Гвоздено доба – 3. део

Најновије издање о металу број један наше цивилизације и њеним односима. Досадашњи експерименти су показали да је ово занимљив предмет за истраживање у кућној лабораторији. Данашњи експерименти неће бити ништа мање занимљиви и омогућиће нам да другачије погледамо неке аспекте хемије.

Један од експеримената у првом делу чланка био је оксидација зеленкастог талога гвожђе (ИИ) хидроксида у смеђи гвожђе (ИИИ) хидроксид раствором Х.₂O₂. Водоник-пероксид се распада под утицајем многих фактора, укључујући једињења гвожђа (у експерименту су откривени мехурићи кисеоника). Користићете овај ефекат да покажете...

...Како ради катализатор?

наравно убрзава реакцију, али – вреди запамтити – само оно што може да се деси под датим условима (мада понекад веома споро, чак и неприметно). Постоји, међутим, изјава да катализатор убрзава реакцију, али не учествује у њој. Хмм... зашто га уопште додавати? Хемија није магија (понекад ми се тако чини, и „црна“) и једноставним експериментом видећете катализатор на делу.

Прво припремите своју позицију. Требаће вам послужавник да се сто не проспе, заштитне рукавице и наочаре или визир. Имате посла са каустичним реагенсом: перхидрол (30% раствор водоник пероксида Х₂O₂) и раствор гвожђа (ИИИ) хлорида ФеЦл₃. Понашајте се мудро, посебно водите рачуна о очима: кожа ваших руку опечених пехидролом се регенерише, али ваше очи не. (КСНУМКС).

2. Испаривач са леве стране садржи само воду, десно - воду са додатком перхидрола. У оба сипате раствор гвожђе(ИИИ) хлорида

3. Напредак реакције, након њеног завршетка катализатор се регенерише

Сипати у порцелански испаривач и додати дупло више воде (реакција се дешава и са водоник пероксидом, али у случају 3% раствора ефекат је слабо приметан). Имате приближно 10% раствора Х₂O₂ (комерцијални перхидрол је разблажен водом 1:2). Сипајте довољно воде у други испаривач тако да свака посуда садржи исту количину течности (ово ће бити ваш референтни оквир). Сада додајте 1-2 цм у обе паре.³ 10% раствор ФеЦл₃ и пажљиво посматрајте тест (2).

У контролном испаривачу течност је жућкаста због хидратисаних Фе јона.³⁺. С друге стране, у посуди са водоник-пероксидом се много дешава: садржај постаје браон, гас се интензивно ослобађа, а течност у испаривачу постаје веома врућа или чак кључа. Крај реакције је обележен престанком издвајања гаса и променом боје садржаја у жуту, као у контролном систему (3). Био си само сведок рад катализатора, да ли знате какве су се промене десиле у посуди?

Смеђа боја долази од једињења гвожђа, која настају као резултат реакције:

Гас који се интензивно емитује из испаривача је, наравно, кисеоник (можете проверити да ли тињајућа бакља почиње да гори изнад површине течности). У следећем кораку, кисеоник ослобођен у горњој реакцији оксидира Фе катјоне.²⁺:

Регенерисани Фе јони³⁺ они опет учествују у првој реакцији. Процес се завршава када се потроши сав водоник пероксид, што ћете приметити када се садржају испаривача врати жућкаста боја. Када помножите обе стране прве једначине са два и додате је на страну друге, а затим поништите сличне чланове на супротним странама (као у нормалној математичкој једначини), добићете једначину реакције дистрибуције Х₂O₂. Имајте на уму да нема јона гвожђа, али да бисте назначили њихову улогу у конверзији, откуцајте их изнад стрелице:

Водоник пероксид се такође спонтано разлаже према горњој једначини (очигледно без јона гвожђа), али овај процес је прилично спор. Додавање катализатора мења механизам реакције у онај који је лакши за имплементацију и самим тим убрзава целокупну трансформацију. Зашто онда идеја да катализатор није укључен у реакцију? Вероватно зато што се током процеса регенерише и остаје непромењен у смеши производа (у експерименту се жута боја Фе(ИИИ) јона појављује и пре и после реакције). Па запамти то катализатор учествује у реакцији и активни је део.

За невоље са Х.₂O₂

4. Каталаза разлаже водоник пероксид (епрувета лево), додавањем раствора ЕДТА уништава ензим (епрувета десно)

Ензими су такође катализатори, али делују у ћелијама живих организама. Природа је користила јоне гвожђа у активним центрима ензима, убрзавајући реакције оксидације и редукције. То је због већ поменутих благих промена у валентности гвожђа (од ИИ до ИИИ и обрнуто). Један од ових ензима је каталаза, која штити ћелије од високо токсичног производа ћелијских трансформација кисеоника - водоник-пероксида. Каталазу можете лако добити гњечењем кромпира и додавањем воде у пире кромпир. Оставите суспензију да потоне на дно и баците супернатант.

Сипајте 5 цм у епрувету.³ екстракт кромпира и додати 1 цм³ водоник пероксид. Садржај је веома пенаст и може чак да „изађе“ из епрувете, па пробајте на послужавнику. Каталаза је веома ефикасан ензим; један молекул каталазе може да разгради до неколико милиона Х молекула у минути.₂O₂.

Након што сипате екстракт у другу епрувету, додајте 1-2 цм³ ЕДТА раствор (натријум едетинска киселина) и садржај се помешају. Ако сада додате део водоник пероксида, нећете видети никакво распадање водоник пероксида. Разлог је формирање веома стабилног комплекса јона гвожђа са ЕДТА (овај реагенс реагује са многим металним јонима, који се користи за њихово одређивање и уклањање из околине). Комбинација Фе јона³⁺ са ЕДТА блокира активно место ензима и, према томе, инактивира каталазу (4).

