Ciepłe światło – spalanie bez płomienia i świetliki in vitro
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (4/2016):
Wiadomym jest, że każde ciało o temperaturze wyższej od zera bezwzględnego wysyła promieniowanie elektromagnetyczne o określonych właściwościach. Powstaje ono na skutek ruchów termicznych cząstek obdarzonych ładunkiem elektrycznym. Prawo Wiena mówi, że dla ciała doskonale czarnego (całkowicie pochłaniającego padające na nie światło) wraz ze wzrostem temperatury maksimum emisji promieniowania przesuwa się w stronę fal krótszych [1]. Oczywiście w świecie rzeczywistym nie istnieją ciała doskonale czarne, ale wiele otaczających nas przedmiotów posiada zbliżone właściwości.
Przytoczone informacje całkowicie uprawniają nas do sformułowania myśli, że wszystko wokół nas świeci - temperatura, w której żyjemy jest przecież o około 300 kelwinów wyższa od zera bezwzględnego! Dlaczego więc zwykle tego nie zauważamy? Dzieje się tak, ponieważ w temperaturach zbliżonych do pokojowej maksimum emisji termicznej ciał przypada na zakres podczerwieni, na którą nasz zmysł wzroku jest niewrażliwy. Dopiero ogrzanie do wyższych temperatur sprawia, że zaczynają one emitować światło widzialne. Nie ma więc przesady w stwierdzeniu, że wszystko może świecić – potrzebne jest jedynie ogrzanie do wystarczająco wysokiej temperatury.
Poza przyczyną termiczną istnieją też oczywiście inne mechanizmy odpowiedzialne za wysyłanie promieniowania przez różnorodne ciała. Przykładowo, w czasie luminescencji promieniowanie powstaje kosztem energii innej niż termiczna, np. elektrycznej (elektroluminescencja), promienistej (fotoluminescencja), mechanicznej (tryboluminescencja) lub wiązań chemicznych (chemiluminescencja) [2] [3] [4]. Dlatego zjawiska te zbiorczo są nazywane zimnym światłem.
Wróćmy jednak do promieniowania termicznego. Rozgrzewanie się ciał do temperatury, przy której zaczynają one emitować światło widzialne może następować w różny sposób. Jednym z nich jest uwalnianie energii cieplnej na skutek określonych reakcji chemicznych. Myślę, że każdy pomyśli w tym momencie o spalaniu lub bardziej ogólnie o utlenianiu. Gwałtowne utlenianie związane z wydzielaniem się dużych ilości energii na sposób ciepła może zachodzić także bez obecności widocznego płomienia. Dzieje się tak np. w przypadku katalitycznego utleniania alkoholu metylowego CH3OH na powierzchni platyny Pt, w wyniku czego metal ten rozgrzewa się do świecenia (Fot.1). Wspomniany proces może często przybierać formę chemicznych, czy raczej fizykochemicznych oscylacji [5].
Zdaję sobie sprawę, że platyna jest stosunkowo kosztownym i często dosyć trudnym do zdobycia metalem. W dalszej części artykułu przedstawię więc podobne efektowne doświadczenia z wykorzystaniem materiałów, których pozyskanie nie stanowi większego problemu.
Doświadczenie
Nie chcąc stosować platyny, możemy posłużyć o wiele tańszym oraz bardziej powszechnie występującym w naszym otoczeniu metalem, jakim jest miedź Cu. Jest ona często wykorzystywana w technice z powodu niskiego oporu właściwego i wysokiej przewodności cieplnej.
W doświadczeniu najlepiej użyć cienkiej blachy miedzianej, np. o grubości 0,15-0,20mm. Należy wyciąć z niej prostokąt o powierzchni kilku centymetrów kwadratowych i zawiesić go na odcinku cienkiego drutu (Fot.2).
Drut, na którym będzie zawieszona blaszka powinien być stalowy i niezbyt gruby. Dobrze nadaje się tutaj odcinek struny gitarowej. Drut miedziany nie jest odpowiedni. Powodem jest przewodność cieplna – gdyby drut był wykonany z materiału dobrze przewodzącego ciepło, to powodowałby zbytnie ochłodzenie blaszki. Mogłoby to uniemożliwić powodzenie doświadczenia. Na końcu drut trzeba zawinąć w oczko.
Całość należy następnie zawiesić w niewielkiej zlewce przekładając przez oczko jakąś odporną na działanie wysokiej temperatury poprzeczkę, np. pręcik szklany, jak pokazuje Fot.3.
Na dno naczynia trzeba wlać niewielką ilość (kilka cm3) acetonu C3H6O – najprostszego ketonu alifatycznego o wzorze strukturalnym jak na Rys.1. Dolna krawędź blaszki powinna znajdować się kilka milimetrów ponad powierzchnią cieczy i jej nie dotykać.
Chociaż aceton nie jest toksyczny, to bywa klasyfikowany jako substancja drażniąca lub mogąca powodować tymczasowe uszkodzenie zdrowia. Jest to lotna ciecz – w miarę możliwości należy ograniczyć możliwość wdychania jej par. Nie można lekceważyć faktu, że aceton jest bardzo łatwopalny! Wszelkie manipulacje z otwartym ogniem trzeba wykonywać z dala od naczyń z tą substancją, a także zapewnić odpowiednie środki ochrony przeciwpożarowej.
Zlewkę należy następnie ustawić na niepalnej i odpornej na podwyższoną temperaturę podstawie. Potem wyjąć ze zlewki blaszkę, rozgrzać ją wstępnie do czerwoności nad palnikiem gazowym (zachowując wspomniane uprzednio środki ostrożności!) i umieścić szybko zanim ostygnie z powrotem ponad powierzchnią acetonu.
O dziwo blaszka nie ostygnie wtedy, a zacznie rozgrzewać się coraz bardziej, często aż do temperatury pomarańczowego żaru (Fot.4).
Warto zauważyć, że barwa świecenia blaszki (a więc także jej temperatura) nie jest stała. Czasem udaje się zaobserwować trwające pewien czas oscylacje między jaśniejszą, bardziej pomarańczową, a ciemniejszą czerwoną barwą. Często po powierzchni metalu przemykają jakby barwne fale.
W razie, gdyby któryś z Czytelników nie mógł zdobyć odpowiedniej miedzianej blaszki to mogę zaproponować także inne rozwiązanie. Można ją zastąpić ciasno zwiniętą spiralną sprężyną z cienkiego drutu miedzianego zawieszoną na drucie stalowym podobnie jak w poprzednim przypadku (Fot.5).
Identycznie jak w przypadku blaszki – zawieszona nad powierzchnią acetonu wstępnie rozgrzana spirala zaczyna się żarzyć coraz wyraźniej (Fot.6).
Łatwo zauważyć, że aby następowało nagrzewanie miedzianego elementu konieczny jest ciągły dopływ powietrza, a raczej zawartego w nim tlenu. Po przykryciu naczynia szalką Petriego w krótkim czasie blaszka lub spirala stygnie i przestaje świecić.
Opisane zjawisko trwa dosyć długo, nawet do kilkudziesięciu minut i kończy się, kiedy wyparuje cała ilość acetonu zawartego w naczyniu.
Całe naczynie w trakcie doświadczenia może rozgrzewać się do wysokich temperatur, potrzebna jest więc ostrożność. Konieczna jest niepalna podkładka - zlewka może pęknąć z powodu nierównomiernego nagrzewania się. Doświadczenie najlepiej prowadzić pod wyciągiem, ponieważ oprócz par acetonu w czasie reakcji mogą wydzielać się zróżnicowane produkty, niektóre szkodliwe lub o duszącym zapachu.
Spróbujmy wykonać też nieco inne doświadczenie. Będzie nam do niego potrzebny tlenek chromu(III) Cr2O3, z racji swojej barwy nazywany często zielenią chromową. Jest to ciemnozielony proszek, nierozpuszczalny w wodzie i wykorzystywany jako barwnik przy produkcji farb i lakierów (Fot.7).
Tlenek ten można łatwo otrzymać poprzez termiczny rozkład pomarańczowego dichromianu amonu (NH4)2Cr2O7 (Fot.8) według równania reakcji:
Należy pamiętać, że dichromian amonu, podobnie jak i pozostałe dichromiany, wykazują działanie rakotwórcze. Tlenek chromu(III) może podrażniać skórę i oczy. Zapoczątkowana przez lokalne ogrzanie dichromianu reakcja biegnie już samoczynnie, a jej jedynym stałym produktem jest potrzebny nam tlenek. Warto wspomnieć, że objętość produktu jest znacznie większa niż objętość substratu, co bywa wykorzystywane w efektownym doświadczeniu nazywanym chemicznym wulkanem [6].
Do doświadczenia potrzebne jest dosyć duże (np. 5dm3) naczynie o wąskiej szyjce. Na jego dno należy wprowadzić około 30-40cm3 wodnego roztworu amoniaku NH3 o stężeniu 25%. Naczynie trzeba nakryć np. szalką Petriego oraz pozostawić na przynajmniej kilka minut, tak by wypełnił je gazowy amoniak uwalniający się z roztworu (Fot.9). Przypominam, że amoniak ma duszący zapach oraz silnie drażni błony śluzowe i oczy. W większych stężeniach jest trujący, tak więc doświadczenie trzeba prowadzić w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, na zewnątrz lub pod wyciągiem.
Przystępując do przeprowadzenia doświadczenia należy rozgrzać dosyć mocno niewielką ilość tlenku chromu(III) w płomieniu palnika gazowego, używając do tego celu np. łyżeczki do spalań. Kolejną czynnością jest szybkie odkrycie naczynia z amoniakiem i wsypanie do niego gorącego tlenku.
Jeśli zaciemnimy wtedy pomieszczenie to naszym oczom ukaże się piękny widok: w naczyniu rozbłyskuje jakby chmara świetlików. Każda iskierka polatuje to tu, to tam, zmieniając ciągle kierunek (Fot.9). Ich liczba nieustannie maleje, ale niektóre mogą “żyć” nawet kilkadziesiąt sekund.
Efekt wizualny obu zaprezentowanych doświadczeń jest naprawdę widowiskowy i wywołuje niesamowite wrażenie na widzach.
Wyjaśnienie
Katalizatorami nazywamy takie substancje chemiczne, które wprowadzone do układu reakcyjnego umożliwiają zmianę mechanizmu reakcji, na taki, który odznacza się niższą energią aktywacji. Pociąga to za sobą wzrost szybkości katalizowanej reakcji chemicznej [7].
Trzeba zaznaczyć, że katalizator nie ulega trwałej przemianie chemicznej w czasie reakcji. Z tego powodu często spotykanym (nawet w literaturze!) stwierdzeniem jest, że w niej nie uczestniczy. Jest to oczywisty błąd: by zmienić przebieg reakcji, katalizator musi w niej brać udział. Mechanizm reakcji katalizowanej opiera się zwykle na fakcie tworzenia przez katalizator przejściowej struktury z substratem, która następnie rozpada się na produkt, przy czym następuje odtworzenie katalizatora.
Katalizatory możemy podzielić np. ze względu na fazę, w jakiej się znajdują podczas reakcji na:
- homogeniczne - w tej samej fazie, co reagenty,
- heterogeniczne - stanowi odrębną fazę.
Przykładem biologicznych katalizatorów homogenicznych są enzymy – najczęściej białkowe substancje naturalnie występujące we wszystkich organizmach żywych i umożliwiające zachodzenie reakcji metabolicznych [8]. Katalizatorami homogenicznymi mogą być też oczywiście substancje nieorganiczne, np. jodek potasu KI przyspieszający rozkład nadtlenku wodoru H2O2 do wody H2O i tlenu O2.
Katalizatory heterogeniczne mają często postać ciała stałego, które katalizuje reakcję zachodzącą w środowisku ciekłym lub gazowym. Katalizatory tego typu nazywa się też często kontaktowymi.
Katalizatory kontaktowe mają duże zastosowanie w przemyśle, np. przy produkcji kwasu siarkowego(VI) H2SO4. Podczas spalania siarki S lub prażenia siarczków (np. naturalnego pirytu FeS2 i blendy cynkowej ZnS) oraz siarczanów (np. gipsu CaSO4) powstaje tlenek siarki(IV). Do produkcji kwasu siarkowego(VI) jest jednak potrzebny tlenek, w którym siarka występuje na VI stopniu utleniania. Stosuje się więc reakcję:
Aby osiągnąć wydajność przydatną w przemyśle, reakcję tę prowadzi się w obecności katalizatorów kontaktowych – platynowych lub częściej wanadowych (tlenek wanadu V2O5 na odpowiednim nośniku).
Mechanizm działania katalizatorów heterogenicznych opiera się na wysokim powinowactwie substratów reakcji do powierzchni katalizatora. Pierwszym etapem katalizy jest zjawisko adsorpcji reagentów na powierzchni katalizatora. Natura adsorpcji może być tu zarówno fizyczna, jak i chemiczna. Na powierzchni katalizatora dochodzi do zwiększenia koncentracji substratów. Na skutek oddziaływań sorpcyjnych może mieć miejsce deformacja chmur elektronowych cząstek reagentów, a czasem nawet rozrywanie łączących je wiązań. Cząsteczki substratów tworzą też czasem wiązania chemiczne z atomami katalizatora. Wszystkie opisane zjawiska mogą pociągać za sobą zwiększenie aktywności reagentów i dzięki temu powstanie produktów, które ulegają desorpcji od katalizatora.
W przypadku pierwszego opisanego doświadczenia na powierzchni wstępnie rozgrzanej blaszki (lub spirali) miedzianej dochodzi do intensywnego utleniania par acetonu tlenem z powietrza. Reakcja jest silnie egzotermiczna – wydzielona energia rozgrzewa metal do tak wysokiej temperatury, że obserwujemy jego świecenie.
W przypadku „świetlików” na powierzchni lekkich drobin tlenku chromu(III) zachodzi reakcja rozkładu amoniaku z udziałem tlenu z powietrza [9]:
W tym przypadku także uwalniają się duże ilości energii na sposób ciepła, dzięki czemu cząstki tlenku rozgrzewają się do wysokich temperatur i zaczynają świecić. Są one przy tym na tyle lekkie, że mogą unosić się dłuższy czas porwane ruchem unoszącego się powietrza ogrzanego ciepłem reakcji.
Dodam jeszcze, że w handlu spotykane są turystyczne ogrzewacze. Mają one postać metalowego pojemnika zawierającego porowate wypełnienie nasączone np., benzyną ekstrakcyjną, której pary są utleniane na katalizatorze platynowym, palladowym lub innym. Ogrzewacze tego typu są stosunkowo bezpieczne dzięki eliminacji otwartego płomienia.
Literatura:
- [1] Bodzenta J., Wykłady z fizyki, Wydawnictwo Pracowni Komputerowej Jacka Skalmierskiego, Gliwice, 2004, str. 155-160 powrót
- [2] Kawski A., Fotoluminescencja roztworów, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 1992 powrót
- [3] Ples M., Świecący cukier, czyli o tryboluminescencji sacharozy, Fizyka w Szkole, 3 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 45-46 powrót
- [4] Idem, Całkiem niezwykła herbatka, Chemia w Szkole, 4 (2015), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 6-9 powrót
- [5] Pluciński T., Doświadczenia chemiczne, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 1997, str. 87-88 powrót
- [6] Ples M., Wulkan, w serwisie: www.weirdscience.eu, dostępne online: http://weirdscience.eu/Wulkan.html [dostęp: 17.07.2016] powrót
- [7] Bielański A., Podstawy chemii nieorganicznej, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa, 2002, str. 446 powrót
- [8] Ples M., Enzymy - biologiczne katalizatory, Chemia w Szkole, 3 (2016), Agencja AS Józef Szewczyk, str. 6-11 powrót
- [9] Roesky H.W., Mockel K., Niezwykły świat chemii, Wydawnictwo Adamantan, Warszawa, 2001, str. 77-78 powrót
Uzupełnienie autora
Poniższy film ilustruje doświadczenie z "chemicznymi świetlikami".
Skomplikowany ruch pojedynczych drobin rozżarzonego tlenku chromu(III) można uchwycić stosując fotografię z wydłużonym czasem naświetlania.
Widoczne smugi obrazują tory poruszających się wewnątrz naczynia cząstek tlenku.
Marek Ples