Εποχή του Σιδήρου - Μέρος 3

Το τελευταίο τεύχος για το νούμερο ένα μέταλλο του πολιτισμού μας και τις σχέσεις του. Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν μέχρι τώρα έδειξαν ότι αυτό είναι ένα ενδιαφέρον θέμα για έρευνα στο οικιακό εργαστήριο. Τα σημερινά πειράματα δεν θα είναι λιγότερο ενδιαφέροντα και θα μας επιτρέψουν να ρίξουμε μια διαφορετική ματιά σε ορισμένες πτυχές της χημείας.

Ένα από τα πειράματα στο πρώτο μέρος του άρθρου ήταν η οξείδωση ενός πρασινωπού ιζήματος υδροξειδίου του σιδήρου (II) σε καστανό υδροξείδιο σιδήρου (III) με διάλυμα Η.₂O₂. Το υπεροξείδιο του υδρογόνου αποσυντίθεται υπό την επίδραση πολλών παραγόντων, συμπεριλαμβανομένων των ενώσεων σιδήρου (στο πείραμα ανακαλύφθηκαν φυσαλίδες οξυγόνου). Θα χρησιμοποιήσετε αυτό το εφέ για να δείξετε...

...Πώς λειτουργεί ένας καταλύτης;

φυσικά επιταχύνει την αντίδραση, αλλά - αξίζει να θυμόμαστε - μόνο ένα που μπορεί να συμβεί υπό δεδομένες συνθήκες (αν και μερικές φορές πολύ αργά, ακόμη και ανεπαίσθητα). Είναι αλήθεια ότι υπάρχει ο ισχυρισμός ότι ο καταλύτης επιταχύνει την αντίδραση, αλλά δεν συμμετέχει σε αυτήν ο ίδιος. Χμ... γιατί προστίθεται καθόλου; Η χημεία δεν είναι μαγική (κάποιες φορές έτσι μου φαίνεται και «μαύρη» στην εκκίνηση), και με ένα απλό πείραμα, θα δεις τον καταλύτη σε δράση.

Πρώτα ετοιμάστε τη θέση σας. Θα χρειαστείτε ένα δίσκο για να μην χυθεί το τραπέζι, προστατευτικά γάντια και ποτήρια ή γείσο. Έχετε να κάνετε με ένα καυστικό αντιδραστήριο: υπερυδρόλη (30% διάλυμα υπεροξειδίου του υδρογόνου H₂O₂) και διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (III) FeCl₃. Ενεργήστε με σύνεση, ιδιαίτερα φροντίστε τα μάτια σας: το δέρμα των χεριών σας που έχει καεί με πεϋδρόλη αναγεννάται, αλλά τα μάτια σας όχι. (1).

2. Ο εξατμιστής στα αριστερά περιέχει μόνο νερό, στα δεξιά - νερό με την προσθήκη υπερυδρόλης. Ρίχνεις διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (III) και στα δύο

3. Πρόοδος της αντίδρασης, μετά την ολοκλήρωσή της ο καταλύτης αναγεννάται

Ρίξτε σε έναν εξατμιστή πορσελάνης και προσθέστε διπλάσιο νερό (η αντίδραση συμβαίνει επίσης με υπεροξείδιο του υδρογόνου, αλλά στην περίπτωση διαλύματος 3% το αποτέλεσμα είναι ελάχιστα αισθητό). Έχετε περίπου 10% διάλυμα Η₂O₂ (η εμπορική υπερυδρόλη αραιώθηκε 1:2 με νερό). Ρίξτε αρκετό νερό στον δεύτερο εξατμιστή, ώστε κάθε δοχείο να περιέχει την ίδια ποσότητα υγρού (αυτό θα είναι το πλαίσιο αναφοράς σας). Τώρα προσθέστε 1-2 cm και στους δύο ατμομάγειρες.³ Διάλυμα FeCl 10%.₃ και παρακολουθήστε προσεκτικά το τεστ (2).

Στον εξατμιστή ελέγχου, το υγρό είναι κιτρινωπό λόγω των ενυδατωμένων ιόντων Fe.³⁺. Από την άλλη, πολλά συμβαίνουν σε ένα δοχείο με υπεροξείδιο του υδρογόνου: το περιεχόμενο γίνεται καφέ, το αέριο απελευθερώνεται έντονα και το υγρό στον εξατμιστή γίνεται πολύ ζεστό ή ακόμα και βράζει. Το τέλος της αντίδρασης σηματοδοτείται από τη διακοπή της έκλυσης αερίων και το χρώμα του περιεχομένου αλλάζει σε κίτρινο, όπως στο σύστημα ελέγχου (3). Ήσουν απλώς μάρτυρας λειτουργία καταλυτικού μετατροπέα, ξέρετε τι αλλαγές έχουν συμβεί στο σκάφος;

Το καφέ χρώμα προέρχεται από ενώσεις δισθενούς σιδήρου, οι οποίες σχηματίζονται ως αποτέλεσμα της αντίδρασης:

Το αέριο που εκπέμπεται εντατικά από τον εξατμιστή είναι, φυσικά, οξυγόνο (μπορείτε να ελέγξετε αν ο πυρσός που σιγοκαίει αρχίζει να καίγεται πάνω από την επιφάνεια του υγρού). Στο επόμενο βήμα, το οξυγόνο που απελευθερώνεται στην παραπάνω αντίδραση οξειδώνει τα κατιόντα Fe.²⁺:

Αναγεννημένα ιόντα Fe³⁺ παίρνουν πάλι μέρος στην πρώτη αντίδραση. Η διαδικασία τελειώνει όταν έχει εξαντληθεί όλο το υπεροξείδιο του υδρογόνου, κάτι που θα παρατηρήσετε όταν το κιτρινωπό χρώμα επιστρέψει στο περιεχόμενο του ατμοποιητή. Όταν πολλαπλασιάσετε και τις δύο πλευρές της πρώτης εξίσωσης επί δύο και την προσθέσετε στην πλευρά της δεύτερης και στη συνέχεια ακυρώσετε τους παρόμοιους όρους στις αντίθετες πλευρές (όπως σε μια κανονική μαθηματική εξίσωση), παίρνετε την εξίσωση αντίδρασης κατανομής H₂O₂. Σημειώστε ότι δεν υπάρχουν ιόντα σιδήρου, αλλά για να υποδείξετε τον ρόλο τους στη μετατροπή, πληκτρολογήστε τα πάνω από το βέλος:

Το υπεροξείδιο του υδρογόνου επίσης αποσυντίθεται αυθόρμητα σύμφωνα με την παραπάνω εξίσωση (προφανώς χωρίς ιόντα σιδήρου), αλλά αυτή η διαδικασία είναι αρκετά αργή. Η προσθήκη ενός καταλύτη αλλάζει τον μηχανισμό αντίδρασης σε έναν πιο εύκολο στην εφαρμογή και ως εκ τούτου επιταχύνει ολόκληρο τον μετασχηματισμό. Γιατί λοιπόν η ιδέα ότι ο καταλύτης δεν εμπλέκεται στην αντίδραση; Πιθανώς επειδή αναγεννάται κατά τη διάρκεια της διαδικασίας και παραμένει αναλλοίωτο στο μείγμα των προϊόντων (στο πείραμα το κίτρινο χρώμα των ιόντων Fe(III) εμφανίζεται τόσο πριν όσο και μετά την αντίδραση). Να το θυμάστε λοιπόν ο καταλύτης συμμετέχει στην αντίδραση και είναι το ενεργό μέρος.

Για προβλήματα με τον Χ.₂O₂

4. Η καταλάση αποσυνθέτει το υπεροξείδιο του υδρογόνου (δοκιμαστικός σωλήνας στα αριστερά), προσθέτοντας ένα διάλυμα EDTA καταστρέφει το ένζυμο (δοκιμαστικός σωλήνας στα δεξιά)

Τα ένζυμα είναι επίσης καταλύτες, αλλά δρουν στα κύτταρα των ζωντανών οργανισμών. Η φύση χρησιμοποίησε ιόντα σιδήρου στα ενεργά κέντρα των ενζύμων που επιταχύνουν τις αντιδράσεις οξείδωσης και αναγωγής. Αυτό οφείλεται στις ήδη αναφερθείσες μικρές αλλαγές στο σθένος του σιδήρου (από II σε III και αντίστροφα). Ένα από αυτά τα ένζυμα είναι η καταλάση, η οποία προστατεύει τα κύτταρα από το εξαιρετικά τοξικό προϊόν της κυτταρικής μετατροπής του οξυγόνου - το υπεροξείδιο του υδρογόνου. Μπορείτε να πάρετε εύκολα καταλάση: λιώστε τις πατάτες και ρίξτε νερό πάνω από τον πουρέ πατάτας. Αφήστε το εναιώρημα να βυθιστεί στον πυθμένα και πετάξτε το υπερκείμενο.

Ρίξτε 5 cm στον δοκιμαστικό σωλήνα.³ εκχύλισμα πατάτας και προσθέτουμε 1 εκ³ υπεροξείδιο του υδρογόνου. Το περιεχόμενο είναι πολύ αφρώδες και μπορεί ακόμη και να «βγεί» από τον δοκιμαστικό σωλήνα, οπότε δοκιμάστε το σε δίσκο. Η καταλάση είναι ένα πολύ αποτελεσματικό ένζυμο· ένα μόριο καταλάσης μπορεί να διασπάσει έως και πολλά εκατομμύρια μόρια Η σε ένα λεπτό.₂O₂.

Αφού ρίξετε το εκχύλισμα σε δεύτερο δοκιμαστικό σωλήνα, προσθέστε 1-2 cm³ Διάλυμα EDTA (εδετικό οξύ νατρίου) και τα περιεχόμενα αναμειγνύονται. Εάν προσθέσετε τώρα ένα μέρος υπεροξειδίου του υδρογόνου, δεν θα δείτε καμία αποσύνθεση του υπεροξειδίου του υδρογόνου. Ο λόγος είναι ο σχηματισμός ενός πολύ σταθερού συμπλόκου ιόντων σιδήρου με το EDTA (το αντιδραστήριο αυτό αντιδρά με πολλά μεταλλικά ιόντα, το οποίο χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό και την απομάκρυνσή τους από το περιβάλλον). Συνδυασμός ιόντων Fe³⁺ με το EDTA απέκλεισε την ενεργό θέση του ενζύμου και, επομένως, την αδρανοποιημένη καταλάση (4).

Σιδερένια βέρα

Στην αναλυτική χημεία, η αναγνώριση πολλών ιόντων βασίζεται στο σχηματισμό ελάχιστα διαλυτών ιζημάτων. Ωστόσο, μια πρόχειρη ματιά στον πίνακα διαλυτότητας θα δείξει ότι τα νιτρικά (V) και τα νιτρικά (III) ανιόντα (τα άλατα του πρώτου ονομάζονται απλά νιτρικά και τα δεύτερα - νιτρώδη) πρακτικά δεν σχηματίζουν ίζημα.

Ο θειικός σίδηρος (II) FeSO έρχεται στη διάσωση για την ανίχνευση αυτών των ιόντων.₄. Προετοιμάστε τα αντιδραστήρια. Εκτός από αυτό το αλάτι, θα χρειαστείτε ένα συμπυκνωμένο διάλυμα θειικού οξέος (VI) H₂SO₄ και ένα αραιωμένο διάλυμα 10-15% αυτού του οξέος (προσοχή κατά την αραίωση, ρίχνοντας, φυσικά, "όξινο σε νερό"). Επιπλέον, άλατα που περιέχουν τα ανιόντα που ανιχνεύονται, όπως το KNO₃ΝΑΝΟ₃ΝΑΝΟ₂. Παρασκευάστε ένα συμπυκνωμένο διάλυμα FeSO.₄ και διαλύματα αλάτων και των δύο ανιόντων (διαλύστε ένα τέταρτο κουταλάκι του γλυκού αλάτι σε περίπου 50 εκ.³ νερό).

5. Θετικό αποτέλεσμα του τεστ δακτυλίου.

Τα αντιδραστήρια είναι έτοιμα, ήρθε η ώρα να πειραματιστείτε. Ρίξτε 2-3 cm σε δύο δοκιμαστικούς σωλήνες³ Διάλυμα FeSO₄. Στη συνέχεια προσθέστε μερικές σταγόνες πυκνού διαλύματος N.₂SO₄. Χρησιμοποιώντας μια πιπέτα, συλλέξτε ένα δείγμα ενός διαλύματος νιτρωδών (όπως NaNO₂) και ρίξτε το έτσι ώστε να ρέει κάτω από το τοίχωμα του δοκιμαστικού σωλήνα (αυτό είναι σημαντικό!). Με τον ίδιο τρόπο, ρίξτε μέρος του νιτρικού διαλύματος (για παράδειγμα, KNO₃). Εάν χυθούν προσεκτικά και τα δύο διαλύματα, θα εμφανιστούν καφέ κύκλοι στην επιφάνεια (εξ ου και η κοινή ονομασία αυτής της δοκιμής, αντίδραση δακτυλίου) (5). Το αποτέλεσμα είναι ενδιαφέρον, αλλά έχετε το δικαίωμα να απογοητευτείτε, ίσως και να αγανακτήσετε (Αυτό είναι τελικά ένα αναλυτικό τεστ; Τα αποτελέσματα είναι ίδια και στις δύο περιπτώσεις!).

Ωστόσο, δοκιμάστε ένα ακόμη πείραμα. Αυτή τη φορά, προσθέστε αραιό διάλυμα Η στους δοκιμαστικούς σωλήνες που περιέχουν το διάλυμα άλατος σιδήρου (II).₂SO₄. Μετά την έγχυση διαλυμάτων νιτρικών και νιτρωδών (όπως και πριν), θα παρατηρήσετε θετικό αποτέλεσμα μόνο σε έναν δοκιμαστικό σωλήνα - αυτόν με το διάλυμα NaNO.₂. Αυτή τη φορά πιθανότατα δεν έχετε καμία επιφύλαξη σχετικά με τη χρησιμότητα της δοκιμής δακτυλίου: η αντίδραση σε ένα ελαφρώς όξινο περιβάλλον επιτρέπει στα δύο ιόντα να διακρίνονται σαφώς.

Ο μηχανισμός αντίδρασης βασίζεται στην αποσύνθεση και των δύο τύπων νιτρικών ιόντων με την απελευθέρωση μονοξειδίου του αζώτου (II) NO (στην περίπτωση αυτή, το ιόν σιδήρου οξειδώνεται από δύο έως τρία ψηφία). Ο συνδυασμός του ιόντος Fe(II) με το ΝΟ έχει καφέ χρώμα και δίνει χρώμα στον δακτύλιο (γίνεται αν η δοκιμή γίνει σωστά, ανακατεύοντας απλά τα διαλύματα θα έχετε μόνο το σκούρο χρώμα του δοκιμαστικού σωλήνα, αλλά - παραδέχεστε - δεν θα υπάρχει τόσο ενδιαφέρον αποτέλεσμα). Ωστόσο, η αποσύνθεση των νιτρικών ιόντων απαιτεί ένα ισχυρά όξινο μέσο αντίδρασης, ενώ τα νιτρώδη απαιτεί μόνο ελαφρά οξίνιση, εξ ου και οι παρατηρούμενες διαφορές κατά τη διάρκεια της δοκιμής.

Σίδερο στη Μυστική Υπηρεσία

Οι άνθρωποι πάντα είχαν κάτι να κρύψουν. Η δημιουργία του περιοδικού συνεπαγόταν επίσης την ανάπτυξη μεθόδων για την προστασία τέτοιων μεταδιδόμενων πληροφοριών - κρυπτογράφηση ή απόκρυψη του κειμένου. Μια ποικιλία συμπαθητικών μελανιών έχουν εφευρεθεί για την τελευταία μέθοδο. Αυτές είναι οι ουσίες για τις οποίες τα φτιάξατε η επιγραφή δεν φαίνεταιΩστόσο, αποκαλύπτεται υπό την επίδραση, για παράδειγμα, θέρμανσης ή επεξεργασίας με άλλη ουσία (προγραμματιστή). Το να φτιάξεις ένα όμορφο μελάνι και ο προγραμματιστής του δεν είναι δύσκολο. Αρκεί να βρείτε την αντίδραση που παράγει ένα έγχρωμο προϊόν. Είναι καλύτερο το ίδιο το μελάνι να είναι άχρωμο, τότε η επιγραφή που θα κάνει θα είναι αόρατη σε ένα υπόστρωμα οποιουδήποτε χρώματος.

Οι ενώσεις σιδήρου δημιουργούν επίσης ελκυστικά μελάνια. Μετά τη διεξαγωγή των δοκιμών που περιγράφηκαν προηγουμένως, μπορούν να προταθούν διαλύματα σιδήρου (III) και χλωριούχου FeCl ως συμπαθητικά μελάνια.₃, θειοκυανιούχο κάλιο KNCS και σιδηροκυανιούχο κάλιο Κ₄[Fe(CN)₆]. Στην αντίδραση FeCl₃ με το κυάνιο θα γίνει κόκκινο και με το σιδηροκυανίδιο θα γίνει μπλε. Ταιριάζουν καλύτερα ως μελάνια. διαλύματα θειοκυανικού και σιδηροκυανιούχουαφού είναι άχρωμα (στην τελευταία περίπτωση το διάλυμα πρέπει να είναι αραιωμένο). Η επιγραφή γίνεται με κιτρινωπό διάλυμα FeCl.₃ είναι ορατό σε λευκό χαρτί (εκτός αν η κάρτα είναι επίσης κίτρινη).

6. Η δίχρωμη μάσκαρα είναι καλή

7. Συμπαθητικό μελάνι σαλικυλικού οξέος

Ετοιμάστε αραιωμένα διαλύματα όλων των αλάτων και χρησιμοποιήστε ένα πινέλο ή σπίρτο για να γράψετε στις κάρτες με διάλυμα κυανίου και σιδηροκυανίου. Χρησιμοποιήστε διαφορετική βούρτσα για το καθένα για να αποφύγετε τη μόλυνση των αντιδραστηρίων. Κατά το στέγνωμα, φορέστε προστατευτικά γάντια και βρέξτε το βαμβάκι με διάλυμα FeCl.₃. Διάλυμα χλωριούχου σιδήρου (III). διαβρωτικός και αφήνει κίτρινες κηλίδες που γίνονται καφέ με την πάροδο του χρόνου. Για το λόγο αυτό, αποφύγετε να λερώσετε το δέρμα και το περιβάλλον σας με αυτό (κάντε το πείραμα σε δίσκο). Χρησιμοποιήστε μια μπατονέτα για να αγγίξετε ένα κομμάτι χαρτί για να βρέξετε την επιφάνειά του. Υπό την επίδραση του προγραμματιστή, θα εμφανιστούν κόκκινα και μπλε γράμματα. Μπορείτε επίσης να γράψετε και με τα δύο μελάνια σε ένα φύλλο χαρτιού, τότε η ανοιχτή επιγραφή θα είναι δίχρωμη (6). Η σαλικυλική αλκοόλη (διάλυμα 2% σαλικυλικού οξέος σε αλκοόλη) είναι επίσης κατάλληλη ως μπλε μελάνι (7).

Αυτό ολοκληρώνει ένα άρθρο τριών μερών για τον σίδηρο και τις ενώσεις του. Ανακαλύψατε ότι αυτό είναι ένα σημαντικό στοιχείο και, επιπλέον, σας επιτρέπει να διεξάγετε πολλά ενδιαφέροντα πειράματα. Ωστόσο, θα συνεχίσουμε να επικεντρωνόμαστε στο "σιδερένιο" θέμα, γιατί σε ένα μήνα θα συναντήσετε τον χειρότερο εχθρό του - διάβρωση.

Δείτε επίσης: