Weird Science

Zegar jodowy

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Bio­lo­gia w Szkole (4/2023):

Ilustracja

Ples M., Zegar jodowy, Bio­lo­gia w Szkole, 4 (2023), Forum Media Pol­ska Sp. z o.o., str. 38-41

Bio­lo­gia, jak wiele innych nauk przy­rod­ni­czych, jest dys­cy­pliną o cha­rak­te­rze doświad­czal­nym, w której eks­pe­ry­menty odgry­wają klu­czową rolę w pro­ce­sie nauki. W świe­cie bio­lo­gii, pozna­nie teo­rii to tylko początek przy­go­dya, a praw­dziwe zro­zu­mie­nie i odkry­cie zacho­dzących pro­ce­sów wymaga wkro­cze­nia w świat eks­pe­ry­men­tów.

Wie­dza nau­kowa, szcze­gól­nie w dzie­dzi­nie bio­lo­gii, ma nie­o­ce­nione zna­cze­nie zarówno dla mło­dych ludzi, jak i dla doro­słych, którzy z nich wyro­sną. Dla mło­dych ludzi, nauka bio­lo­giczna jest klu­czem do odkry­wa­nia tajem­nic przy­rody, rozu­mie­nia jej zja­wisk i ksz­tałt­o­wa­nia świa­do­mo­ści eko­lo­gicz­nej. Przez eks­pe­ry­menty, ucz­nio­wie doświad­czają fascy­na­cji odkry­wa­niem, a ich umie­jęt­ność ana­li­tycz­nego myśle­nia i logicz­nego rozu­mo­wa­nia roz­wija się, otwie­ra­jąc drzwi do przy­szłej kariery nau­ko­wej lub świa­do­mego podej­ścia do świata.

Dla doro­słych z kolei – czyli także ucz­niów, tyle, że późn­iej - bio­lo­gia i eks­pe­ry­menty mogą być źródłem ciągłego roz­woju i satys­fak­cji. Pogłębia­nie wie­dzy przy­rod­ni­czej pozwala lepiej zro­zu­mieć świat, w którym żyjemy, a także anga­żo­wać się w spo­łecz­ność nau­kową, podej­mo­wać odpo­wie­dzialne decy­zje doty­czące śro­do­wi­ska natu­ral­nego i zdro­wia. Eks­pe­ry­menty sta­no­wią klucz do roz­woju umie­jęt­no­ści roz­wiązy­wa­nia pro­ble­mów kre­a­tyw­no­ści i ela­stycz­no­ści myśle­nia.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Opi­sane doświad­cze­nie dosko­nale łączy dzie­dziny che­mii i bio­lo­gii, np. poprzez wyko­rzy­sta­nie natu­ral­nie wyste­pu­jących sub­stan­cji takich jak skro­bia.

Pro­sto, ale efek­tow­nie!

Zegar jodowy, to jedno z tych doświad­czeń che­micz­nych, które wspa­niale bawią i zafa­scy­nują zarówno ucz­niów na lek­cjach che­mii, jak i publicz­ność na poka­zach nau­ko­wych. Jego wyko­na­nie jest nie­zwy­kle pro­ste, nie wymaga trudno dostęp­nych sub­stan­cji che­micz­nych, a rezul­tat jest naprawdę zaska­ku­jący, zarówno pod względem wizu­al­nym, jak i dalej idących prze­my­śleń [1].

Zegar jodowy należy do rodziny reak­cji zega­ro­wych, które wyko­rzy­stują sprzęże­nie dwóch rów­no­le­głych reak­cji: szyb­kiej i powol­nej. Główną atrak­cją tego doświad­cze­nia jest zmiana barwy roz­tworu, która następuje nagle po upły­wie pew­nego okre­ślo­nego czasu [2].

Czego potrze­bu­jemy?

Wszyst­kie potrzebne sub­stan­cje che­miczne są łatwo dostępne:

Wszyst­kie potrzebne sub­stan­cje można zoba­czyć na Fot.1.

Fot.1 – Mate­riały potrzebne do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia

Co prawda, w tym doświad­cze­niu nie występują żadne sil­nie tru­jące che­mi­ka­lia, jed­nak należy zacho­wać ostrożn­ość jak zaw­sze przy pracy z sub­stan­cjami che­micz­nymi. W przy­padku jodyny należy zacho­wać ostrożn­ość, ponie­waż plamy jodu są trudne do usu­nięcia. Warto sto­so­wać odpo­wied­nie środki och­ronne, m.in. far­tuch labo­ra­to­ryjny i ręka­wiczki jed­no­ra­zowe.

Należy przy­go­to­wać roz­twór kwasu askor­bi­no­wego przez roz­pusz­cze­nie jed­nej tabletki (100mg) w około 25cm3 wody desty­lo­wa­nej. Skro­bia nie roz­pusz­cza się w zim­nej wodzie; nie­wielką jej ilość należy roz­pro­wa­dzić we wrzątku, a potem roz­cieńczyć pow­stały kleik skro­biowy zimną wodą. Przy­go­to­wane roz­twory jest wygod­nie prze­lać do odpo­wied­nich bute­le­czek, np. z two­rzywa sztucz­nego (Fot.2).

Fot.2 – Gotowe roz­twory

Zaczy­namy pokaz

W cza­sie pokazu musimy wyko­nać czyn­no­ści w okre­ślo­nej kolej­no­ści, której zacho­wa­nie jest bar­dzo ważne. Pierw­szą rze­czą jaką musimy zro­bić, jest wla­nie do naczy­nia kilku kro­pli jodyny, czyli alko­ho­lo­wego roz­tworu roz­tworu jodu I2, a jonów trój­jod­ko­wych I3- (fot. 3A). Jodyna jest ciem­no­czer­woną, bru­natną cie­czą o cha­rak­te­ry­stycz­nym zapa­chu.

Fot.3 – Kolejne etapy przy­go­to­wa­nia roz­tworu; opis w tek­ście

Następ­nie do roz­tworu doda­jemy powoli po kro­pli roz­twór wita­miny C, za każdym razem mie­sza­jąc. W pew­nym momen­cie docho­dzi do odbar­wie­nia roz­tworu (Fot.3B). W tym momen­cie doda­jemy jesz­cze kilka kro­pli wita­miny, uwa­ża­jąc jed­nak, by ten nad­miar nie był zbyt duży. Kolej­nymi sub­stan­cjami jakie umie­ścimy w naczy­niu jest kilka kro­pli roz­tworu skrobi i tyle wody desty­lo­wa­nej, aby roz­cieńczyć roz­twór dwu­krot­nie. Następ­nie do roz­tworu wle­wamy około 10cm3 (dokładną objętość warto dobrać doświad­czal­nie) aptecz­nej wody utle­nio­nej i szybko mie­szamy. Cały roz­twór w tym momen­cie jest całk­o­wi­cie bez­barwny i kla­rowny (Fot.4).

Fot.4 – Gotowy roz­twór

Po wymie­sza­niu wszyst­kich sub­stan­cji musimy się śpie­szyć. Naj­le­piej roz­twór jest roz­lać do co najm­niej dwóch różn­ych naczyń (Fot.5).

Fot.5 – Gotowe doświad­cze­nie

Nawet duża widow­nia może w tym momen­cie zaob­ser­wo­wać, że roz­twór jest całk­o­wi­cie bez­barwny. Jed­nak po nie­dłu­gim cza­sie (zwy­kle kil­ka­dzie­siąt sekund, tym dłuższym, im więcej wita­miny C doda­li­śmy) cały roz­twór w okam­gnie­niu zmie­nia barwę na gra­na­towo-czarną i to we wszyst­kich naczy­niacj w tym samym cza­sie lub pra­wie jed­no­cze­śnie. Jest to bar­dzo wido­wi­skowe i często powo­duje wręcz okrzyk zdzi­wie­nia u obser­wa­to­rów (Fot.6).

Fot.6 – Zmiana barwy

Wyja­śnie­nie

By wyja­śnić mecha­nizm obser­wo­wa­nej reak­cji musimy wspom­nieć parę słów o kwa­sie askor­bi­no­wym czyli wita­mi­nie C. Jest to orga­niczny związek che­miczny będący pochodną glu­kozy o wzo­rze suma­rycz­nym C6H8O6i struk­tu­rze przed­sta­wio­nej na Rys.1.

Ilustracja
1 – Wzór struk­tu­ralny kwasu askor­bi­no­wego

Jodyna zaw­dzięcza swoją bru­natną barwę roz­pusz­czo­nemu w niej jodowi. Dzięki dodat­kowi kwasu askor­bi­no­wego jod zostaje zre­du­ko­wany do jonów jod­ko­wych, które nie dają w roz­two­rze żad­nej barwy (następuje odbar­wie­nie). Reduk­cja jodu jest zja­wi­skiem powol­nym. Nad­tle­nek wodoru ma dzia­ła­nie prze­ciwne: szybko utle­nia jodki do wol­nego jodu. Zau­ważmy, że jest to jed­nak możl­iwe dopiero po wyczer­pa­niu zapasu kwasu askor­bi­no­wego. Wła­śnie to jest odpo­wie­dzialne za opóźn­ie­nie wystąpie­nia zmiany barwy. W momen­cie wyczer­pa­nia w roz­two­rze kwasu askor­bi­no­wego docho­dzi do gwałt­ow­nego utle­nie­nia jod­ków. W roz­two­rze poja­wia się sto­sun­kowo duża ilość wol­nego jodu, który wiążąc się ze skro­bią daje ciem­no­gra­na­towe zabar­wie­nie [3] [4].

Dłu­gość ocze­ki­wa­nia na zabar­wie­nie się roz­tworu można regu­lo­wać w sze­ro­kim zakre­sie przez mody­fi­ka­cję ilo­ści doda­nego kwasu askor­bi­no­wego.

Ten pro­sty, ale nie­zwy­kle efek­towny eks­pe­ry­ment ma wiele zasto­so­wań. Zegar jodowy może być wyko­rzy­sty­wany do demon­stra­cji kine­tyki che­micz­nej, czyli bada­nia szyb­ko­ści reak­cji i czyn­ni­ków mających na nią wpływ. Może też sta­no­wić dosko­nały przy­kład do omówie­nia pojęć rów­no­wagi che­micz­nej. Pamiętajmy, że pojęcia te mają wiel­kie zna­cze­nie także w ana­li­zie pro­ce­sów che­micz­nych zacho­dzących w żywych orga­ni­zmach.

Zegar jodowy to kolejny dowód na to, jak nauka może być nie tylko fascy­nu­jąca, ale i piękna. To połącze­nie pre­cy­zji che­micz­nej i wizu­al­nego efektu spra­wia, że opi­sane doświad­cze­nie przy­ciąga uwagę zarówno już zde­kla­ro­wa­nych pasjo­na­tów bio­lo­gii i bio­che­mii, jak i tych, którzy dopiero odkry­wają jej tajem­nice. Czyż nie jest to wspa­niała ilu­stra­cja potęgi i piękna nauki?

Lite­ra­tura:

Auto­rem foto­gra­fii i rysun­ków jest Marek Ples.

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

Efekt doświad­cze­nia można zoba­czyć na fil­mie:

Marek Ples

Aa