Gvozdeno doba - Prvi dio

Najnovije izdanje o metalu broj jedan naše civilizacije i njegovim odnosima. Dosadašnji eksperimenti su pokazali da je ovo zanimljiva tema za istraživanje u kućnoj laboratoriji. Današnji eksperimenti neće biti ništa manje zanimljivi i omogućiće nam da drugačije sagledamo neke aspekte hemije.

Jedan od eksperimenata u prvom dijelu članka bio je oksidacija zelenkastog taloga željeznog (II) hidroksida u smeđi željezov (III) hidroksid otopinom H.₂O₂. Vodikov peroksid se razgrađuje pod uticajem mnogih faktora, uključujući jedinjenja gvožđa (u eksperimentu su otkriveni mjehurići kisika). Ovaj efekat ćete koristiti da pokažete...

...Kako radi katalizator?

naravno ubrzava reakciju, ali - vrijedi zapamtiti - samo ono što se može dogoditi u datim uvjetima (iako ponekad vrlo sporo, čak i neprimjetno). Postoji, međutim, izjava da katalizator ubrzava reakciju, ali ne sudjeluje u njoj. Hmm... zašto ga uopšte dodavati? Hemija nije magija (ponekad mi se tako čini, i “crna” za dizanje), a jednostavnim eksperimentom vidjet ćete katalizator na djelu.

Prvo pripremite svoju poziciju. Trebat će vam poslužavnik da se stol ne prolije, zaštitne rukavice i naočale ili vizir. Radite sa kaustičnim reagensom: perhidrolom (30% otopina vodikovog peroksida H₂O₂) i rastvor gvožđa (III) hlorida FeCl₃. Ponašajte se mudro, posebno vodite računa o svojim očima: koža vaših ruku opečena pehidrolom se regeneriše, ali vaše oči ne. (1).

2. Isparivač lijevo sadrži samo vodu, desno - vodu sa dodatkom perhidrola. U oba sipate rastvor gvožđe(III) hlorida

3. Napredak reakcije, nakon njenog završetka katalizator se regeneriše

Sipati u porculanski isparivač i dodati duplo više vode (reakcija se dešava i sa vodonik peroksidom, ali u slučaju 3% rastvora efekat je slabo primetan). Imate približno 10% rastvora H₂O₂ (komercijalni perhidrol je razrijeđen vodom 1:2). Sipajte dovoljno vode u drugi isparivač tako da svaka posuda sadrži istu količinu tekućine (ovo će biti vaš referentni okvir). Sada dodajte 1-2 cm u oba aparata za kuhanje na pari.³ 10% rastvor FeCl₃ i pažljivo posmatrajte test (2).

U kontrolnom isparivaču tekućina je žućkasta zbog hidratiziranih Fe jona.³⁺. S druge strane, mnogo se događa u posudi s vodikovim peroksidom: sadržaj postaje smeđi, plin se intenzivno oslobađa, a tekućina u isparivaču postaje jako vruća ili čak ključa. Završetak reakcije je označen prestankom izdvajanja gasa i promjenom boje sadržaja u žutu, kao u kontrolnom sistemu (3). Bio si samo svedok rad katalizatora, znate li kakve su se promjene dogodile na plovilu?

Smeđa boja dolazi od spojeva obojenog željeza, koji nastaju kao rezultat reakcije:

Plin koji se intenzivno emituje iz isparivača je naravno kisik (možete provjeriti da li tinjajuća baklja počinje gorjeti iznad površine tekućine). U sljedećem koraku, kisik oslobođen u gornjoj reakciji oksidira Fe katione.²⁺:

Regenerisani Fe joni³⁺ oni ponovo učestvuju u prvoj reakciji. Proces se završava kada se potroši sav vodikov peroksid, što ćete primijetiti kada se sadržaju isparivača vrati žućkasta boja. Kada pomnožite obje strane prve jednačine sa dva i dodate je na stranu druge, a zatim poništite slične članove na suprotnim stranama (kao u normalnoj matematičkoj jednadžbi), dobićete jednadžbu reakcije distribucije H₂O₂. Imajte na umu da nema iona željeza, ali da biste naznačili njihovu ulogu u konverziji, upišite ih iznad strelice:

Vodikov peroksid se također spontano razgrađuje prema gornjoj jednadžbi (očigledno bez iona željeza), ali ovaj proces je prilično spor. Dodavanje katalizatora mijenja mehanizam reakcije u onaj koji je lakši za implementaciju i stoga ubrzava cjelokupnu transformaciju. Zašto onda ideja da katalizator nije uključen u reakciju? Vjerovatno zato što se tokom procesa regenerira i ostaje nepromijenjen u mješavini proizvoda (u eksperimentu se žuta boja Fe(III) jona pojavljuje i prije i poslije reakcije). Zato zapamtite to katalizator sudjeluje u reakciji i aktivni je dio.

Za probleme sa H.₂O₂

4. Katalaza razgrađuje vodikov peroksid (epruveta lijevo), dodavanjem otopine EDTA uništava se enzim (epruveta desno)

Enzimi su također katalizatori, ali djeluju u ćelijama živih organizama. Priroda je koristila ione željeza u aktivnim centrima enzima, ubrzavajući reakcije oksidacije i redukcije. To je zbog već spomenutih blagih promjena u valentnosti gvožđa (sa II na III i obrnuto). Jedan od tih enzima je katalaza, koja štiti stanice od visoko toksičnog produkta staničnih transformacija kisika - vodikovog peroksida. Katalazu možete lako dobiti gnječenjem krompira i dodavanjem vode u pire krompir. Pustite da suspenzija potone na dno i bacite supernatant.

Sipajte 5 cm u epruvetu.³ ekstrakta krompira i dodajte 1 cm³ vodikov peroksid. Sadržaj je jako pjenast i može čak “izaći” iz epruvete, pa probajte na poslužavniku. Katalaza je vrlo efikasan enzim; jedan molekul katalaze može razgraditi do nekoliko miliona H molekula u minuti.₂O₂.

Nakon što sipate ekstrakt u drugu epruvetu, dodajte 1-2 cm³ EDTA rastvor (natrijum edetinska kiselina) i sadržaj se pomešaju. Ako sada dodate dio vodikovog peroksida, nećete vidjeti nikakvu razgradnju vodikovog peroksida. Razlog je stvaranje veoma stabilnog kompleksa jona gvožđa sa EDTA (ovaj reagens reaguje sa mnogim metalnim jonima, koji se koristi za njihovo određivanje i uklanjanje iz okoline). Kombinacija Fe jona³⁺ sa EDTA blokira aktivno mjesto enzima i, stoga, inaktivira katalazu (4).

Željezni vjenčani prsten

U analitičkoj hemiji, identifikacija mnogih jona zasniva se na formiranju teško rastvorljivih taloga. Međutim, brzi pogled na tablicu rastvorljivosti pokazat će da nitratni (V) i nitratni (III) anioni (soli prvih se jednostavno nazivaju nitrati, a drugi - nitriti) praktički ne stvaraju talog.

Gvožđe (II) sulfat FeSO dolazi u pomoć u detekciji ovih jona.₄. Pripremite reagense. Osim ove soli, trebat će vam i koncentrirani rastvor sumporne kiseline (VI) H₂SO₄ i razrijeđenu 10-15% otopinu ove kiseline (pazite pri razrjeđivanju, sipanju, naravno, "kiseline u vodu"). Osim toga, soli koje sadrže otkrivene anione, kao što je KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Pripremite koncentrovani rastvor FeSO.₄ i rastvori soli oba anjona (otopiti četvrtinu kašičice soli u oko 50 cm³ voda).

5. Pozitivan rezultat testa prstena.

Reagensi su spremni, vrijeme je za eksperimentiranje. Sipati 2-3 cm u dvije epruvete³ FeSO rastvor₄. Zatim dodajte nekoliko kapi koncentrovanog rastvora N.₂SO₄. Pomoću pipete sakupite alikvot rastvora nitrita (kao što je NaNO₂) i sipajte tako da teče niz zid epruvete (ovo je važno!). Na isti način ulijte dio otopine nitrata (na primjer, KNO₃). Ako oba rastvora pažljivo sipate, na površini će se pojaviti smeđi krugovi (otuda i uobičajeni naziv za ovaj test - prstenasta reakcija) (5). Učinak je zanimljiv, ali imate pravo biti razočarani, možda čak i ogorčeni (Ovo je ipak analitički test? Rezultati su isti u oba slučaja!).

Međutim, pokušajte s još jednim eksperimentom. Ovaj put dodajte razrijeđeni rastvor H u epruvete koje sadrže rastvor soli gvožđa (II).₂SO₄. Nakon uvođenja rastvora nitrata i nitrita (kao i do sada), pozitivan rezultat ćete primetiti samo u jednoj epruveti – onoj sa rastvorom NaNO.₂. Ovaj put vjerovatno nemate rezerve u pogledu korisnosti prstenastog testa: reakcija u blago kiseloj sredini omogućava da se dva jona jasno razlikuju.

Mehanizam reakcije zasniva se na razgradnji oba tipa nitratnih jona uz oslobađanje dušikovog oksida (II) NO (u ovom slučaju ion željeza se oksidira od dvocifrene do trocifrene). Kombinacija Fe(II) jona sa NO ima smeđu boju i daje prstenu boju (ako se test uradi pravilno, jednostavnim mešanjem rastvora dobićete samo tamnu boju epruvete, ali - morate priznajte - neće biti tako zanimljiv efekat). Međutim, za razlaganje nitratnih jona potreban je jako kiseli reakcioni medij, dok je za nitrit potrebno samo blago zakiseljavanje, otuda i uočene razlike u testu.

Gvožđe u tajnoj službi

Ljudi su uvek imali šta da kriju. Stvaranje časopisa je podrazumijevalo i razvoj metoda za zaštitu tako prenošenih informacija – šifriranje ili skrivanje teksta. Za potonju metodu izmišljeno je mnoštvo simpatičnih mastila. To su supstance zbog kojih ste ih napravili natpis se ne vidimeđutim, otkriva se pod uticajem, na primer, zagrevanja ili tretmana drugom supstancom (razvijačem). Nije teško napraviti lijepu tintu i njen programer. Dovoljno je pronaći reakciju koja proizvodi obojeni proizvod. Najbolje je da sama tinta bude bezbojna, tada će natpis napravljen od njega biti nevidljiv na podlozi bilo koje boje.

Jedinjenja željeza također čine atraktivne boje. Nakon izvođenja prethodno opisanih testova, rastvori gvožđa (III) i FeCl hlorida mogu se predložiti kao simpatička mastila.₃, kalijum tiocijanid KNCS i kalijum ferocijanid K₄[Fe(CN)₆]. U reakciji FeCl₃ sa cijanidom će postati crvena, a sa ferocijanidom će postati plava. Bolji su kao mastilo. rastvori tiocijanata i ferocijanidabudući da su bezbojni (u potonjem slučaju otopina mora biti razrijeđena). Natpis je napravljen žućkastim rastvorom FeCl.₃ vidljivo je na bijelom papiru (osim ako je kartica također žuta).

6. Dvobojna maskara je dobra

7. Tinta sa simpatičnom salicilnom kiselinom

Pripremite razrijeđene otopine svih soli i četkom ili šibicom pišite na kartice s otopinom cijanida i ferocianida. Za svaku koristite drugu četku kako biste izbjegli kontaminaciju reagensa. Prilikom sušenja nosite zaštitne rukavice i navlažite vatu rastvorom FeCl.₃. Rastvor gvožđe(III) hlorida korozivno i ostavlja žute mrlje koje vremenom postaju smeđe. Iz tog razloga, izbjegavajte bojenje kože i okoline njome (izvedite eksperiment na poslužavniku). Koristite pamučni štapić da dodirnete komad papira da navlažite njegovu površinu. Pod uticajem programera pojavit će se crvena i plava slova. Takođe možete pisati sa oba mastila na jednom listu papira, tada će otvoreni natpis biti dvobojni (6). Salicilni alkohol (2% rastvor salicilne kiseline u alkoholu) je takođe pogodan kao plavo mastilo (7).

Ovim je završen trodijelni članak o željezu i njegovim spojevima. Otkrili ste da je ovo važan element, a osim toga, omogućava vam da provodite mnoge zanimljive eksperimente. Međutim, ipak ćemo se fokusirati na „gvozdenu“ temu, jer ćete za mesec dana upoznati njegovog najgoreg neprijatelja - korozija.

Vidi takođe: