Ile waży błękit?
Czy barwa może mieć jakiś ciężar? Dziwne to pytanie; nie jest więc dla czytelnika zapewne zdziwieniem, że odpowiedź może nie być oczywista.
Zastanówmy się czym jest barwa. W ściśle fizycznym znaczeniu barwa jest reprezentacją długości fali promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego. Człowiek widzi światło w zakresie długości fal mniej więcej 380-780 nanometrów, przy czym najkrótsze długości fal są przez nas dostrzegane jako światło niebieskie i fioletowe, najdłuższe zaś jako czerwone (reszta barw ma długości fali pośrednie między tymi dwiema wartościami). W tym sensie zastanawianie się nad ciężarem barwy jest bezsensowne, ponieważ fotony nie posiadają masy spoczynkowej, a tym bardziej nie posiada jej fala elektromagnetyczna.
Mimo wszystko chemik potrafiłby jednak wygrać zakład, że uda mu się zważyć kolor niebieski. W tym celu wykorzystamy właściwości pentahydratu siarczanu(VI) miedzi(II).
Siarczan(VI) miedzi(II) jest solą często i powszechnie wykorzystywaną w laboratoriach chemicznych i przemyśle. Wykorzystaliśmy ją też w próbie Fehlinga. Substancja ta w normalnych warunkach formuje piękne, duże kryształy o barwie niebieskiej, co można zaobserwować poniżej.

Siarczan ten bywa z racji swojej barwy nazywany sinym lub niebieskim kamieniem, występuje także w naturze jako minerał chalkantyt. Z czasów alchemików pochodzi także inna nazwa: witriol. Ciekawostką może być fakt, że nazwa ta jest w istocie alchemicznym akronimem łacińskim, który brzmi
"Visita Interiora Terrae Rectificando Invenies Occultum Lapidem",
co mogę przetłumaczyć jako:
"Zwiedź wnętrze Ziemi, dzięki oczyszczeniu znajdziesz tam ukryty kamień".
Jest to oczywiste nazwiązanie do poszukiwań kamienia filozoficznego.
Ostrzeżenie: CuSO4 · 5H2O nie jest silną trucizną, ale wykazuje działanie toksyczne. Należy zachować ostrożność i odpowiednie środki bezpieczeństwa. Autor nie bierze jakiejkolwiek odpowiedzialności za wszelkie mogące powstać szkody. Robisz to na własne ryzyko!
Ważymy!
Do przeprowadzenia doświadczenia potrzebujemy właściwie tylko siarczanu(VI) miedzi(II) w postaci pentahydratu CuSO4·5H2O. Kryształy sproszkujmy, ucierając je w moździeżu. Otrzymany proszek ma nieco jaśniejszy kolor niz kryształy, jednak z całą pewnością w dalszym ciągu jest niebieski. Zważmy go teraz:
Widzimy, że użyłem 10,04 grama CuSO4·5H2O w postaci niebieskiego proszku.
Teraz musimy ogrzewać substancję do temperatury około 200°C przez kilka, kilkanaście minut. W czasie ogrzewania dochodzi do wyraźnie widocznej zmiany: znika błękitna barwa, proszek jest teraz biały! Ponownie zważmy jeszcze gorącą substancję.
Waga wskazuje teraz 6,44 grama. W czasie ogrzewania znikła barwa niebieska, zaś masa próbki zmalała o 10,04g-6,44g=3,6g! Stąd możemy wyciągnąć wniosek, że właśnie tyle waży kolor niebieski. Czy słusznie?
Wyjaśnienie
Siarczan(VI) miedzi(II) CuSO4 w zwykłych warunkach występuje pod postacią hydratu, czyli soli uwodnionej. W takich substancjach cząsteczki wody zostają zamknięte w obrębie sieci krystalicznej innego związku. Hydraty mają to do siebie, że na jedną cząsteczkę soli przypada ściśle określona ilość cząsteczek wody, w przypadku CuSO4 pięć. Jest to więc pentahydrat o wzorze CuSO4·5H2O. Ma on niebieski kolor.
W wyniku ogrzewania hydrat traci wodę, która wyparowuje; w temperaturze 197°C sól staje się bezwodna i zmienia kolor na biały. Ilustruje to poniższe równanie reakcji.

Ulatująca z układu reakcyjnego woda powoduje ubytek masy. Drogą prostych obliczeń możemy dojść wielkości tej zmiany masy. Potrzebna nam będzie masa molowa hydratu i wody:
- MCuSO4·5H2O=249,69g/mol
- MH2O=18g/mol
Znając zależności molowe wynikające z równania reakcji, a także ilość wziętego do doświadczenia hydratu, możemy sformułować poniższą proporcję (w przeliczeniu na mol):
249,69 gCuSO4·5H2O––-5*18 gH2O (dane z równania reakcji)
10,04 gCuSO4·5H2O––-x gH2O (ile było w rzeczywistości)
Wynika stąd równanie pozwalające na wyliczenie ilości wody, jaka powinna odparować w tym doświadczeniu:
x gH2O=(10,04*5*18)/249,69=3,62g
W ten sposób wyznaczyliśmy ilość wody, jaka odparowała w trakcie prażenia hydratu. Otrzymany wynik jest bardzo zbliżony do uzyskanego empirycznie dzięki ważeniu (3,6g). W ten sposób możemy stwierdzić z całą pewnością, że zważyliśmy nie sam kolor niebieski, lecz wodę - na skutek ogrzewania usunęliśmy ją z sieci krystalicznej, co pociągnęło za sobą zmianę barwy.
Trzeba też wspomnieć, że możliwy jest proces odwrotny: otrzymana sól bezwodna jest bardzo higroskopijna i łatwo chłonie wilgoć nawet z powietrza. Efektem tego jest fakt, że wystawiony na kontakt z powietrzem biały CuSO4 po pewnym czasie przejdzie w CuSO4·5H2O, a niebieska barwa zostanie przywrócona.
Życzę miłej i pouczającej zabawy:)
Literatura dodatkowa
- Bacon G.E., Titterton D.H., Neutron-diffraction studies of CuSO4·5H2O and CuSO4·5D2O, Zeitschrift für Kristallographie, 1975, 141(5–6), str. 330–341
- Doroszewski W., "witriol", w: Słownik języka polskiego PWN, PWN, Warszawa, 1958–1969
- Kokkoros P.A., Rentzeperis P.J., The crystal structure of the anhydrous sulphates of copper and zinc, Acta Crystallographica, 1958, 11(5), str. 361–364
Marek Ples