Weird Science

Żarłoczny roztwór

English ver­sion is here

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2024):

Ilustracja

Ples M., Żar­łoczny roz­twór, Che­mia w Szkole, 4 (2024), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 36–37

Pozorny para­doks

Czy jeste­śmy w sta­nie scho­wać coś w naczy­niu, jeśli roz­miar tego przed­miotu jest więk­szy niż pojem­ność naczy­nia? Wydaje się to nie­możl­iwe.

Czy aby na pewno? Pomyślmy. Po chwili zasta­no­wie­nia doj­dziemy do wnio­sku, że aby doko­nać tego wyczynu, wystar­czy jedy­nie poprze­miesz­czać odpo­wied­nio cząstki "cho­wa­nego" przed­miotu. Zada­nie w dal­szym ciągu wydaje się, jeśli nawet teo­re­tycz­nie możl­iwe, to jed­nak bar­dzo trudne. Z pomocą przyj­dzie nam che­mia.

Dzięki elek­tro­che­mii łatwo upch­niemy sto­sun­kowo duży frag­ment tego ostat­niego w nie­wiel­kiej zlewce.

Czego potrze­bu­jemy?

Na szczę­ście potrzebne sub­stan­cje są łatwe do zdo­by­cia:

Siar­czan(VI) mie­dzi(II) jako sól metalu ciężk­iego może być szko­dliwy. Trzeba zacho­wać ostrożn­ość, jak zaw­sze przy pracy z che­mi­ka­liami.

Z uwod­nio­nym siar­cza­nem(VI) mie­dzi(II) spot­ka­li­śmy się już w przy­padku żar­to­bli­wej, ale uda­nej próby zwa­że­nia jego koloru [1]. Sól ta występuje zwy­kle w postaci dobrze wyksz­tałc­o­nych, nie­bie­skich krysz­ta­łów (Fot.1).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały uwod­nio­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

Jako glin świet­nie nada się zwy­kła spo­żyw­cza folia alu­mi­niowa. Zdo­by­cie chlorku sodu także nie jest żad­nym pro­ble­mem w kuchni.

Doświad­cze­nie

Musimy przy­go­to­wać 100 cm3 10% roz­tworu siar­czanu(VI) mie­dzi(II). Ciecz ma piękny nie­bie­ski kolor (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Roz­twór siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

Z folii alu­mi­nio­wej zwi­jamy rulon o dłu­go­ści około 30 cm. Jego śred­nica powinna być nieco mniej­sza od śred­nicy zlewki (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Odpo­wied­nio przy­go­to­wana folia alu­mi­niowa

Jak widać, zwój alu­mi­nio­wej folii ma rze­czy­wi­ście dużo więk­sze roz­miary niż naczy­nie z pły­nem (Fot.4).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Zestaw doświad­czalny

Zanu­rzamy dolną część rulonu w roz­two­rze soli mie­dzi. Nie powo­duje to żad­nych widocz­nych zmian. Po doda­niu kilku cm3 nasy­co­nego w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej roz­tworu chlorku sodu reak­cja roz­po­czyna się pra­wie natych­miast. Glin jest ener­gicz­nie roz­twa­rzany, a tem­pe­ra­tura cie­czy się pod­nosi. Po kilku minu­tach nie pozo­staje pra­wie żad­nego śladu sre­brzy­stego metalu, za to w zlewce poja­wia się pewna ilość bru­nat­no­czer­wo­nej zawie­siny, a następ­nie osadu (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Końc­owa faza doświad­cze­nia; glin pra­wie całk­o­wi­cie roz­two­rzony

Nic, oprócz nie­wiel­kiej ilo­ści pary wod­nej, nie opu­ściło zlewki, więc udało nam się - zmie­ści­li­śmy spory kawa­łek glinu w nie­wiel­kiej zlewce!

Wyja­śnie­nie

Dla zro­zu­mie­nia zacho­dzącego tutaj pro­cesu ważna jest zna­jo­mość sze­regu napięcio­wego metali.

Sze­reg napięciowy metali, zwany ina­czej sze­re­giem elek­tro­che­micz­nym, to zesta­wie­nie pier­wiast­ków che­micz­nych o wła­ści­wo­ściach meta­licz­nych według ich poten­cjału stan­dar­do­wego E0 [2] [3]. Punk­tem wyj­ścia jest tutaj elek­troda wodo­rowa, której poten­cjał stan­dar­dowy przyj­muje się umow­nie za zero. Przy­kła­dowy sze­reg elek­tro­che­miczny, według wzro­stu war­to­ści E0:

Li < K < Na < Ca < Mg < Al < Mn < Zn < Cr < Fe < Cd < Co < Ni < Sn < Pb < H < Sb < Bi < Cu < Ag < Hg < Pt < Au

Wodór - nie posia­da­jący oczy­wi­ście w stan­dar­do­wych warun­kach wła­sno­ści meta­licz­nych - został zazna­czony kolo­rem czer­wo­nym. Należy pamiętać, że metal jest tym bar­dziej aktywny che­miczne, im jego poten­cjał stan­dar­dowy jest niższy. Zau­ważmy, że rze­czy­wi­ście tak jest; po lewej zgru­po­wały się bar­dzo reak­tywne metale, jak na przy­kład lit Li i potas K , po pra­wej zaś metale szla­chetne, takie jak sre­bro Ag, pla­tyna Pt i złoto Au. Musimy też pamiętać zasadę, według której w prze­wa­ża­jącej ilo­ści przy­pad­ków metal bar­dziej aktywny wypiera z roz­tworu mniej aktywny, przy czym sam prze­cho­dzi do roz­tworu w postaci kationu.

Glin jest dużo aktyw­niej­szy od mie­dzi, powi­nien więc ener­gicz­nie wypie­rać z roz­tworu ten metal. Dla­czego począt­kowo nie obser­wu­jemy żad­nej reak­cji? Otóż glin jest meta­lem tak aktyw­nym, że nawet w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej jego powierzch­nia pokrywa się cienką, nie­wi­doczną dla oka nie­prze­pusz­czalną war­stwą tlen­ków i wodo­ro­tlen­ków. War­stwa ta blo­kuje dostęp jonów Cu2+ do meta­licz­nego glinu, co nazy­wamy pasy­wa­cją.

Sytu­a­cja zmie­nia się dra­stycz­nie, gdy w ukła­dzie poja­wią się jony chlor­kowe pow­stałe w dyso­cja­cji chlorku sodu. Chlorki nisz­czą och­ronną war­stwę tlen­ków glinu i wtedy roz­po­czyna się wła­ściwa reak­cja: glin jest roz­twa­rzany, po czym wytrąca się z roz­tworu pod posta­cią nie­roz­pusz­czal­nych związ­ków, zaś jony mie­dzi prze­cho­dzą w atomy [4].

Al + Cu2+ → Al3+ + Cu↓

Wytrącona meta­liczna miedź zbiera się na dnie w postaci ciem­no­czer­wo­nego osadu.

Lite­ra­tura

Wszyst­kie foto­gra­fie 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