Željezno doba - 3. dio

Najnovije izdanje o metalu broj jedan naše civilizacije i njegovim odnosima. Dosadašnji pokusi pokazali su da je ovo zanimljiv predmet za istraživanje u kućnom laboratoriju. Današnji eksperimenti neće biti ništa manje zanimljivi i omogućit će vam da drugačije pogledate neke aspekte kemije.

Jedan od pokusa u prvom dijelu članka bio je oksidacija zelenkastog taloga željezovog (II) hidroksida u smeđi željezov (III) hidroksid otopinom H.₂O₂. Vodikov peroksid se razgrađuje pod utjecajem mnogih čimbenika, uključujući spojeve željeza (u pokusu su pronađeni mjehurići kisika). Koristit ćete ovaj efekt da pokažete...

… Kako radi katalizator

naravno ubrzava reakciju, ali - vrijedi zapamtiti - samo onaj koji se može dogoditi u danim uvjetima (iako ponekad vrlo sporo, čak i neprimjetno). Istina, postoji tvrdnja da katalizator ubrzava reakciju, ali sam u njoj ne sudjeluje. Hmm... zašto se uopće dodaje? Kemija nije magija (ponekad mi se tako čini i "crna" k tome), a jednostavnim eksperimentom vidjet ćete katalizator na djelu.

Prvo pripremite svoj položaj. Trebat će vam pladanj za čuvanje stola od poplave, zaštitne rukavice i naočale ili vizir. Imate posla s kaustičnim reagensom: perhidrol (30% otopina vodikovog peroksida H₂O₂) i otopina željezovog (III) klorida FeCl₃. Djelujte mudro, posebno pazite na svoje oči: koža ruku opečenih pehidrolom obnavlja se, ali oči ne. (1).

2. Isparivač s lijeve strane sadrži samo vodu, s desne strane - vodu s dodatkom perhidrola. U oba ulijete otopinu željezovog (III) klorida

3. Tijek reakcije, nakon njezina završetka, katalizator se regenerira

Uliti u porculanski isparivač i dodati duplo više vode (reakcija se odvija i s vodikovim peroksidom, ali u slučaju 3% otopine učinak je jedva primjetan). Dobili ste približno 10% otopinu H₂O₂ (komercijalni perhidrol razrijeđen vodom 1:2). U drugi isparivač ulijte dovoljno vode tako da svaka posuda ima istu količinu tekućine (ovo će biti vaš referentni okvir). Sada dodajte 1-2 cm u oba kuhala na pari.³ 10% otopina FeCl₃ i pažljivo promatrati napredak testa (2).

U kontrolnom isparivaču tekućina ima žućkastu boju zbog hidratiziranih Fe iona.³⁺. S druge strane, puno se toga događa u posudi s vodikovim peroksidom: sadržaj postaje smeđi, plin se intenzivno ispušta, a tekućina u isparivaču postaje jako vruća ili čak ključa. Završetak reakcije označava prestanak razvijanja plina i promjenu boje sadržaja u žutu, kao u upravljačkom sustavu (3). Bio si samo svjedok rad katalitičkog pretvarača, ali znate li kakve su se promjene dogodile na plovilu?

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

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

Regenerirani Fe ioni³⁺ oni opet sudjeluju u prvoj reakciji. Proces završava kada se potroši sav vodikov peroksid, što ćete primijetiti kako se sadržaju isparivača vrati žućkasta boja. Kada obje strane prve jednadžbe pomnožite s dva i dodate je bočno drugoj, a zatim poništite iste članove na suprotnim stranama (kao u normalnoj matematičkoj jednadžbi), dobit ćete jednadžbu reakcije distribucije H₂O₂. Imajte na umu da u njemu nema iona željeza, ali da biste naznačili njihovu ulogu u transformaciji, upišite ih iznad strelice:

Vodikov peroksid se također spontano razgrađuje prema gornjoj jednadžbi (očito bez iona željeza), ali je taj proces prilično spor. Dodavanje katalizatora mijenja mehanizam reakcije u onaj koji je lakši za implementaciju i stoga ubrzava cjelokupnu pretvorbu. Zašto onda ideja da katalizator nije uključen u reakciju? Vjerojatno zato što se u procesu regenerira i ostaje nepromijenjen u smjesi produkata (u pokusu se žuta boja Fe(III) iona javlja i prije i nakon reakcije). Zato zapamtite to katalizator je uključen u reakciju i aktivni je dio.