Гвоздени венчани прстен

У аналитичкој хемији, идентификација многих јона се заснива на формирању тешко растворљивих талога. Међутим, брзи поглед на табелу растворљивости ће показати да ањони нитрата (В) и нитрата (ИИИ) (соли првих се једноставно називају нитрати, а други - нитрити) практично не формирају талог.

Гвожђе (ИИ) сулфат ФеСО долази у помоћ у откривању ових јона.₄. Припремите реагенсе. Поред ове соли, биће вам потребан и концентровани раствор сумпорне киселине (ВИ) Х₂SO₄ и разблаженог 10-15% раствора ове киселине (пазите при разблажењу, сипању, наравно, „киселине у воду“). Поред тога, соли које садрже откривене ањоне, као што је КНО₃, НаНО₃, НаНО₂. Припремите концентровани раствор ФеСО.₄ и раствори соли оба ањона (четврт кашичице соли растворити у око 50 цм³ вода).

5. Позитиван резултат теста прстена.

Реагенси су спремни, време је за експеримент. Сипати 2-3 цм у две епрувете³ ФеСО раствор₄. Затим додајте неколико капи концентрованог раствора Н.₂SO₄. Помоћу пипете сакупите аликвот раствора нитрита (као што је НаНО₂) и сипајте тако да се слива низ зид епрувете (ово је важно!). На исти начин сипајте део раствора нитрата (на пример, КНО₃). Ако оба раствора пажљиво сипате, на површини ће се појавити смеђи кругови (отуда и уобичајен назив за овај тест – прстенаста реакција) (5). Ефекат је занимљив, али имате право да будете разочарани, можда чак и огорчени (Ово је ипак аналитички тест? Резултати су исти у оба случаја!).

Међутим, покушајте са још једним експериментом. Овог пута додајте разблажен раствор Х у епрувете које садрже раствор соли гвожђа (ИИ).₂SO₄. Након увођења раствора нитрата и нитрита (као и до сада) приметићете позитиван резултат само у једној епрувети – оној са раствором НаНО.₂. Овог пута вероватно немате резерве у погледу корисности теста прстена: реакција у благо киселој средини омогућава да се два јона јасно разликују.

Механизам реакције заснива се на разградњи обе врсте нитрат-јона са ослобађањем азот-оксида (ИИ) НО (у овом случају се јон гвожђа оксидује од двоцифрене до троцифрене). Комбинација јона Фе(ИИ) са НО има браон боју и даје прстену боју (ако је тест урађен правилно, једноставним мешањем раствора добићете само тамну боју епрувете, али - морате признајте - неће бити тако занимљив ефекат). Међутим, за разлагање нитратних јона потребан је јако кисели реакциони медијум, док је за нитрит потребно само благо закисељавање, па отуда и уочене разлике у тесту.

Гвожђе у тајној служби

Људи су увек имали шта да крију. Стварање часописа подразумевало је и развој метода за заштиту тако преношених информација – шифровање или скривање текста. За ову другу методу измишљена су разна симпатична мастила. Ово су супстанце због којих сте их направили натпис се не видимеђутим, открива се под утицајем, на пример, загревања или третмана другом супстанцом (развијачем). Није тешко направити лепо мастило и његов програмер. Довољно је пронаћи реакцију која производи обојени производ. Најбоље је да је само мастило безбојно, тада ће натпис направљен од њега бити невидљив на подлози било које боје.

Једињења гвожђа такође чине атрактивна мастила. Након спровођења претходно описаних испитивања, раствори гвожђа (ИИИ) и ФеЦл хлорида се могу предложити као симпатична мастила.₃, калијум тиоцијанид КНЦС и калијум фероцијанид К₄[Фе(ЦН)₆]. У реакцији ФеЦл₃ са цијанидом ће постати црвена, а са фероцијанидом ће постати плава. Боље су као мастило. раствори тиоцијаната и фероцијанидапошто су безбојни (у овом другом случају раствор мора бити разблажен). Натпис је направљен жућкастим раствором ФеЦл.₃ видљиво је на белом папиру (осим ако је и картица жута).

6. Двобојна маскара је добра

7. Мастило са симпатичном салицилном киселином

Припремити разблажене растворе свих соли и четком или шибицом писати на картице са раствором цијанида и фероцијанида. Користите другу четку за сваку да бисте избегли контаминацију реагенса. Приликом сушења носите заштитне рукавице и навлажите вату раствором ФеЦл.₃. Раствор гвожђе(ИИИ) хлорида корозивна и оставља жуте мрље које временом постају смеђе. Из тог разлога, избегавајте да тиме бојите кожу и околину (изведите експеримент на послужавнику). Користите памучни штапић да додирнете комад папира да навлажите његову површину. Под утицајем програмера појавиће се црвена и плава слова. Такође можете писати са оба мастила на једном листу папира, тада ће отворени натпис бити двобојни (6). Салицилни алкохол (2% раствор салицилне киселине у алкохолу) је такође погодан као плаво мастило (7).

Овим је завршен троделни чланак о гвожђу и његовим једињењима. Открили сте да је ово важан елемент, а поред тога, омогућава вам да спроведете многе занимљиве експерименте. Међутим, и даље ћемо се фокусирати на „гвоздену“ тему, јер ћете за месец дана упознати његовог најгорег непријатеља - корозија.

Погледајте и: