Weird Science

Heptatlenek i burza w probówce

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (3/2020):

Ilustracja

Ples M., Hep­ta­tle­nek i burza w pro­bówce, Che­mia w Szkole, 3 (2020), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 16-20

W che­mii reak­tyw­no­ścią nazy­wamy zdol­ność związ­ków i pier­wiast­ków che­micz­nych do bra­nia udziału w reak­cjach z innymi sub­stan­cjami. Cechę tę oma­wia się zwy­kle w odnie­sie­niu do ogól­nej zdol­no­ści okre­ślo­nego indy­wi­duum che­micz­nego do rea­go­wa­nia z pewną grupą innych che­mi­ka­liów.

Już na pierw­szych eta­pach edu­ka­cji che­micz­nej uczymy się - np. w kon­tek­ście budowy Układu Okre­so­wego oraz prawa okre­so­wo­ści Men­de­le­jewa, mówiącego, że wła­ści­wo­ści pier­wiast­ków che­micz­nych upo­rząd­ko­wa­nych zgod­nie ze wzra­sta­jąca liczbą ato­mową pow­ta­rzają się perio­dycz­nie - o tym, że reak­tyw­ność litow­ców i w mniej­szym stop­niu także bery­low­ców jest na ogół dużo więk­sza niż innych metali. Często wyka­zuje się to na przy­kła­dzie sodu Na, który rea­gu­jąc z wodą roz­grzewa się aż do tem­pe­ra­tury top­nie­nia, a nie­rzadko ulega nawet zapło­nowi. Można to zoba­czyć na Fot.1 – wyraźnie widoczna jest żółta barwa cha­rak­te­ry­styczna dla obec­no­ści wspom­nia­nego metalu, a mali­nowe zabar­wie­nie roz­tworu wynika z obec­no­ści feno­lo­fta­le­iny w śro­do­wi­sku zasa­do­wym wytwo­rzo­nym przez pow­sta­jący wodo­ro­tle­nek sodu NaOH.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Zapłon sodu w reak­cji z wodą

Z dru­giej strony, znamy tzw. gazy szla­chetne, czyli pier­wiastki 18 grupy układu okre­so­wego, które rzadko i jedy­nie w bar­dzo spe­cy­ficz­nych warun­kach two­rzą trwałe połącze­nia che­miczne. Ich przy­kła­dem może być neon Ne, pięk­nie świe­cący w polu elek­trycz­nym (Fot.2).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Minia­tu­rowa lampa neo­nowa

W dzi­siej­szym opra­co­wa­niu chciałbym przy­bli­żyć Sza­now­nemu Czy­tel­ni­kowi pewną łatwą do otrzy­ma­nia, a jed­no­cze­śnie cie­kawą z powodu swo­jej nie­sta­bil­no­ści i wyso­kiej reak­tyw­no­ści che­micz­nej sub­stan­cję, przy uży­ciu której możemy prze­pro­wa­dzić wiele bar­dzo efek­tow­nych doświad­czeń. Będzie to jeden z tlen­ków man­ganu Mn.

Hep­ta­tle­nek diman­ganu

Tle­nek man­ganu(VII) o wzo­rze suma­rycz­nym Mn2O7 (nazy­wany także hep­ta­tlen­kiem diman­ganu) to nie­or­ga­niczny związek che­miczny z grupy tlen­ków, w którym man­gan występuje na VII stop­niu utle­nie­nia. Po raz pierw­szy opi­sano go w 1860 roku. W sta­nie sta­łym ma postać zie­lo­nych krysz­ta­łów, roz­pusz­czal­nych w tetra­ch­lo­ro­me­ta­nie CCl4. Sub­li­muje już w tem­pe­ra­tu­rze −10°C [1][2].

Dłu­go­ści wiązań pomiędzy ato­mem man­ganu i skraj­nymi ato­mami tlenu są równe 1,59Å, nato­miast pomiędzy ato­mem man­ganu i ato­mem tlenu w pozy­cji most­ko­wej – 1,77Å. War­tość kąta man­ga­n−tle­n−man­gan wynosi 120,7°. Inte­re­su­jącą struk­turę cząsteczki tego związku przed­sta­wia Rys.1.

