej białk­owe sub­stan­cje natu­ral­nie występu­jące we wszyst­kich orga­ni­zmach żywych i umożl­i­wia­jące zacho­dze­nie reak­cji meta­bo­licz­nych [8]. Kata­li­za­to­rami homo­ge­nicz­nymi mogą być też oczy­wi­ście sub­stan­cje nie­or­ga­niczne, np. jodek potasu KI przy­spie­sza­jący roz­kład nad­tlenku wodoru H2O2 do wody H2O i tlenu O2.

Kata­li­za­tory hete­ro­ge­niczne mają często postać ciała sta­łego, które kata­li­zuje reak­cję zacho­dzącą w śro­do­wi­sku cie­kłym lub gazo­wym. Kata­li­za­tory tego typu nazywa się też często kon­tak­to­wymi.

Kata­li­za­tory kon­tak­towe mają duże zasto­so­wa­nie w prze­my­śle, np. przy pro­duk­cji kwasu siar­ko­wego(VI) H2SO4. Pod­czas spa­la­nia siarki S lub pra­że­nia siarcz­ków (np. natu­ral­nego pirytu FeS2 i blendy cyn­ko­wej ZnS) oraz siar­cza­nów (np. gipsu CaSO4) pow­staje tle­nek siarki(IV). Do pro­duk­cji kwasu siar­ko­wego(VI) jest jed­nak potrzebny tle­nek, w którym siarka występuje na VI stop­niu utle­nia­nia. Sto­suje się więc reak­cję:

2SO2 + O2 ⇌ 2SO3

Aby osiągnąć wydaj­ność przy­datną w prze­my­śle, reak­cję tę pro­wa­dzi się w obec­no­ści kata­li­za­to­rów kon­tak­to­wych – pla­ty­no­wych lub czę­ściej wana­do­wych (tle­nek wanadu V2O5 na odpo­wied­nim nośniku).

Mecha­nizm dzia­ła­nia kata­li­za­to­rów hete­ro­ge­nicz­nych opiera się na wyso­kim powi­no­wac­twie sub­stra­tów reak­cji do powierzchni kata­li­za­tora. Pierw­szym eta­pem kata­lizy jest zja­wi­sko adsorp­cji rea­gen­tów na powierzchni kata­li­za­tora. Natura adsorp­cji może być tu zarówno fizyczna, jak i che­miczna. Na powierzchni kata­li­za­tora docho­dzi do zwięk­sze­nia kon­cen­tra­cji sub­stra­tów. Na sku­tek oddzia­ły­wań sorp­cyj­nych może mieć miej­sce defor­ma­cja chmur elek­tro­no­wych cząstek rea­gen­tów, a cza­sem nawet roz­ry­wa­nie łączących je wiązań. Cząsteczki sub­stra­tów two­rzą też cza­sem wiąza­nia che­miczne z ato­mami kata­li­za­tora. Wszyst­kie opi­sane zja­wi­ska mogą pociągać za sobą zwięk­sze­nie aktyw­no­ści rea­gen­tów i dzięki temu pow­sta­nie pro­duk­tów, które ule­gają desorp­cji od kata­li­za­tora.

W przy­padku pierw­szego opi­sa­nego doświad­cze­nia na powierzchni wstęp­nie roz­grza­nej blaszki (lub spi­rali) mie­dzia­nej docho­dzi do inten­syw­nego utle­nia­nia par ace­tonu tle­nem z powie­trza. Reak­cja jest sil­nie egzo­ter­miczna – wydzie­lona ener­gia roz­grzewa metal do tak wyso­kiej tem­pe­ra­tury, że obser­wu­jemy jego świe­ce­nie.

W przy­padku „świe­tli­ków” na powierzchni lek­kich dro­bin tlenku chromu(III) zacho­dzi reak­cja roz­kładu amo­niaku z udzia­łem tlenu z powie­trza [9]:

4NH3 + 3O2 → 2N2↑ + 6H2O↑

W tym przy­padku także uwal­niają się duże ilo­ści ener­gii na spo­sób cie­pła, dzięki czemu cząstki tlenku roz­grze­wają się do wyso­kich tem­pe­ra­tur i zaczy­nają świe­cić. Są one przy tym na tyle lek­kie, że mogą uno­sić się dłuższy czas por­wane ruchem uno­szącego się powie­trza ogrza­nego cie­płem reak­cji.

Dodam jesz­cze, że w han­dlu spo­ty­kane są tury­styczne ogrze­wa­cze. Mają one postać meta­lo­wego pojem­nika zawie­ra­jącego poro­wate wypełn­ie­nie nasączone np., ben­zyną eks­trak­cyjną, której pary są utle­niane na kata­li­za­to­rze pla­ty­no­wym, pal­la­do­wym lub innym. Ogrze­wa­cze tego typu są sto­sun­kowo bez­pieczne dzięki eli­mi­na­cji otwar­tego pło­mie­nia.

Lite­ra­tura:

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Poniższy film ilu­struje doświad­cze­nie z "che­micz­nymi świe­tli­kami".

Skom­pli­ko­wany ruch poje­dyn­czych dro­bin roz­ża­rzo­nego tlenku chromu(III) można uch­wy­cić sto­su­jąc foto­gra­fię z wydłu­żo­nym cza­sem naświe­tla­nia.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Ilustracja:

Kliknij aby powiększyć

Widoczne smugi obra­zują tory poru­sza­jących się wew­nątrz naczy­nia cząstek tlenku.

Marek Ples

Aa