Weird Science

Ile waży błękit?

Czy barwa może mieć jakiś ciężar? Dziwne to pyta­nie; nie jest więc dla czy­tel­nika zapewne zdzi­wie­niem, że odpo­wiedź może nie być oczy­wi­sta.

Zasta­nówmy się czym jest barwa. W ści­śle fizycz­nym zna­cze­niu barwa jest repre­zen­ta­cją dłu­go­ści fali pro­mie­nio­wa­nia elek­tro­ma­gne­tycz­nego z zakresu widzial­nego. Czło­wiek widzi świa­tło w zakre­sie dłu­go­ści fal mniej więcej 380-780 nano­me­trów, przy czym naj­krót­sze dłu­go­ści fal są przez nas dostrze­gane jako świa­tło nie­bie­skie i fio­le­towe, naj­dłuższe zaś jako czer­wone (reszta barw ma dłu­go­ści fali pośred­nie między tymi dwiema war­to­ściami). W tym sen­sie zasta­na­wia­nie się nad cięża­rem barwy jest bez­sen­sowne, ponie­waż fotony nie posia­dają masy spo­czyn­ko­wej, a tym bar­dziej nie posiada jej fala elek­tro­ma­gne­tyczna.

Mimo wszystko che­mik potra­fiłby jed­nak wygrać zakład, że uda mu się zwa­żyć kolor nie­bie­ski. W tym celu wyko­rzy­stamy wła­ści­wo­ści pen­ta­hy­dratu siar­czanu(VI) mie­dzi(II).

Siar­czan(VI) mie­dzi(II) jest solą często i pow­szech­nie wyko­rzy­sty­waną w labo­ra­to­riach che­micz­nych i prze­my­śle. Wyko­rzy­sta­li­śmy ją też w  próbie Feh­linga. Sub­stan­cja ta w nor­mal­nych warun­kach for­muje piękne, duże krysz­tały o bar­wie nie­bie­skiej, co można zaob­ser­wo­wać poni­żej.

Ilustracja

źródło: http://upload.wiki­me­dia.org/wiki­pe­dia/com­mons/d/d8/Cop­per_sul­fate.jpg, dostęp: 12.08.2011

Siar­czan ten bywa z racji swo­jej barwy nazy­wany sinym lub nie­bie­skim kamie­niem, występuje także w natu­rze jako mine­rał chal­kan­tyt. Z cza­sów alche­mi­ków pocho­dzi także inna nazwa: witriol. Cie­ka­wostką może być fakt, że nazwa ta jest w isto­cie alche­micz­nym akro­ni­mem łacińs­kim, który brzmi

"Visita Inte­riora Ter­rae Rec­ti­fi­cando Inve­nies Occul­tum Lapi­dem",

co mogę prze­tłu­ma­czyć jako:

"Zwiedź wnętrze Ziemi, dzięki oczysz­cze­niu znaj­dziesz tam ukryty kamień".

Jest to oczy­wi­ste nazwiąza­nie do poszu­ki­wań kamie­nia filo­zo­ficz­nego.

Ostrze­że­nie: CuSO4 · 5H2O nie jest silną tru­ci­zną, ale wyka­zuje dzia­ła­nie tok­syczne. Należy zacho­wać ostrożn­ość i odpo­wied­nie środki bez­pie­czeńs­twa. Autor nie bie­rze jakiej­kol­wiek odpo­wie­dzial­no­ści za wszel­kie mogące pow­stać szkody. Robisz to na wła­sne ryzyko!

Ważymy!

Do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia potrze­bu­jemy wła­ści­wie tylko siar­czanu(VI) mie­dzi(II) w postaci pen­ta­hy­dratu CuSO4·5H2O. Krysz­tały sprosz­kujmy, ucie­ra­jąc je w moździeżu. Otrzy­many pro­szek ma nieco jaśniej­szy kolor niz krysz­tały, jed­nak z całą pew­no­ścią w dal­szym ciągu jest nie­bie­ski. Zważmy go teraz:

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Widzimy, że uży­łem 10,04 grama CuSO4·5H2O w postaci nie­bie­skiego proszku.

Teraz musimy ogrze­wać sub­stan­cję do tem­pe­ra­tury około 200°C przez kilka, kil­ka­na­ście minut. W cza­sie ogrze­wa­nia docho­dzi do wyraźnie widocz­nej zmiany: znika błękitna barwa, pro­szek jest teraz biały! Ponow­nie zważmy jesz­cze gorącą sub­stan­cję.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Waga wska­zuje teraz 6,44 grama. W cza­sie ogrze­wa­nia zni­kła barwa nie­bie­ska, zaś masa próbki zma­lała o 10,04g-6,44g=3,6g! Stąd możemy wyciągnąć wnio­sek, że wła­snie tyle waży kolor nie­bie­ski. Czy słusz­nie?

Wyja­śnie­nie

Siar­czan(VI) mie­dzi(II) CuSO4 w zwy­kłych warun­kach występuje pod posta­cią hydratu, czyli soli uwod­nio­nej. W takich sub­stan­cjach cząsteczki wody zostają zamk­nięte w obrębie sieci kry­sta­licz­nej innego związku. Hydraty mają to do sie­bie, że na jedną cząsteczkę soli przy­pada ści­śle okre­ślona ilość cząste­czek wody, w przy­padku CuSO4 pięć. Jest to więc pen­ta­hy­drat o wzo­rze CuSO4·5H2O. Ma on nie­bie­ski kolor.

W wyniku ogrze­wa­nia hydrat traci wodę, która wypa­ro­wuje; w tem­pe­ra­tu­rze 197°C sól staje się bez­wodna i zmie­nia kolor na biały. Ilu­struje to poniższe rów­na­nie reak­cji.

Ilustracja

Ula­tu­jąca z układu reak­cyj­nego woda powo­duje uby­tek masy. Drogą pro­stych obli­czeń możemy dojść wiel­ko­ści tej zmiany masy. Potrzebna nam będzie masa molowa hydratu i wody:

Zna­jąc zależn­o­ści molowe wyni­ka­jące z rów­na­nia reak­cji, a także ilość wziętego do doświad­cze­nia hydratu, możemy sfor­mu­ło­wać poniższą pro­por­cję (w prze­li­cze­niu na mol):

249,69 gCuSO4·5H2O––-5*18 gH2O (dane z rów­na­nia reak­cji)
10,04 gCuSO4·5H2O––-x gH2O (ile było w rze­czy­wi­sto­ści)

Wynika stąd rów­na­nie na wyli­cze­nie ilo­ści wody, jaka powinna odpa­ro­wać w tym doświad­cze­niu:

x gH2O=(10,04*5*18)/249,69=3,62g

W ten spo­sób wyzna­czy­li­śmy ilość wody, jaka odpa­ro­wała w trak­cie pra­że­nia hydratu. Otrzy­many wynik jest bar­dzo zbli­żony do uzy­ska­nego empi­rycz­nie, dzięki waże­niu (3,6g). W ten spo­sób możemy stwier­dzić z całą pew­no­ścią, że zwa­ży­li­śmy nie sam kolor nie­bie­ski, lecz wodę, która wypa­ro­wała z sieci kry­sta­licz­nej, pociąga­jąc za sobą zmianę barwy.

Trzeba też wspom­nieć, że możl­iwy jest pro­ces odw­rotny: otrzy­mana sól bez­wodna jest bar­dzo higro­sko­pijna i łatwo chło­nie wil­goć. Efek­tem tego jest fakt, że wysta­wiony na kon­takt z powie­trzem biały CuSO4 po pew­nym cza­sie przej­dzie w CuSO4·5H2O, a nie­bie­ska barwa zosta­nie przyw­rócona.

Życzę miłej i pou­cza­jącej zabawy:)

Lite­ra­tura dodat­kowa

Marek Ples

Aa