Weird Science

Niebiesko-pomarańczowa reakcja odwracalna

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2020):

Ilustracja

Ples M., Nie­bie­sko-poma­rańczowa reak­cja odw­ra­calna, Che­mia w Szkole, 1 (2020), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 22-24

Kolo­rowa che­mia

Hera­klit z Efezu, grecki myśli­ciel żyjący na prze­ło­mie V i VI wieku przed naszą erą, stwier­dził, że cechą wła­ściwą wszyst­kiemu co nas ota­cza jest zmiana. Wyra­ził to w swo­jej słyn­nej mak­sy­mie πάντα ῥεῖ (panta rhei, z gr. "wszystko pły­nie"). Hera­klit gło­sił, że naj­ważn­iej­szą cechą bytu jest ciągłe sta­wa­nie się się i prze­mi­ja­nie. Wszystko co ist­nieje się zmie­nia - nie ginie bez­pow­rot­nie, ani też nie pow­staje z niczego [1]. Fascy­nu­jące jest, że w ten poe­tycki spo­sób filo­zof prze­czuł to do czego nauka doszła w wiele wie­ków późn­iej, a mia­no­wi­cie zasadę zacho­wa­nia ener­gii, a także jej rów­no­ważn­ość z mate­rią.

Zna­ko­mi­cie w myśl Hera­klita wpi­suje się che­mia - jest to prze­cież nauka zaj­mu­jąca się opi­sem wła­ści­wo­ści sub­stan­cji, a także ich prze­mian zacho­dzących pod wpły­wem zróżn­i­co­wa­nych czyn­ni­ków. W murach szkoły, na eta­pie zazna­ja­mia­nia z taj­ni­kami tej dzie­dziny do mło­dych umy­słów naj­bar­dziej prze­ma­wiają aspekty, które można zwi­zu­a­li­zo­wać za pomocą pro­stych, ale efek­tow­nych doświad­czeń. Dla­tego pre­zen­to­wany dzi­siaj eks­pe­ry­ment pozwala uzmy­sło­wić sobie w naoczny spo­sób, jak zaska­ku­jące mogą być prze­miany che­miczne. W tym wypadku prze­ja­wiają się one odw­ra­cal­nymi i kon­tra­sto­wymi zmia­nami koloru cie­czy.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Doświad­cze­nie

W celu prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia potrze­bu­jemy zgro­ma­dzić sub­stan­cje z poniższej, na szczę­ście nie­zbyt dłu­giej listy:

Winian potasu sodu jest orga­nicz­nym związ­kiem che­micz­nym, solą podwójną dikar­bok­sy­lo­wego kwasu wino­wego C4H6O6 oraz dwóch metali alka­licz­nych: potasu K i sodu Na (Rys.1).

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny winianu potasu sodu

W han­dlu naj­czę­ściej występuje w postaci czte­ro­wod­nej jako ciało kry­sta­liczne o bar­wie bia­łej (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały winianu potasu sodu

Związek ten ma sze­ro­kie zasto­so­wa­nie w prze­my­śle i nauce. Jest wyko­rzy­sty­wany między innymi jako czyn­nik kom­plek­su­jący kationy mie­dziowe Cu2+ w reak­cjach na wykry­wa­nie wła­ści­wo­ści redu­ku­jących aldoz za pomocą odczyn­nika Feh­linga lub innych [2].

Winian potasu sodu jest sto­so­wany od dawna w lecz­nic­twie jako śro­dek prze­czysz­cza­jący, gdzie jest nazy­wany ina­czej solą Sei­gnette'a lub solą z Rochelle. Jako doda­tek E337 zna­lazł zasto­so­wa­nie w prze­my­śle spo­żyw­czym – pełni rolę prze­ci­w­u­tle­nia­cza i regu­la­tora kwa­so­wo­ści.

Nad­tle­nek wodoru H2O2 o stęże­niu 3% to woda utle­niona, do naby­cia w każdej aptece. Pamiętajmy jed­nak, że w więk­szych stęże­niach sub­stan­cja ta jest sil­nie żrąca i z łatwo­ścią nisz­czy nasze tkanki powo­du­jąc zmiany mar­twi­cze i trudno gojące się opa­rze­nia.

Jako źródło potrzeb­nych w ukła­dzie reak­cyj­nym dwu­do­dat­nich jonów mie­dzi Cu2+ uży­jemy siar­czan(VI) mie­dzi(II) w postaci pen­ta­hy­dratu CuSO4·5H2O. Jest to ciało kry­sta­liczne o pięk­nej nie­bie­skiej bar­wie (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Siar­czan(VI) mie­dzi(II)

Do cie­ka­wo­stek należy zali­czyć fakt, że sub­stan­cja ta była znana alche­mi­kom jako witriol mie­dzi (łac. Vitriol coe­ru­leum). Pamiętajmy, że związek ten jest solą metalu ciężk­iego i jako taki ma tok­syczne dzia­ła­nie na nasz orga­nizm – wyka­zuje też dosyć silne wła­ści­wo­ści grzy­bo­bój­cze.

By móc prze­pro­wa­dzić doświad­cze­nie musimy przy­go­to­wać następu­jące roz­twory:

We wszyst­kich przy­pad­kach musimy wyko­rzy­stać wodę desty­lo­waną. Roz­twory są trwałe, można je dosyć długo prze­cho­wy­wać w ciem­no­ści i naj­le­piej w obni­żo­nej tem­pe­ra­tu­rze, np. w lodówce.

Spo­sób wyko­na­nia

Roz­twór A i B trzeba zmie­szać razem – pow­stała w ten spo­sób ciecz jest w dal­szym ciągu całk­o­wi­cie bez­barwna i przej­rzy­sta (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Próbka mie­sza­niny roz­two­rów A i B

Mie­sza­ninę następ­nie umiesz­czamy w kol­bie o pojem­no­ści przy­najm­niej 100cm3 i ostrożnie ogrze­wamy mie­rząc jej tem­pe­ra­turę. Przy­datna jest wtedy płyta grzejna wypo­sa­żona w mie­sza­dło magne­tyczne, ale to ostat­nie nie jest bezw­zględ­nie konieczne (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Bez­barwny roz­twór

Kiedy tem­pe­ra­tura roz­tworu osiągnie 50°C, należy dodać roz­twór C w objęto­ści 0,5cm3. Ciecz przyj­muje wtedy głęboki, nie­bie­ski kolor – dużo bar­dziej inten­sywny niż barwa doda­wa­nego roz­tworu (Fot.5). Pozo­staje jed­nak w dal­szym ciągu przej­rzy­sta.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Błękitny roz­twór

Kon­ty­nu­u­jąc obser­wa­cje możemy zau­wa­żyć, że po chwili roz­twór zaczyna się sil­nie pie­nić, a jego tem­pe­ra­tura wzra­sta samo­rzut­nie do pra­wie 90°C. W pew­nym momen­cie ciecz przyj­muje piękną poma­rańczowo-złotą barwę (Fot.6). Staje się wtedy także nie­przej­rzy­sta. Zmiana jest bar­dzo gwałt­owna – zacho­dzi dosłow­nie w mgnie­niu oka.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Poma­rańczowa zawie­sina

Przej­ście barwne jest bar­dzo kon­tra­stowe i wido­wi­skowe. Często można usły­szeć wtedy mniej lub bar­dziej wyraźny okrzyk zdzi­wie­nia widzów.

Doda­tek nowej por­cji roz­tworu B powo­duje pow­rót do postaci kla­row­nej o nie­bie­skiej bar­wie. Wystar­czy jed­nak pocze­kać chwilę, by ciecz stała się na pow­rót poma­rańczowa. Przej­ścia barwne można w ten spo­sób pow­ta­rzać wie­lo­krot­nie, pod warun­kiem zacho­wa­nia odpo­wied­nio wyso­kiej tem­pe­ra­tury cie­czy.

Chciałbym jesz­cze raz pod­kre­ślić, że ważne jest, aby pro­wa­dzić reak­cję w naczy­niu o odpo­wied­nio dużej objęto­ści. Powo­dem jest wydzie­la­nie się w cza­sie pro­cesu dużych ilo­ści gazu i pie­nie­nie się cie­czy - może docho­dzić wtedy do roz­pry­sku, a nawet wyla­nia się czę­ści mie­sza­niny reak­cyj­nej z naczy­nia, jak to widać na Fot.7.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Efekt zasto­so­wa­nia zbyt małego naczy­nia lub zbyt dużej objęto­ści roz­two­rów

Poni­żej przed­sta­wiam także film uka­zu­jący swo­i­sty dra­ma­tyzm wspom­nia­nego efektu:

film: doda­tek autora

Wyja­śnie­nie

Przed­sta­wiona reak­cja jest cie­ka­wym przy­kła­dem pro­cesu redoks. W jej trak­cie skom­plek­so­wane przez reszty winia­nowe C4H4O62- jony mie­dzi Cu2+ zostają zre­du­ko­wane z dru­giego stop­nia utle­nie­nia na pierw­szy. W opi­sa­nych warun­kach pow­staje wtedy zawie­sina nie­roz­pusz­czal­nego tlenku mie­dzi(I) zwa­nego ina­czej kupry­tem Cu2O - tego samego, który obser­wu­jemy w razie uzy­ska­nia pozy­tyw­nego wyniku wspom­nia­nej wcze­śniej reak­cji Feh­linga [4]. Tle­nek ten w postaci litej ma barwę ciem­no­czer­woną lub nawet brązową, ale jako drob­no­kry­sta­liczna zawie­sina w wodzie jest jasno­po­ma­rańczowy [5]. Z układu reak­cyj­nego wydo­staje się mie­sza­nina gazów, w więk­szo­ści skła­da­jąca się z tlenu O2 uzy­ska­nego na dro­dze roz­kładu nad­tlenku. Ważnym szcze­gółem jest jed­nak fakt, że wraz z tle­nem pow­stają tutaj nie­wiel­kie ilość dwu­tlenku węgla CO2, naj­wy­raźn­iej w wyniku utle­nia­nia winianu. Z obser­wa­cji wynika, że w każdym cyklu zmiany barwy jedy­nie około 2-3% winianu ulega utle­nie­niu, dzięki czemu pro­ces może być pow­ta­rzany kil­ku­krot­nie dzięki dodat­kowi nowych por­cji nad­tlenku wodoru i zacho­wa­niu odpo­wied­niej tem­pe­ra­tury. Można także zau­wa­żyć stop­niowy wzrost pH śro­do­wi­ska reak­cji od war­to­ści bli­skiej 5 na początku, do około 9 po kilku cyklach. Moment zmiany barwy (reduk­cja mie­dzi) jest związany z wyczer­pa­niem się w śro­do­wi­sku reak­cji utle­nia­cza, czyli nad­tlenku wodoru. Kolejny doda­tek tej sub­stan­cji powo­duje ponowne prze­nie­sie­nie mie­dzi na drugi sto­pień utle­nie­nia, a więc wykla­ro­wa­nie roz­tworu i jego zmianę barwy na nie­bie­ską, co zapo­cząt­ko­wuje kolejny cykl zmian koloru [6].

Lite­ra­tura:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez 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.

Marek Ples

Aa