Krwawiący metal - rodanki i żelazo(III)
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (1/2024):
Dziedziny ścisłe, w tym oczywiście chemia, jawią się jako obszary wiedzy, w których doświadczenia są kluczowe dla głębszego zrozumienia tajemnic mikroświata. To nie tylko teoria, ale także praktyka stanowią fundament zdobywania wiedzy, ukazując nam związki między abstrakcyjnymi koncepcjami a realnymi fenomenami, z jakimi możemy się zetknąć w naszym życiu.
Chemia, jako nauka badająca strukturę, właściwości i zmiany materii, stawia duże wymagania w procesie dydaktycznym - nie tylko uczniowi, ale przede wszystkim właśnie nauczycielowi. Aby móc jak najpełniej przekazywać wiedzę niezbędne jest stosowanie zrównoważonego podejścia, uwzględniającego zarówno aspekty abstrakcyjne, jak i te, które można doświadczyć zmysłami. To właśnie praktyka, poprzez przeprowadzanie doświadczeń i eksperymentów, otwiera przed nami bramy do zrozumienia procesów chemicznych na poziomie, który trudno osiągnąć jedynie poprzez suche fakty i wzory na tablicy - chociaż dla zrozumienia całości one też są potrzebne, o czym czasem jakby się zapomina w dzisiejszych czasach.
Pamiętajmy też, że podstawowym celem nauczania chemicznego powinno być nie tylko przekazywanie informacji, ale również rozwijanie umiejętności analitycznych i krytycznego podejścia. Doświadczenia chemiczne stają się zatem niezastąpionym narzędziem edukacyjnym, umożliwiającym uczniom przekształcanie teorii w praktykę. Przeprowadzanie eksperymentów nie tylko utrwala wiedzę, ale również czyni ją łatwiejszą do zapamiętania. Wrażenia zmysłowe różnego rodzaju, w tym wzrokowe (choćby zmiany barwy roztworów), słuchowe (prawie każdemu z chemią kojarzy się przecież dźwięk bulgotania tajemniczych płynów w retortach) czy nawet wyczuwanie charakterystycznego zapachu substancji chemicznych, sprawiają, że abstrakcyjne pojęcia stają się bardziej zrozumiałe i atrakcyjne dla uczniów.
Między innymi właśnie ze wspomnianych uprzednio powodów uważam, że nawet proste doświadczenia, które można przygotować szybko i bez wykorzystania skomplikowanych sprzętów, mogą mieć duży aspekt dydaktyczny - szczególnie jeśli chodzi o wzbudzenie zainteresowania u uczniów. Właśnie tego typu doświadczeniem jest próba zmuszenia żelaza do „krwawienia”.
Doświadczenie
W celu przygotowania doświadczenia musimy zgromadzić substancje z poniższej listy:
- rodanek potasu KSCN lub amonu NH4SCN [1],
- kwas chlorowodorowy HCl(aq)stężony,
- nadtlenek wodoru H2O2 3% (apteczna woda utleniona),
- żelazo Fe (stal).
Rodanek potasu albo tiocyjanian potasu to nieorganiczny związek chemiczny z grupy rodanków, sól kwasu rodanowodorowego i potasu. W temperaturze pokojowej jest to białe, krystaliczne ciało stałe.
Pamiętajmy, że chociaż rodanki same w sobie nie są bardzo toksyczne, to mogą one uwalniać silnie trujące gazy w kontakcie z innymi substancjami. Stężony kwas chlorowodorowy HCl jest silnie żrący i uwalnia się z niego gazowy chlorowodór, który jest drażniący i toksyczny. Trzeba koniecznie stosować odpowiednie środki ochrony osobistej.
Przystępując do doświadczenia musimy przygotować odpowiedni roztwór. W 25cm3 wody destylowanej rozpuszczamy 0,2g rodanku potasu lub taką samą ilość rodanku amonu, trzy krople stężonego kwasu chlorowodorowego oraz kilka kropli 3% nadtlenku wodoru. Tak otrzymany roztwór jest całkowicie bezbarwny (Fot.1).
Potrzebujemy też dowolnego stalowego lub żelaznego przedmiotu. Odpowiedni będzie zwykły, nieocynkowany gwóźdź (Fot.2).
Aby uruchomić reakcję wystarczy wrzucić stalowy przedmiot do roztworu (Fot.3). Początkowo nie widać bardziej zdecydowanych oznak zachodzenia jakichś procesów, poza delikatnym pociemnieniem powierzchni metalu.
Jednak już po kilku, kilkunastu sekundach możemy zobaczyć coś niezwykłego: z powierzchni metalu zaczyna jakby spływać ciemnoczerwona ciecz, mogąca się łatwo kojarzyć z krwią (Fot.4). Po zamieszaniu cały roztwór nabiera czerwonej barwy [2].
Doświadczenie można przeprowadzić też inaczej, może nawet bardziej dramatycznie. W tym celu skórę (bez żadnych ran, ponieważ stosowane chemikalia nie są obojętne dla zdrowia) należy zwilżyć bezbarwnym roztworem – wtedy każdy kontakt ze stalowym narzędziem, np. specjalnie przygotowanym (stępionym) ostrzem noża pozostawi na skórze niby-krwawe ślady, co bywa wykorzystywane jako praktyczny efekt specjalny w filmach.
Wyjaśnienie
Użyty w doświadczeniu gwóźdź jest wykonany ze stali, której głównym składnikiem jest żelazo. I to właśnie żelazo reaguje z rozcieńczonym kwasem solnym w obecności nadtlenku wodoru. Dzięki temu w roztworze pojawiają się trójdodatnie jony żelazowe Fe3+.
W roztworze rozpuściliśmy jednak też rodanek potasu. Jony rodankowe reagując z powstałymi wcześniej jonami żelazowymi(III) dają w wyniku ciemnoczerwony kompleks do złudzenia przypominający krew. To on jest odpowiedzialny za "krwawienie" metalu.
Opisywana reakcja jest bardzo czuła i wykorzystuje się ją w analityce chemicznej do wykrywania jonów żelaza na trzecim stopniu utleniania [3].
- [1] Hassa R., Mrzigod J., Nowakowski J., Podręczny słownik chemiczny, Wyd. I, Videograf II, Katowice, 2004, str. 384 powrót
- [2] Lide D. R. (red.), CRC Handbook of Chemistry and Physics, wyd. 88, CRC Press, 2007, str. 8-16 powrót
- [3] De Meyer T., Substituent effects on absorption spectra of pH indicators: An experimental and computational study of sulfonphthaleine dyes, Dyes and Pigments, 2014, 102, str. 241-250 powrót
Wszystkie fotografie zostały wykonane przez autora
Uzupełnienie autora
Efekt doświadczenia można zobaczyć na filmie:
Marek Ples