Weird Science

Co i jak można otrzymać z piasku?

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (6/2016):

Ilustracja

Ples M., Co i jak można otrzy­mać z pia­sku? Nie­znane obli­cze krzemu, Che­mia w Szkole, 6 (2016), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 38-43

Nie­znane obli­cze krzemu

Trzeba przy­znać, że krzem Si zro­bił w minio­nych kil­ku­dzie­sięciu latach zaw­rotną karierę. Znaj­dziemy go w więk­szo­ści przy­dat­nych i tak chęt­nie dziś uży­wa­nych urządzeń elek­tro­nicz­nych, jak np. zegarki, kal­ku­la­tory, tele­fony komór­kowe. Pow­szech­nie nazywa się obecne czasy epoką infor­ma­cji – krzem dzięki swoim wła­ści­wo­ściom półp­rze­wod­ni­ko­wym sta­nowi pod­stawę dzia­ła­nia pra­wie wszyst­kich urządzeń wyko­rzy­sty­wa­nych do gro­ma­dze­nia i obróbki infor­ma­cji. Choćby z tych powo­dów sub­stan­cja ta zasłu­guje na bliższe zapo­zna­nie się z nią.

Krzem jest pier­wiast­kiem z grupy półm­e­tali i należy do 4 grupy głów­nej układu okre­so­wego. Na krzem zwrócił bliższą uwagę już Anto­ine Lavo­i­sier w dru­giej poło­wie XVIII wieku. W 1800 roku Hum­phry Davy nie­stety błęd­nie uznał, że sub­stan­cja ta jest związ­kiem che­micz­nym. Dopiero 24 lata późn­iej Jöns Jacob Berze­lius otrzy­mał czy­sty krzem, udo­wad­nia­jąc, że mamy do czy­nie­nia z sub­stan­cją pro­stą [1][2].

Krzem należy do bar­dzo roz­pow­szech­nio­nych na Ziemi pier­wiast­ków. W sko­ru­pie ziem­skiej jest wręcz dru­gim naj­licz­niej występu­jącym pier­wiast­kiem, zaraz po tle­nie. Jego zawar­tość docho­dzi tutaj wagowo do około 27% [3].

Krzem w natu­rze nigdy nie występuje w sta­nie wol­nym. Tle­nek krzemu, nazy­wany też krze­mionką SiO2 jest spo­ty­kany w różn­ych odmia­nach poli­mor­ficz­nych - jedną z nich jest kwarc, którego odmianą jest krysz­tał gór­ski (Fot.1). Krze­mionka oraz inne związki krzemu, głów­nie krze­miany i gli­no­krze­miany budują zde­cy­do­waną więk­szość skał two­rzących sko­rupę ziem­ską. Od krzemu, wraz z gli­nem Al, pocho­dzi dawna nazwa naj­bar­dziej zew­nętrz­nej war­stwy sko­rupy ziem­skiej: sial.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tał gór­ski

W opra­co­wa­niach popu­lar­no­nau­ko­wych i edu­ka­cyj­nych krzem wydaje się być obecny pra­wie wyłącz­nie w postaci krze­mia­nów, np. w doświad­cze­niu nazy­wa­nym che­micz­nym ogro­dem [4]. Uwa­żam, że to duży błąd, ponie­waż pier­wia­stek ten two­rzy bar­dzo wiele związ­ków, a duża część z nich wyka­zuje cie­kawe wła­ści­wo­ści.

W niniej­szym arty­kule chciałbym przed­sta­wić spo­sób otrzy­my­wa­nia wol­nego krzemu, a także kilku jego inte­re­su­jących związ­ków. Oma­wiane pro­cesy z racji wyko­rzy­sta­nia nie­ty­po­wych z punktu widze­nia nau­czy­cieli i ucz­niów sub­stan­cji oraz metod mogą się wyda­wać nawiązy­wać do cza­sów alche­mii, co sta­nowi pewien ich urok. Pro­cesy te zostały jed­nak dokład­nie zba­dane i opi­sane.

Już na początku chciałbym też pro­sić Czy­tel­ni­ków, którzy zde­cy­dują się pow­tórzyć opi­sy­wane doświad­cze­nia o sto­so­wa­nie się do ostrze­żeń i ostrożn­ość, ponie­waż jakie­kol­wiek zanied­ba­nia mogą być tutaj bar­dzo nie­bez­pieczne!

Co i jak można otrzy­mać z pia­sku

Chcąc uzy­skać wolny krzem musimy się zao­pa­trzyć w odpo­wied­nie źródło tego pier­wiastka. W tym przy­padku będzie to krze­mionka. Można oczy­wi­ście wyko­rzy­stać czy­sty che­miczne tle­nek krzemu(IV), ale nie ma takiej potrzeby. Jak już wspom­niano, związki krzemu są jed­nym z głów­nych skład­ni­ków sko­rupy ziem­skiej – zwy­kły pia­sek jest pra­wie czy­stą krze­mionką. Do doświad­cze­nia naj­le­piej nadaje się tzw. pia­sek kwar­cowy. Cha­rak­te­ry­zuje się on jasną, cza­sem pra­wie białą barwą i zawiera mało domie­szek innych mine­ra­łów (Fot.2A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Przy­kła­dowe źródła tlenku krzemu(IV) do doświad­cze­nia; A – pia­sek kwar­cowy, B – zie­mia okrzem­kowa

Innym dobrym źródłem tlenku krzemu(IV) jest zie­mia okrzem­kowa, nazy­wana też dia­to­mi­tem (Fot.2B). Jest to osa­dowa skała orga­no­ge­niczna pow­stała głów­nie z pozo­sta­ło­ści okrze­mek Dia­to­mo­phy­ceae, będących jed­no­ko­mór­ko­wymi glo­nami [5]. Okrzemki odkła­dają w swo­jej ścia­nie komór­ko­wej (nazy­wa­nej sko­rupką theca i podzie­lo­nej na wieczko epi­theca oraz denko hypo­theca) krze­mionkę, która nadaje jej twar­dość [6]. Zie­mia okrzem­kowa jest żółt­a­wo­biała, lekka i sil­nie poro­wata. W sta­nie suchym pod wpły­wem nawet lek­kiego ruchu powie­trza wzbija się w postaci pyłu.

Ja w doświad­cze­niach wyko­rzy­sty­wa­łem zarówno pia­sek kwar­cowy, ja i zwy­kły oczysz­czony pia­sek i zie­mię okrzem­kową. Wszyst­kie surowce spraw­dzały się rów­nie dobrze.

Chcąc wyo­d­ręb­nić wolny krzem z jego tlenku, musimy go oczy­wi­ście zre­du­ko­wać. Posłu­żymy się w tym celu dosyć ener­gicz­nym reduk­to­rem, jakim jest meta­liczny magnez Mg [7].

W tym celu należy przy­go­to­wać mie­sza­ninę o skła­dzie wyra­żo­nym w pro­cen­tach maso­wych:

Pia­sek musi być czy­sty i bar­dzo dokład­nie wysu­szony, podob­nie jak pozo­stałe sub­stan­cje. Pozo­sta­wie­nie śla­dów wil­goci może być nie­bez­pieczne, ponie­waż two­rzy to ryzyko roz­pry­sku rea­gen­tów w cza­sie reak­cji.

Jeśli cho­dzi o magnez, to musimy użyć jak naj­drob­niej­szych opiłków tego metalu lub wręcz proszku. Tle­nek magnezu MgO pełni rolę pomoc­ni­czą i w razie braku można go pomi­nąć – wymaga to jed­nak dobra­nia nowych pro­por­cji pozo­sta­łych skład­ni­ków.

Wszyst­kie jak naj­do­kład­niej sprosz­ko­wane sub­stan­cje dokład­nie mie­szamy, po czym umiesz­czamy w cera­micz­nym tygielku (Fot.3). Nie pole­cam sto­so­wa­nia mie­sza­niny w ilo­ści więk­szej niż kil­ka­na­ście gra­mów.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Mie­sza­nina pia­sku, magnezu i tlenku magnezu w tygielku

Tygie­lek trzeba usta­wić koniecz­nie na nie­pal­nej i wytrzy­ma­łej na wysoką tem­pe­ra­turę powierzchni, np. na cegle sza­mo­to­wej lub gru­bej war­stwie suchego pia­sku.

By zapo­cząt­ko­wać reak­cję konieczne jest lokalne ogrza­nie mie­sza­niny do wyso­kiej tem­pe­ra­tury. Opty­malną metodą jest wyko­rzy­sta­nie wetk­niętej w mie­sza­ninę wstążki magne­zo­wej. Po jej pod­pa­le­niu należy się odsu­nąć na więk­szą odle­głość – konieczne są środki och­rony oso­bi­stej, w szcze­gól­no­ści oku­lary och­ronne!

Reak­cja między tlen­kiem krzemu(IV), a meta­licz­nym magne­zem jest sil­nie egzo­ter­miczna. W jej trak­cie zostaje uwol­niona duża ilość ener­gii na spo­sób cie­pła – zawar­tość tygielka roz­grzewa się do bia­ło­ści (Fot.4). Wypadki pęk­nięcia tygielka nie należą do rzad­ko­ści, m.in. wła­śnie dla­tego konieczna jest pod­stawa odporna na dzia­ła­nie wyso­kiej tem­pe­ra­tury.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Roz­ża­rzona zawar­tość tygielka

Reak­cja trwa zwy­kle kilka, kil­ka­dzie­siąt sekund. Tygie­lek należy potem nakryć i pozo­sta­wić do całk­o­wi­tego wysty­gnięcia. Tutaj uwaga: pro­dukty zaj­mują więk­szą objętość niż sub­straty, więc nigdy nie należy napełn­iać tygielka do więcej niż dwóch trze­cich jego objęto­ści. W prze­ciw­nym wypadku po reak­cji uzy­skamy efekt jak na Fot.5.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Mie­sza­nina pore­ak­cyjna

Przed­sta­wioną reak­cję można przed­sta­wić rów­na­niem:

SiO2 + 2Mg → Si + 2MgO

Jak widać, docho­dzi tutaj do reduk­cji tlenku krzemu(IV) wcho­dzącego w skład pia­sku za pomocą magnezu, który ulega utle­nie­niu. Dzięki temu pow­staje pier­wiast­kowy krzem. Reak­cja ta jest ana­lo­giczna do zacho­dzącej w przy­padku spa­la­nia ter­mitu, czyli mie­sza­niny tlen­ków żelaza i sprosz­ko­wa­nego glinu [8].

Jed­no­cze­śnie część pow­sta­łego krzemu w warun­kach reak­cji łączy się z magne­zem według:

2Mg + Si → Mg2Si

Krze­mek magnezu Mg2Si jest ciem­no­nie­bie­skim cia­łem sta­łym [9].

Mie­sza­nina pore­ak­cyjna zawiera oczy­wi­ście otrzy­many krzem, ale też pozo­sta­ło­ści nie­prze­re­a­go­wa­nej krze­mionki i magnezu, tle­nek magnezu oraz nie­wiel­kie ilo­ści jego krzemku.

By wydo­być z mie­sza­niny krzem naj­ła­twiej posłu­żyć się kwa­sem np. chlo­ro­wo­do­ro­wym HCl. Do zlewki zawie­ra­jącej 20cm3 kwasu o stęże­niu 36% należy powoli doda­wać sprosz­ko­waną mie­sza­ninę pore­ak­cyjną (Fot.6A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Roz­twa­rza­nie mie­sza­niny pore­ak­cyj­nej w kwa­sie chlo­ro­wo­do­ro­wym; A – doda­wa­nie mie­sza­niny do kwasu, B – samo­za­płon pow­sta­jącego gazu

W cza­sie reak­cji skład­ni­ków mie­sza­niny z kwa­sem uwal­niają się duże ilo­ści gazów. Co cie­kawe, gazy te ule­gają spon­ta­nicz­nemu zapło­nowi w kon­tak­cie z powie­trzem (Fot.6B). Dzieje się tak, ponie­waż krze­mek magnezu rea­guje z kwa­sem według:

4HCl + Mg2Si → 2MgCl2 + SiH4

Pow­stały mono­si­lan SiH4 jest reak­tyw­nym gazem i w kon­tak­cie z tle­nem atmos­fe­rycz­nym spala się spon­ta­nicz­nie do tlenku krzemu oraz wody:

SiH4 + 2O2 → SiO2 + 2H2O

Samo­za­płon mono­si­lanu wygląda szcze­gól­nie efek­tow­nie w ciem­no­ści (Fot.7). Należy zwrócić uwagę na widoczne zarówno na tej, jak i poprzed­niej foto­gra­fii smugi świetlne występu­jące obok pło­mie­nia spa­la­jącego się gazu. Są to ślady spa­la­nia się bar­dzo małych dro­bin nie­prze­re­a­go­wa­nego magnezu. Obec­ność magnezu w mie­sza­ni­nie pore­ak­cyj­nej może być źródłem poważn­ego nie­bez­pie­czeńs­twa. Otóż reak­cja tego metalu z kwa­sem pro­wa­dzi do uwal­nia­nia się gazo­wego wodoru H2. Należy brać pod uwagę możl­i­wość pow­sta­nia nie­wiel­kich ilo­ści tzw. mie­sza­niny pio­ru­nu­jącej czyli mie­sza­niny wodoru z tle­nem (np. pocho­dzącym z powie­trza) w sto­sunku objęto­ścio­wym 2:1. Ma ona silne wła­ści­wo­ści wybu­chowe, a eks­plo­zję może wywo­łać nawet najm­niej­sze źródło zapłonu. Logiczne jest więc, że w towa­rzy­stwie samo­za­pal­nego mono­si­lanu mogłoby to spo­wo­do­wać groźne następ­stwa, m.in. roz­prysk szkla­nych szcząt­ków naczy­nia i żrącego kwasu. Nie jest to częste zja­wi­sko, ale bezw­zględ­nie konieczne są środki och­rony oso­bi­stej, szcze­gól­nie w obrębie twa­rzy! By zmi­ni­ma­li­zo­wać ryzyko można przed­mu­chi­wać silny stru­mień gazo­wego dwu­tlenku węgla CO2 nad powierzch­nią cie­czy pod­czas reak­cji. Reak­cję trzeba pro­wa­dzić pod wyciągiem lub na zew­nątrz.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Samo­za­płon mono­si­lanu w kon­tak­cie z tle­nem z powie­trza

W reak­cji z kwa­sem roz­two­rze­niu ule­gają pozo­sta­ło­ści meta­licz­nego magnezu, a także tle­nek i krze­mek tego metalu.

Po kilku godzi­nach należy odsączyć pozo­stały osad, prze­myć go kil­ku­krot­nie wodą desty­lo­waną i wysu­szyć.

Otrzy­many osad (Fot.8) składa się w więk­szo­ści z krzemu Si z nie­wielką domieszką nie­prze­re­a­go­wa­nej krze­mionki. Krzem występuje tu w for­mie bez­po­sta­cio­wej. Można spróbo­wać prze­kry­sta­li­zo­wać go z roz­tworu w cie­kłym cynku Zn dla uzy­ska­nia więk­szych krysz­ta­łów [7][10].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Osad bez­po­sta­cio­wego krzemu Si

W tym miej­scu mogli­by­śmy spo­cząć na lau­rach i po pro­stu dołączyć krzem do kolek­cji pier­wiast­ków. Chciałbym jed­nak zapro­po­no­wać dal­szą syn­tezę, w wyniku której otrzy­mamy dosyć mało znany, a moim zda­niem bar­dzo inte­re­su­jący związek krzemu.

Silok­sen Wöh­lera

Surow­cem wyj­ścio­wym będzie tym razem otrzy­many w poprzed­niej reak­cji sil­nie roz­drob­niony krzem. Dodat­kowo potrze­bu­jemy też wap­nia Ca.

Wapń jest sre­brzy­sto­bia­łym meta­lem nale­żącym do grupy bery­low­ców nazy­wa­nych ina­czej meta­lami ziem alka­licz­nych. Wolny wapń jest reak­tywny i podob­nie jak sód czy potas musi być prze­cho­wy­wany np. w naf­cie lub oleju mine­ral­nym. Na powie­trzu w krót­kim cza­sie pokrywa się war­stwą tlenku CaO. Dopiero po jej zdra­pa­niu można dostrzec błysz­czącą powierzch­nię metalu (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Meta­liczny wapń pokryty war­stwą tlenku, strzałka wska­zuje świeżo odsło­niętą sre­brzy­stą powierzch­nię metalu

Wapń z racji łatwego utle­nia­nia się naj­ła­twiej prze­cho­wy­wać w postaci więk­szych frag­men­tów - utle­nia­nie zacho­dzi jedy­nie na powierzchni metalu. Nie­stety do doświad­cze­nia potrze­bu­jemy metalu w sta­nie roz­drob­nio­nym do zia­ren o roz­mia­rach naj­wy­żej rzędu mili­me­tra. Na szczę­ście wapń jest mięk­kim meta­lem, nie­wiele tward­szym od oło­wiu. Można go więc z łatwo­ścią skra­wać za pomocą pil­nika do metalu, czy nawet do drewna. Uzy­skane w ten spo­sób wióry są już odpo­wied­nie do doświad­cze­nia. Oczy­wi­ście należy je też prze­cho­wy­wać pod powierzch­nią cie­czy chro­niącej przed dostępem powie­trza. Do krót­k­iego prze­cho­wy­wa­nia wydaje się tu odpo­wiedni hek­san C6H14, ponie­waż uła­twia dodat­kowo wypłu­ka­nie śla­dów nafty czy oleju, w których był prze­cho­wy­wany wapń (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Roz­drob­niony wapń prze­cho­wy­wany pod powierzch­nią hek­sanu

Przy mani­pu­la­cjach z sil­nie roz­drob­nio­nym wap­niem należy uwa­żać, by nie zanie­czy­ścić nim skóry, a szcze­gól­nie oczu. Metal ten rea­guje egzo­ter­micz­nie z wodą (także tą wcho­dzącą w skład naszego ciała), w wyniku czego pow­staje alka­liczny roz­twór wodo­ro­tlenku wap­nia Ca(OH)2. Efek­tem nieu­wagi mogą być więc zarówno opa­rze­nia ter­miczne, jak i che­miczne.

Następ­nie przy­go­to­wu­jemy mie­sza­ninę o skła­dzie:

Wyko­rzy­stamy sil­nie roz­drob­niony krzem uzy­skany w poprzed­nim doświad­cze­niu. Nie­wielka domieszka krze­mionki nie sta­nowi pro­blemu. Roz­drob­niony wapń nato­miast przed waże­niem musi zostać oczy­wi­ście dokład­nie odsączony z pozo­sta­ło­ści hek­sanu i wysu­szony. Przy susze­niu należy uwa­żać, ponie­waż węglo­wo­dór ten jest lotną i wysoce łatwo­palną cie­czą. Tok­sycz­ność hek­sanu jest nie­wielka, ale trzeba brać pod uwagę, że wdy­cha­nie jego par może powo­do­wać stan sła­bej eufo­rii, sen­ność, zaw­roty głowy oraz nud­no­ści.

Całk­o­wi­cie suchą i pozba­wioną śla­dów hek­sanu mie­sza­ninę krzemu i wap­nia prze­no­simy do kolej­nego cera­micz­nego tygielka (Fot.11).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Mie­sza­nina krzemu z wap­niem w tygielku

Tygie­lek trzeba zamk­nąć odpo­wied­nią cera­miczną pokrywką, a następ­nie sil­nie ogrzać w pło­mie­niu pal­nika. Uprze­dzam, że pal­nik spi­ry­tu­sowy będzie tu z pew­no­ścią nie­wy­star­cza­jący – konieczny jest pal­nik gazowy. Po roz­grza­niu tygielka do czer­wo­no­ści roz­pocz­nie się w nim reak­cja syn­tezy krzemku wap­nia CaSi2 według rów­na­nia:

Ca + 2Si → CaSi2

Krze­mek wap­nia jest cia­łem sta­łym o tem­pe­ra­tu­rze top­nie­nia 1033°C. Po och­ło­dze­niu tygielka można wydo­być z niego dosyć twardy spiek skła­da­jący się w dużej mie­rze wła­śnie ze wspom­nia­nego krzemku (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Spie­czony pro­dukt zawie­ra­jący krze­mek wap­nia

Krze­mek ten jest nie­roz­pusz­czalny w wodzie, ale może roz­kła­dać się w kon­tak­cie z wil­go­cią (nawet pocho­dzącą z powie­trza) wywiązu­jąc wodór i prze­cho­dząc w wodo­ro­tle­nek wap­nia. Jest palny i w postaci roz­drob­nio­nej może ule­gać samo­za­pło­nowi. Z tych powo­dów naj­le­piej przy­stąpić do następ­nego etapu pracy bez­po­śred­nio po jego syn­te­zie.

Cały opi­sany dalej pro­ces z udzia­łem kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego powi­nien odby­wać się pod wyciągiem z racji uwal­nia­nia się z mie­sza­niny dużych ilo­ści drażn­iącego i tok­sycz­nego chlo­ro­wo­doru. W reak­cji tej pow­staje m.in. wodór, a ubocz­nie mogą pow­sta­wać nie­wiel­kie ilo­ści mono­si­lanu, więc należy przed­sięw­ziąć wspom­niane wcze­śniej środki ostrożn­o­ści z racji ryzyka pow­sta­nia mie­sza­niny pio­ru­nu­jącej, jej ewen­tu­al­nego zapłonu i eks­plo­zji.

W tym celu w zlewce o pojem­no­ści przy­najm­niej 100cm3 należy umie­ścić 23cm3 kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego o stęże­niu 36%. Do kwasu powoli doda­jemy pokru­szony spiek zawie­ra­jący krze­mek wap­nia i szybko ogrze­wamy do wrze­nia. Po chwili wpro­wa­dzamy do mie­sza­niny kolejną por­cję kwasu, tym razem w ilo­ści 12cm3 i ponow­nie dopro­wa­dzamy do wrze­nia. Po kilku minu­tach dole­wamy 70cm3 ogrza­nej do tem­pe­ra­tury 70-90°C wody desty­lo­wa­nej i jesz­cze raz ogrze­wamy do wrze­nia. Po kilku minu­tach prze­ry­wamy ogrze­wa­nie i pozo­sta­wiamy mie­sza­ninę do osty­gnięcia.

Już w cza­sie ogrze­wa­nia można zau­wa­żyć pow­sta­wa­nie dużych ilo­ści osadu. Osad ten należy następ­nie odsączyć i prze­myć kil­ku­pro­cen­to­wym roz­two­rem kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego. Trzeba się sta­rać przy tym odrzu­cić szybko opa­da­jące na dno naczy­nia pozo­sta­ło­ści m.in. krzemu.

Osad ma barwę brązowo-żółt­awą, cza­sem z zie­lon­ka­wym odcie­niem (Fot.13). Związek ten o wzo­rze Si6O3H6 jest nazy­wany silok­se­nem Wöh­lera, od nazwi­ska jego odkrywcy – dzie­więt­na­sto­wiecz­nego che­mika nie­miec­kiego.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.13 – Pow­stały w reak­cji osad silok­senu Wöh­lera

Prze­pro­wa­dzoną w ten spo­sób syn­tezę silok­senu Wöh­lera można opi­sać rów­na­niem reak­cji:

3CaSi2 + 6HCl + 3H2O → Si6O3H6 + 3CaCl2 + 3H2

Opi­sany silok­sen Wöh­lera nie jest nie­stety trwały – naj­le­piej syn­te­zo­wać go w miarę potrzeb i zużyć w ciągu mak­sy­mal­nie kilku dni. Nieco więk­szą trwa­łość wyka­zuje przy prze­cho­wy­wa­niu nie w sta­nie suchym, a zwil­żo­nym kil­ku­pro­cen­to­wym roz­two­rem kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego. Oczysz­czony osad naj­le­piej więc umie­ścić na dnie naczy­nia, pod kil­ku­cen­ty­me­trową war­stwą tego kwasu [11].

Nie stwier­dzono, by silok­sen miał jakieś silne wła­ści­wo­ści tok­syczne, ale jego dokładne dzia­ła­nie na orga­nizm ludzki nie zostało wyczer­pu­jąco zba­dane. Dla­tego w mani­pu­la­cjach z tym związ­kiem jest zale­cana ostrożn­ość.

Silok­sen Wöh­lera spala się nie­bie­skim pło­mie­niem, ale ma też inną cie­kawą wła­ści­wość, o której możemy prze­ko­nać się bar­dzo pro­sto [12].

Wystar­czy nie­wielką ilość tej sub­stan­cji roz­pro­wa­dzić w kil­ku­dzie­sięciu cen­ty­me­trach sze­ścien­nych roz­cieńczo­nego kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego (Cp poni­żej 1%). Silok­sen jest nie­roz­pusz­czalny i jego osad dosyć szybko opada na dno, więc przy­datne jest ciągłe mie­sza­nie (Fot.14A). Do takiej mie­sza­niny należy dodać kilka krysz­tałków lub nieco roz­tworu man­ga­nianu(VII) potasu KMnO4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.14 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja silok­senu Wöh­lera; A – zawie­sina silok­senu w roz­cieńczo­nym roz­two­rze kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego, B – che­mi­lu­mi­ne­scen­cja widoczna po doda­niu nie­wiel­kiej ilo­ści man­ga­nianu(VII) potasu (ISO­400, 3s)

Można zaob­ser­wo­wać wtedy bar­dzo wyraźną che­mi­lu­mi­ne­scen­cję o bar­wie czer­wono – poma­rańczo­wej, która w zależn­o­ści od ilo­ści uży­tych sub­stan­cji może trwać od kilku sekund do kilku minut (Fot.14B). Bez mie­sza­nia rea­genty opa­dają powoli na dno naczy­nia, gdzie dalej rea­gują – wtedy lumi­ne­scen­cja jest wyraźnie słab­sza, ale trwa dłu­żej.

Reak­cję można też pro­wa­dzić w dłu­giej, szkla­nej rurze wypełn­io­nej zawie­siną silok­senu Wöh­lera w roz­two­rze kwasu. Wtedy za każdym wrzu­co­nym do naczy­nia krysz­tałk­iem man­ga­nianu(VII) ciągnie się świe­tli­sta smużka, co wygląda bar­dzo efek­tow­nie.

Można zasta­na­wiać się czy fakt, że do reak­cji docho­dzi w fio­le­to­wym roz­two­rze man­ga­nianu(VII) potasu nie wpływa na nasz odbiór barwy gene­ro­wa­nego w ten spo­sób świa­tła. Można się prze­ko­nać o tym w pro­sty spo­sób. Zamiast przy­go­to­wy­wać zawie­sinę che­mi­lu­mi­no­foru w roz­two­rze kwasu, przy­go­tujmy roz­cieńczony roz­twór kwasu wraz z man­ga­nia­nem(VII). Na jego powierzchni należy wtedy poło­żyć frag­ment bibuły fil­tra­cyj­nej z odro­biną silok­senu (Fot.15A).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.15 – Obser­wa­cja barwy che­mi­lu­mi­ne­scen­cji silok­senu Wöh­lera; A – silok­sen umiesz­czony na bibule fil­tra­cyj­nej uno­szącej się na powierzchni roz­tworu roz­cieńczo­nego kwasu chlo­ro­wo­do­ro­wego i man­ga­nianu(VII) potasu, B – poma­rańczowa barwa che­mi­lu­mi­ne­scen­cji (ISO­400, 3s)

Widoczna wtedy barwa świa­tła jest rze­czy­wi­ście wyraźnie poma­rańczowa (Fot.15B). Barwa ta jest zau­wa­żal­nie inna niż np. w cza­sie che­mi­lu­mi­ne­scen­cji tlenu sin­gle­to­wego (Fot.16), który można uzy­skać dzia­ła­jąc wol­nym chlo­rem Cl2 lub dich­lo­ro­i­zo­cy­ja­nu­ra­nem sodu C3N3O3Cl2Na na alka­liczny roz­twór nad­tlenku wodoru H2O2 o stęże­niu 30% [13][14].

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.16 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja tlenu sin­gle­to­wego (ISO­400, 1s)

Cie­kawy efekt można uzy­skać także roz­cie­ra­jąc nieco wil­got­nego, zakwa­szo­nego silok­senu Wöh­lera na papie­rze lub bibule i roz­sy­pu­jąc na pow­sta­łej pla­mie nieco krysz­tałków man­ga­nianu (VII) potasu (Fot.17).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.17 – Krysz­tałki man­ga­nianu(VII) potasu roz­sy­pane na pla­mie roz­tar­tego silok­senu Wöh­lera

Po zga­sze­niu świa­tła naszym oczom ukaże się wtedy widok przy­po­mi­na­jący roz­gwieżdżone niebo (Fot.18). Po bliższym przyj­rze­niu się można dostrzec, że świecą tutaj nie­wiel­kie strefy wokół każd­ego krysz­tałka mającego kon­takt z che­mi­lu­mi­no­fo­rem.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.18 – Che­mi­lu­mi­ne­scen­cja silok­senu wokół krysz­tałków man­ga­nianu(VII) potasu

Opi­sane doświad­cze­nia z che­mi­lu­mi­ne­scen­cją są bar­dzo efek­towne i dosyć bez­pieczne, co spra­wia, że nadają się one do wyko­rzy­sta­nia w cza­sie poka­zów przed sze­roką publicz­no­ścią.

Wyja­śnie­nie

Naj­ważn­iej­sze gospo­dar­czo związki krzemu to krze­mionka, będąca pod­sta­wo­wym skład­ni­kiem pia­sku i szkła, kwasy krze­mowe o zróżn­i­co­wa­nej budo­wie, ich sole tj. krze­miany wcho­dzące w skład np. szkła wod­nego, a także chlo­ro­si­lany i alkok­sy­si­lany sta­no­wiące pod­sta­wowe sub­straty do pro­duk­cji żeli krze­mion­ko­wych.

Co cie­kawe, krzem two­rzy łańc­u­chy typu krzem-krzem, krzem-tlen-krzem oraz krzem-azot-krzem. Ta cecha upo­dab­nia oma­wiany pier­wia­stek do węgla. Grupa tego typu związ­ków krzemu jest dosyć liczna, lecz dużo mniej­sza niż podob­nych związ­ków węgla.

Krzem two­rzy grupę związ­ków z wodo­rem ana­lo­giczną do związ­ków węgla – węglo­wo­do­rów. Krze­mo­wo­dory nazy­wane bywają także sila­nami i są bez­barw­nymi gazami lub cie­czami o cha­rak­te­ry­stycz­nym nie­przy­jem­nym zapa­chu. Są tru­jące i nie roz­pusz­czają się w wodzie. Naj­prost­szym krze­mo­wo­do­rem jest wła­śnie otrzy­many przez nas mono­si­lan o wzo­rze struk­tu­ral­nym przed­sta­wio­nym na Rys.1A.

Ilustracja
Rys.1 – Ana­lo­giczne związki krzemu i wodoru; A – mono­si­lan SiH4, B – metan CH4

Rzuca się w oczy podo­bieńs­two z naj­prost­szym węglo­wo­do­rem, czyli meta­nem CH4 (Rys.1B). W obu przy­pad­kach budowa cząsteczki jest tetra­e­dryczna, z ato­mami wodoru w wierz­chołk­ach. Dłu­gość wiąza­nia Si-H w mono­si­la­nie wynosi 147,98pm, nato­miast dłu­gość wiąza­nia C-H w meta­nie 108,70pm.

Krze­mo­wo­dory two­rzą dużą liczbą pochod­nych. Ich wła­ści­wo­ści zależą w dużej mie­rze od pod­staw­ni­ków. Porów­nu­jąc je z ana­lo­gicz­nymi związ­kami węgla, obser­wuje się tu zwy­kle więk­szą reak­tyw­ność ze względu na wyraźn­iej­szą pola­ry­za­cję wiązań krzem-nie­me­tal niż węgiel-nie­me­tal. Zau­wa­ży­li­śmy to już w przy­padku mono­si­lanu, który zapala się w kon­tak­cie z tle­nem z powie­trza.

Także otrzy­many przez nas silok­sen Wöh­lera wyka­zuje pewne podo­bieńs­twa ze związ­kami węgla. Jest to mia­no­wi­cie związek cykliczny, którego cząsteczki two­rzą pła­ską struk­turę przed­sta­wioną na Rys.2.

Ilustracja
Rys.2 – Struk­tura silok­senu Wöh­lera; szary – pier­ście­nie silok­senu, nie­bie­skie – krzem wraz z wodo­rem, czer­wone – tlen

Silok­sen Wöh­lera w zależn­o­ści od stop­nia utle­nie­nia może być bez­barwny, żółty, poma­rańczowy, ale też bru­natny, czy nawet czarny [15].

Mecha­nizm che­mi­lu­mi­ne­scen­cji jest podobny jak w innych przy­pad­kach, tj. pod­czas utle­nia­nia sub­stratu docho­dzi do pow­sta­nia nie­tr­wa­łego indy­wi­duum che­micz­nego ist­nie­jącego w sta­nie wzbu­dzo­nym. Ener­gia wzbu­dze­nia zostaje następ­nie oddana do śro­do­wi­ska czę­ściowo w postaci świa­tła, co można zaob­ser­wo­wać. Inte­re­su­jące jest jed­nakże, że w tym przy­padku docho­dzi do tego w śro­do­wi­sku kwa­śnym, pod­czas gdy więk­szość reak­cji che­mi­lu­mi­ne­scen­cji związ­ków orga­nicz­nych (czyli będących związ­kami węgla) wyka­zuje tę wła­sność w śro­do­wi­sku zasa­do­wym.

Silok­sen Wöh­lera może pełnić rolę lumi­ne­scen­cyj­nego indy­ka­tora w che­mii ana­li­tycz­nej.

Myślę, że Czy­tel­nik zgo­dzi się ze mną, jeśli stwier­dzę, że tak zda­wa­łoby się zwy­czajna i nie­cie­kawa sub­stan­cja jaką jest pia­sek dostar­czyła nam mate­riału do bar­dzo wielu inte­re­su­jących i zaska­ku­jących doświad­czeń, a także wyni­ka­jących z nich spo­strze­żeń.

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie zdjęcia pocho­dzą od Autora.

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

Poni­żej przed­sta­wiam film ilu­stru­jący etap reduk­cji krze­mionki i wła­ści­wo­ści piro­fo­ryczne mono­si­lanu:

Marek Ples

Aa