Zbog problema s H.₂O₂

4. Katalaza razgrađuje vodikov peroksid (cijev s lijeve strane), dodavanjem otopine EDTA uništava se enzim (cijev desno)

Enzimi su također katalizatori, ali oni djeluju u stanicama živih organizama. Priroda je ione željeza upotrijebila u aktivnim centrima enzima koji ubrzavaju reakcije oksidacije i redukcije. To je zbog već spomenutih blagih promjena valencije željeza (iz II u III i obrnuto). Jedan od tih enzima je katalaza, koja štiti stanice od vrlo toksičnog produkta stanične pretvorbe kisika – vodikovog peroksida. Katalazu možete lako nabaviti: krumpir zgnječite i pire prelijte vodom. Pustite da suspenzija potone na dno i odbacite supernatant.

Ulijte 5 cm u epruvetu.³ ekstrakt krumpira i dodati 1 cm³ vodikov peroksid. Sadržaj je jako pjenast, može čak i “izaći” iz epruvete, pa probajte na pladnju. Katalaza je vrlo učinkovit enzim, jedna molekula katalaze može razgraditi do nekoliko milijuna H molekula u minuti.₂O₂.

Nakon ulijevanja ekstrakta u drugu epruvetu dodajte 1-2 ml³ Otopina EDTA (natrijeva edetinska kiselina) i sadržaj se pomiješaju. Ako sada dodate injekciju vodikovog peroksida, nećete vidjeti nikakvu razgradnju vodikovog peroksida. Razlog je stvaranje vrlo stabilnog kompleksa iona željeza s EDTA (ovaj reagens reagira s mnogim ionima metala, koji se koristi za njihovo određivanje i uklanjanje iz okoline). Kombinacija Fe iona³⁺ s EDTA blokira aktivno mjesto enzima i posljedično inaktivira katalazu (4).

Željezni vjenčani prsten

U analitičkoj kemiji identifikacija mnogih iona temelji se na stvaranju teško topljivih taloga. Međutim, letimičan pogled na tablicu topljivosti pokazat će da anioni nitrata (V) i nitrata (III) (soli prvog nazivaju se jednostavno nitrati, a drugi - nitriti) praktički ne stvaraju talog.

U detekciji ovih iona u pomoć priskače željezov (II) sulfat FeSO.₄. Pripremite reagense. Osim ove soli, trebat će vam i koncentrirana otopina sumporne kiseline (VI) H₂SO₄ i razrijeđenu 10-15% otopinu ove kiseline (paziti pri razrjeđivanju, sipati, naravno, “kiselinu u vodu”). Osim toga, soli koje sadrže detektirane anione, kao što je KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Pripremite koncentriranu otopinu FeSO.₄ i otopine soli oba aniona (četvrt žličice soli otopi se u oko 50 cm³ voda).

5. Pozitivan rezultat prstenastog testa.

Reagensi su spremni, vrijeme je za eksperimentiranje. Sipati 2-3 cm u dvije cijevi³ FeSO otopina₄. Zatim dodajte nekoliko kapi koncentrirane otopine N.₂SO₄. Pomoću pipete sakupite alikvot otopine nitrita (npr. NaNO₂) i ulijte tako da se slijeva niz stijenku epruvete (ovo je važno!). Na isti način ulijte dio otopine salitre (npr. KNO₃). Ako se obje otopine pažljivo izliju, na površini će se pojaviti smeđi krugovi (otuda i zajednički naziv za ovaj test, prstenasta reakcija) (5). Učinak je zanimljiv, ali imate pravo biti razočarani, možda i ogorčeni (ovo je ipak analitički test? Rezultati su u oba slučaja isti!).