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny tlenku man­ganu(VII)

Struk­tura hep­ta­tlenku diman­ganu jest ana­lo­giczna do budowy związ­ków zawie­ra­jących aniony np. difos­fo­ra­nowe P2O4-7 i dich­ro­mia­nowe Cr2O2-7, a także do hep­ta­tlenku dich­loru Cl2O7.

Zanim przy­stąpimy do jakie­go­kol­wiek bliższego zazna­jo­mie­nia z oma­wia­nym związ­kiem, muszę ostrzec wszyst­kich Czy­tel­ni­ków. Związki man­ganu są tok­syczne, a potrzebny w doświad­cze­niach stężony kwas ma wła­ści­wo­ści żrące. Zarówno tle­nek man­ganu(VII), jak i wyko­rzy­sty­wany do jego pro­duk­cji man­ga­nian(VII) potasu są sil­nymi utle­nia­czami – ich mie­sza­niny z jaki­mi­kol­wiek reduk­to­rami mogą mieć wła­ści­wo­ści samo­za­palne oraz wybu­chowe (tle­nek jest dużo bar­dziej nie­sta­bilny i nie­bez­pieczny). Konieczne jest wdro­że­nie środ­ków och­rony prze­ciw­po­ża­ro­wej. Pow­sta­jące w cza­sie reak­cji pro­dukty lotne nie powinny być wdy­chane, dla­tego doświad­cze­nia trzeba pro­wa­dzić pod spraw­nie dzia­ła­jącym wyciągiem lub na zew­nątrz. Wszyst­kie sub­stan­cje stałe, a także naczy­nia powinny zostać dokład­nie wysu­szone przed doświad­cze­niami. Pozo­sta­ło­ści po eks­pe­ry­men­tach należy natych­miast uniesz­ko­dli­wić w opi­sany spo­sób, a także korzy­stać z odpo­wied­nich środ­ków och­rony oso­bi­stej! Nied­ba­łość może być tutaj bar­dzo nie­bez­pieczna!

Otrzy­ma­nie próbki tlenku man­ganu(VII) nie jest trudne. W tym celu trzeba umie­ścić na szkiełku zegar­ko­wym nie­wielką ilość (zde­cy­do­wa­nie poni­żej 1g) man­ga­nianu(VII) potasu KMnO4, nazy­wa­nego też często nad­man­ga­nia­nem (Fot.3).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Krysz­tały man­ga­nianu(VII) potasu

Związek ten z racji swo­ich wła­ści­wo­ści odka­ża­jących znaj­duje zasto­so­wa­nie w lecz­nic­twie. Nie dziwi więc fakt, że można go z łatwo­ścią kupić w apte­kach. Z powodu swo­jej barwy bywa nazy­wany “fio­le­tem”. Trzeba jed­nak pamiętać, że potocz­nie mówi się w ten sam spo­sób o wielu różn­ych sub­stan­cjach - choćby o sto­so­wa­nym w podob­nych celach fio­le­cie gen­cja­no­wym. W warun­kach nor­mal­nych man­ga­nian(VII) ma postać, jak zresztą zoba­czyć można na foto­gra­fii, cha­rak­te­ry­stycz­nych krysz­tałków o bar­wie ciem­no­fio­le­to­wej, pra­wie czar­nej.

Chcąc otrzy­mać potrzebną nam sub­stan­cję bez­po­śred­nio na krysz­tały soli man­ganu(VII) należy nanieść kilka cm3 stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI) H2SO4, tak by sub­stan­cja stała mogła się w nim roz­pły­nąć. W efek­cie uzy­sku­jemy ciem­no­zie­loną ciecz zaw­dzięcza­jącą swą barwę obec­no­ści pow­sta­łego tlenku man­ganu(VII), co możemy zaob­ser­wo­wać na Fot.4.

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Mie­sza­nina pore­ak­cyjna zawie­ra­jąca tle­nek man­ganu(VII)
Ilustracja
Otrzy­my­wa­nie hep­ta­tlenku
ani­ma­cja: doda­tek autora

Przy­stępu­jąc do bada­nia cech otrzy­ma­nego związku możemy się prze­ko­nać, że jest on bar­dzo nie­sta­bilną sub­stan­cją – ulega roz­kła­dowi już w tem­pe­ra­tu­rach zbli­żo­nych do poko­jo­wej, a powy­żej 55°C i więk­szych ilo­ściach pro­ces ten zaczyna zacho­dzić wręcz wybu­chowo. Łatwo to spraw­dzić, przy­kła­da­jąc do próbki tlenku drut mie­dziany pod­grzany do tem­pe­ra­tury około 100°C, a nawet niższej (Fot.5).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.5 – Roz­kład tlenku

Prak­tycz­nie natych­miast po wej­ściu ogrza­nego metalu w kon­takt z sub­stan­cją możemy zaob­ser­wo­wać gwałt­owny zapłon i pow­sta­nie dużej ilo­ści bru­nat­nego dymu. Barwa pło­mie­nia jest poma­rańczowa.

Prze­ko­na­li­śmy się, że nawet sam oma­wiany związek jest skraj­nie nie­sta­bilny. Spróbujmy jed­nak zmie­szać go z jakimś łatwo­pal­nym mate­ria­łem, np. w postaci cie­czy. Jako pierw­szy pole­cam wypróbo­wać ace­ton C3H6O, czyli pow­szech­nie dostępny i nie­zbyt tok­syczny keton. Doświad­cze­nie jest łatwe do wyko­na­nia: na szkiełko zegar­kowe ze świeżą por­cją tlenku man­ganu(VII) należy upu­ścić z dosyć spo­rej wyso­ko­ści dosłow­nie jedną kro­plę ace­tonu (uży­cie więk­szych ilo­ści może być nie­bez­pieczne), naj­le­piej za pomocą pipety pasteu­row­skiej (Fot.6A). Natych­miast po zetk­nięciu się sub­stan­cji ace­ton ulega gwałt­ow­nemu zapło­nowi, któremu może towa­rzy­szyć efekt dźw­iękowy w postaci trza­sku lub syku (Fot.6B). Jed­no­cze­śnie pow­staje chmura zna­nego nam już dymu (Fot.6C).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.6 – Reak­cja ace­tonu z tlen­kiem man­ganu(VII); A – tuż przed reak­cją, B – gwałt­owny efekt zetk­nięcia się tlenku z ace­to­nem, C – pow­stała chmura bru­nat­nego dymu

Kolej­nym, bar­dzo efek­tow­nym poka­zem będzie zapa­le­nie nie­wiel­kiej „pochodni” w tajem­ni­czy - dla osób nie­zo­rien­to­wa­nych - spo­sób. Minia­tu­rową pochod­nię łatwo jest wyko­nać nawi­ja­jąc na koniec patyczka do sza­sz­ły­ków nieco natu­ral­nej waty, będącej wła­ści­wie czy­stą celu­lozą (Fot.7).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.7 – Mini­po­chod­nia

Aby roz­pa­lić uzy­skaną pochod­nię, należy watę na jej końcu deli­kat­nie nasączyć alko­ho­lem ety­lo­wym C2H5OH. Można w tym celu wyko­rzy­stać spi­ry­tus spo­żyw­czy lub dena­tu­rat. Pochod­nię taką zbli­żamy do próbki tlenku man­ganu(VII), uwa­ża­jąc jed­nak, by nie dopro­wa­dzić do prze­dw­cze­snego kon­taktu obu sub­stan­cji (Fot.8A). Następ­nie musimy zde­cy­do­wa­nym, lecz szyb­kim ruchem dotk­nąć pochod­nią sub­stan­cji na szkiełku zegar­ko­wym, co spo­wo­duje gwałt­owny zapłon i roz­błysk, a często także okrzyk wśród widzów (Fot.8B). Po chwili, kiedy tylko roz­wieje się chmura brązo­wego dymu (Fot.8C), możemy zau­wa­żyć, że nasza mini­po­chod­nia się pali (Fot.8D).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.8 – Zapłon pochodni; opis w tek­ście

film: doda­tek autora

Opi­sany pokaz można też zain­sce­ni­zo­wać ina­czej. W takim przy­padku na ognio­tr­wa­łej płytce cera­micz­nej musimy umie­ścić np. poskła­dany papie­rowy ręcz­nik nasączony eta­no­lem. Tym razem ogień roz­pa­limy za pomocą bagietki gra­jącej rolę „cza­ro­dziej­skiej” różdżki – końcem bagietki musimy wcze­śniej oczy­wi­ście dotk­nąć próbki tlenku man­ganu(VII), tak by osa­dziła się na niej nie­wielka ilość tej sub­stan­cji (Fot.9).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.9 – Che­miczna różdżka

Po kon­tak­cie bagietki z mate­ria­łem nasączo­nym alko­ho­lem zapala się on z mniej lub bar­dziej wyraźnym trza­skiem (Fot.10).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.10 – Po zapło­nie

film: doda­tek autora

Wszel­kie pozo­sta­ło­ści i mie­sza­niny zawie­ra­jące tle­nek man­ganu(VII) muszą zostać uniesz­ko­dli­wione poprzez zala­nie dużą ilo­ścią zim­nej wody.

Potężna natura

Kolej­nym doświad­cze­niem, w którym możemy wyko­rzy­stać wła­ści­wo­ści tlenku man­ganu(VII), jest otrzy­ma­nie tzw. burzy w pro­bówce. Przy­go­to­wa­nie pokazu jest nieco bar­dziej skom­pli­ko­wane niż w poprzed­nich przy­pad­kach, ale uzy­skany efekt z pew­no­ścią zre­kom­pen­suje poczy­niony nakład pracy.

Do prze­pro­wa­dze­nia doświad­cze­nia potrze­bu­jemy - podob­nie zresztą jak poprzed­nio - stężo­nego kwasu siar­ko­wego(VI), man­ga­nianu(VII) potasu i alko­holu ety­lo­wego 96%.

Bar­dzo ważna jest sta­ran­ność. Pro­bówka użyta w tym doświad­cze­niu musi być wcze­śniej bar­dzo dokład­nie umyta, odtłusz­czona – np. poprzez płu­ka­nie ace­to­nem – i wysu­szona. Naczy­nie mocu­jemy potem sta­bil­nie w pozy­cji pio­no­wej. Następ­nie za pomocą pipety pasteu­row­skiej wle­wamy na dno kilka cen­ty­me­trów sze­ścien­nych stężo­nego kwasu, ale tak by nie zwil­żyć ścia­nek naczy­nia. Kolejną rze­czą jaką musimy zro­bić jest deli­katne wla­nie do pro­bówki po jej ściance podob­nej ilo­ści alko­holu ety­lo­wego. Cie­cze nie mogą się przy tym wymie­szać. Kwas i eta­nol powinny ufor­mo­wać dwie fazy z wyraźnie widoczną gra­nicą pomiędzy nimi (Fot.11).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.11 – Roz­miesz­cze­nie faz w pro­bówce

Po opi­sa­nych przy­go­to­wa­niach możemy przy­stąpić do zai­ni­cjo­wa­nia reak­cji. Robimy to poprzez wrzu­ce­nie do pro­bówki kilku (nie więcej!) maleńk­ich krysz­tałków man­ga­nianu(VII) potasu.

Chwilę po dotar­ciu man­ga­nianu do gra­nicy faz roz­po­czyna się che­miczna burza: ciecz zmie­nia barwę na ciem­no­bru­natną, pod jej powierzch­nią widzimy jasne roz­bły­ski, sły­szalne są też cha­rak­te­ry­styczne trza­ski (Fot.12).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.12 – Burza w pro­bówce

film: doda­tek autora

Reak­cja jest sil­nie egzo­ter­miczna. Dla bez­pie­czeńs­twa dobrze jest zanu­rzyć dolną część pro­bówki na czas doświad­cze­nia w więk­szej zlewce z zimną wodą. Pokaz koniecz­nie trzeba pro­wa­dzić na nie­pal­nej powierzchni, a cały układ reak­cyjny powi­nien znaj­do­wać się w odpo­wied­nim naczy­niu (misce, dużym kry­sta­li­za­to­rze) na wypa­dek pęk­nięcia pro­bówki. Należy brać też pod uwagę ewen­tu­al­ność roz­pry­sku, czy nawet wyrzu­ce­nia zawar­to­ści pro­bówki na zew­nątrz, co może być bar­dzo nie­bez­pieczne!

Dużo uwagi należy poświęcić bez­piecz­nemu usu­nięciu pozo­sta­ło­ści po doświad­cze­niu. Mie­sza­ninę pore­ak­cyjną naj­le­piej ostrożnie wlać szyb­kim ruchem do dużej ilo­ści zim­nej wody, zacho­wu­jąc wspom­niane wcze­śniej środki bez­pie­czeńs­twa.

Wyja­śnie­nie

Prze­pro­wa­dzoną przez nas reak­cję otrzy­my­wa­nia tlenku man­ganu(VII) opi­suje się zwy­kle suma­rycz­nym rów­na­niem:

2KMnO4 + 2H2SO4 → Mn2O7 + H2O + 2KHSO4

Opi­sany pro­ces w rze­czy­wi­sto­ści jest dwu­e­ta­powy: począt­kowo pow­staje nie­tr­wały kwas nad­man­ga­nowy HMnO4, który w warun­kach reak­cji samo­rzut­nie traci wodę, prze­cho­dząc w tle­nek man­ganu(VII), który należy trak­to­wać jako jego bez­wod­nik.

Jak już wspo­mi­na­łem, pow­sta­jący tle­nek man­ganu(VII) jest bar­dzo nie­tr­wa­łym związ­kiem i jed­no­cze­śnie sil­nym utle­nia­czem. Związek ten roz­kłada się do tlenku man­ganu(IV) MnO2 (daw­niej nazy­wa­nego braunsz­ty­nem) i tlenu. Brązowe dymy pow­sta­jące w dużych ilo­ściach w cza­sie reak­cji są utwo­rzone wła­śnie z nie­wiel­kich cząstek niższego tlenku. Inte­re­su­jące jest, że wolny tlen pow­staje tutaj nie tylko w postaci nor­mal­nie występu­jących cząste­czek dwu­a­to­mo­wych O2, ale także jako sil­nie reak­tywny trója­to­mowy ozon O3 [3].

Tle­nek man­ganu(VII) gwałt­ow­nie utle­nia wiele sub­stan­cji orga­nicz­nych, takich jak ace­ton i alko­hole. W przy­padku doświad­cze­nia z burzą w pro­bówce, opa­da­jące przez war­stwę alko­holu krysz­tałki man­ga­nianu(VII) potasu rea­gują z kwa­sem, przez co pow­stają nie­wiel­kie ilo­ści oma­wia­nego tlenku, który gwałt­ow­nie rea­guje z alko­ho­lem. W rze­czy­wi­sto­ści docho­dzi tutaj do maleńk­ich eks­plo­zji w obrębie mie­sza­niny reak­cyj­nej, co obser­wu­jemy jako roz­bły­ski i trza­ski.

Daw­niej samo­za­palne wła­ści­wo­ści mie­sza­nin zawie­ra­jących tle­nek man­ganu(VII) tłu­ma­czono pow­sta­wa­niem tlenu ato­mo­wego in statu nascendi. Dziś wiemy jed­nak, że to sam tle­nek man­ganu(VII) jest głów­nym utle­nia­czem w opi­sa­nych reak­cjach.

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