Međutim, napravite još jedan eksperiment. Ovaj put dodajte razrijeđeni H.₂SO₄. Nakon ubrizgavanja otopina nitrata i nitrita (kao i dosad), pozitivan rezultat primijetit ćete samo u jednoj epruveti – onoj s otopinom NaNO.₂. Ovaj put vjerojatno nemate nikakvih zabrinutosti oko korisnosti prstenastog testa: reakcija u blago kiselom mediju omogućuje jasno razlikovanje dvaju iona.

Mehanizam reakcije temelji se na razgradnji obje vrste nitratnih iona uz oslobađanje dušikovog oksida (II) NO (u ovom slučaju ion željeza se oksidira s dvije na tri znamenke). Kombinacija Fe(II) iona s NO ima smeđu boju i daje boju prstenu (učinjeno je ako je test pravilno napravljen, jednostavnim miješanjem otopina dobit ćete samo tamnu boju epruvete, ali - priznajete - neće biti tako zanimljiv učinak). Međutim, razgradnja nitratnih iona zahtijeva jako kiseli reakcijski medij, dok nitrit zahtijeva samo blago zakiseljavanje, otuda uočene razlike tijekom ispitivanja.

Željezo u tajnoj službi

Ljudi su oduvijek imali što skrivati. Stvaranje časopisa podrazumijevalo je i razvoj metoda za zaštitu tako prenesenih informacija - šifriranje ili skrivanje teksta. Za potonju metodu izumljene su razne simpatičke tinte. Ovo su tvari za koje ste ih napravili natpis se ne vidimeđutim, otkriva se pod utjecajem, na primjer, zagrijavanja ili obrade s drugom tvari (razvijačem). Priprema lijepe tinte i njezinog razvijača nije teško. Dovoljno je pronaći reakciju u kojoj nastaje obojeni produkt. Najbolje je da sama tinta bude bezbojna, tada će natpis koji su napravili biti nevidljiv na podlozi bilo koje boje.

Spojevi željeza također čine atraktivne tinte. Nakon provedenih prethodno opisanih ispitivanja, otopine željeza (III) i FeCl klorida mogu se ponuditi kao simpatične boje.₃, kalijev tiocijanid KNCS i kalij ferocijanid K₄[Fe(CN)₆]. U reakciji FeCl₃ kod cijanida će pocrvenjeti, a kod ferocijanida će postati plav. Oni su prikladniji kao tinte. otopine tiocijanata i ferocijanidabudući da su bezbojni (u potonjem slučaju, otopina se mora razrijediti). Natpis je napravljen žućkastom otopinom FeCl.₃ vidi se na bijelom papiru (osim ako je kartica također žuta).

6. Dvobojna maskara je dobra

7. Tinta s simpatičnom salicilnom kiselinom

Pripremite razrijeđene otopine svih soli i četkom ili šibicom napišite na kartice s otopinom cijanida i ferocianida. Za svaki koristite drugu četku kako biste izbjegli kontaminaciju reagensa. Kada se osuši, stavite zaštitne rukavice i navlažite pamuk otopinom FeCl.₃. Otopina željezovog (III) klorida korozivna i ostavlja žute mrlje koje s vremenom posmeđe. Iz tog razloga izbjegavajte bojenje kože i okoline njome (izvedite pokus na pladnju). Pamučnim štapićem dotaknite komad papira kako biste navlažili njegovu površinu. Pod utjecajem programera pojavit će se crvena i plava slova. Također možete pisati s obje tinte na jednom listu papira, tada će otkriveni natpis biti dvobojni (6). Salicilni alkohol (2% salicilne kiseline u alkoholu) također je prikladan kao plava tinta (7).

Ovim je završen trodijelni članak o željezu i njegovim spojevima. Saznali ste da je to važan element, a osim toga, omogućuje vam provođenje mnogih zanimljivih eksperimenata. Međutim, i dalje ćemo se fokusirati na „željeznu“ temu, jer ćete za mjesec dana upoznati njegovog najgoreg neprijatelja - korozija.

Vidi također: