Järnåldern - Del 3

Det senaste numret om vår civilisations metall nummer ett och dess relationer. De experiment som hittills genomförts har visat att detta är ett intressant ämne för forskning i hemlaboratoriet. Dagens experiment kommer att vara inte mindre intressanta och kommer att tillåta oss att ta en annan titt på vissa aspekter av kemi.

Ett av experimenten i den första delen av artikeln var oxidation av en grönaktig fällning av järn(II)hydroxid till brun järn(III)hydroxid med en lösning av H₂O₂. Väteperoxid sönderdelas under påverkan av många faktorer, inklusive järnföreningar (syrebubblor upptäcktes i experimentet). Du kommer att använda den här effekten för att visa...

...Hur fungerar en katalysator?

självklart påskyndar reaktionen, men - det är värt att komma ihåg - endast en som kan inträffa under givna förhållanden (även om ibland mycket långsamt, till och med omärkligt). Det finns visserligen ett påstående att katalysatorn accelererar reaktionen, men inte deltar i den själv. Hmm... varför läggs det till överhuvudtaget? Kemi är inte magi (ibland verkar det så för mig, och "svart" för att starta upp), och med ett enkelt experiment kommer du att se katalysatorn i aktion.

Förbered först din position. Du behöver en bricka för att hålla bordet från spill, skyddshandskar och glasögon eller ett visir. Du har att göra med ett kaustiskt reagens: perhydrol (30 % lösning av väteperoxid H₂O₂) och järn(III)kloridlösning FeCl₃. Handla klokt, särskilt ta hand om dina ögon: huden på dina händer som bränns med pehydrol regenererar, men dina ögon gör det inte. (1).

2. Förångaren till vänster innehåller endast vatten, till höger - vatten med tillsats av perhydrol. Du häller en lösning av järn(III)klorid i båda

3. Reaktionens fortskridande, efter dess fullbordande regenereras katalysatorn

Häll i en porslinsindunstare och tillsätt dubbelt så mycket vatten (reaktionen sker även med väteperoxid, men i fallet med en 3% lösning är effekten dåligt märkbar). Du har ungefär 10 % H-lösning₂O₂ (kommersiell perhydrol späddes 1:2 med vatten). Häll tillräckligt med vatten i den andra förångaren så att varje behållare innehåller samma mängd vätska (detta kommer att vara din referensram). Lägg nu till 1-2 cm till båda ångkokarna.³ 10 % FeCl-lösning₃ och titta noga på testet (2).

I kontrollindunstaren är vätskan gulaktig på grund av hydratiserade Fe-joner.³⁺. Å andra sidan händer mycket i ett kärl med väteperoxid: innehållet blir brunt, gas frigörs intensivt och vätskan i förångaren blir väldigt varm eller till och med kokar. Slutet på reaktionen markeras av att gasutvecklingen upphör och att innehållets färg ändras till gult, som i kontrollsystemet (3). Du var bara ett vittne katalysatordrift, vet du vilka förändringar som har skett i kärlet?

Den bruna färgen kommer från järnföreningar, som bildas som ett resultat av reaktionen:

Gasen som släpps ut intensivt från förångaren är naturligtvis syre (du kan kontrollera om den pyrande facklan börjar brinna ovanför vätskans yta). I nästa steg oxiderar syret som frigörs i ovanstående reaktion Fe-katjonerna.²⁺:

Regenererade Fe-joner³⁺ de deltar återigen i den första reaktionen. Processen avslutas när all väteperoxid är förbrukad, vilket du märker när den gulaktiga färgen återgår till innehållet i förångaren. När du multiplicerar båda sidor av den första ekvationen med två och adderar den till sidan av den andra, och sedan avbryter liknande termer på motsatta sidor (som i en normal matematisk ekvation), får du fördelningsreaktionsekvationen H₂O₂. Observera att det inte finns några järnjoner, men för att ange deras roll i konverteringen, skriv dem ovanför pilen:

Väteperoxid sönderdelas också spontant enligt ovanstående ekvation (uppenbarligen utan järnjoner), men denna process är ganska långsam. Tillsatsen av en katalysator ändrar reaktionsmekanismen till en som är lättare att implementera och påskyndar därför hela omvandlingen. Så varför tanken att katalysatorn inte är involverad i reaktionen? Förmodligen för att det regenereras under processen och förblir oförändrat i blandningen av produkter (i experimentet framträder den gula färgen på Fe(III)-joner både före och efter reaktionen). Så kom ihåg det katalysatorn deltar i reaktionen och är den aktiva delen.

För problem med H.₂O₂

4. Katalas bryter ner väteperoxid (provrör till vänster), tillsats av en EDTA-lösning förstör enzymet (provrör till höger)

Enzymer är också katalysatorer, men de verkar i cellerna hos levande organismer. Naturen använde järnjoner i enzymernas aktiva centra som påskyndar oxidations- och reduktionsreaktioner. Detta beror på de redan nämnda små förändringarna i valens av järn (från II till III och vice versa). Ett av dessa enzymer är katalas, som skyddar celler från den mycket giftiga produkten av cellulär syreomvandling - väteperoxid. Du kan enkelt få katalas: mosa potatis och häll vatten över potatismos. Låt suspensionen sjunka till botten och kassera supernatanten.

Häll 5 cm i provröret.³ potatisextrakt och tillsätt 1 cm³ Väteperoxid. Innehållet är mycket skummande och kan till och med "komma ut" ur provröret, så prova det på en bricka. Katalas är ett mycket effektivt enzym; en katalasmolekyl kan bryta ner upp till flera miljoner H-molekyler på en minut.₂O₂.

Efter att ha hällt extraktet i ett andra provrör, tillsätt 1-2 cm³ EDTA-lösning (natriumedetinsyra) och innehållet blandas. Om du lägger till en del väteperoxid nu kommer du inte att se någon nedbrytning av väteperoxiden. Anledningen är bildandet av ett mycket stabilt komplex av järnjon med EDTA (detta reagens reagerar med många metalljoner, som används för deras bestämning och avlägsnande från miljön). Kombination av Fe-joner³⁺ med EDTA blockerade det aktiva stället för enzymet och inaktiverade därför katalas (4).

Vigselring av järn

Inom analytisk kemi är identifieringen av många joner baserad på bildandet av svårlösliga fällningar. En översiktlig blick på löslighetstabellen kommer dock att visa att nitrat (V) och nitrat (III) anjoner (salter av den första kallas helt enkelt nitrater, och den andra - nitriter) praktiskt taget inte bildar en fällning.

Järn(II)sulfat FeSO kommer till undsättning för att detektera dessa joner.₄. Förbered reagenserna. Utöver detta salt behöver du en koncentrerad lösning av svavelsyra (VI) H₂SO₄ och en utspädd 10-15% lösning av denna syra (var försiktig när du späder, häller naturligtvis "syra i vatten"). Dessutom salter som innehåller de detekterade anjonerna, såsom KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Bered en koncentrerad FeSO-lösning.₄ och lösningar av salter av båda anjonerna (lös upp en kvart tesked salt i ca 50 cm³ vatten).

5. Positivt resultat av ringtestet.

Reagenserna är klara, det är dags att experimentera. Häll 2-3 cm i två provrör³ FeSO lösning₄. Tillsätt sedan några droppar koncentrerad lösning N.₂SO₄. Använd en pipett och samla en alikvot av en nitritlösning (som NaNO₂) och häll i den så att den rinner ner i provrörets vägg (detta är viktigt!). På samma sätt, häll i en del av nitratlösningen (till exempel KNO₃). Om båda lösningarna försiktigt hälls upp kommer bruna cirklar att synas på ytan (därav det vanliga namnet för detta test, ringreaktion) (5). Effekten är intressant, men du har rätt att bli besviken, kanske till och med indignerad (Detta är trots allt ett analytiskt test? Resultaten är desamma i båda fallen!).

Testa dock ett experiment till. Denna gång, tillsätt utspädd H-lösning till provrören som innehåller järn(II)-saltlösningen.₂SO₄. Efter injicering av nitrat- och nitritlösningar (som tidigare) kommer du att märka ett positivt resultat i endast ett provrör - det med NaNO-lösningen.₂. Den här gången har du förmodligen inga reservationer om användbarheten av ringtestet: reaktionen i en lätt sur miljö gör att de två jonerna kan särskiljas tydligt.

Reaktionsmekanismen är baserad på sönderdelningen av båda typerna av nitratjoner med frisättning av kväveoxid (II) NO (i detta fall oxideras järnjonen från två till tre siffror). Kombinationen av Fe(II)-jonen med NO har en brun färg och ger ringen en färg (det görs om testet görs korrekt, genom att helt enkelt blanda lösningarna får du bara den mörka färgen på provröret, men - du erkänner - det kommer inte att bli en så intressant effekt). Nedbrytningen av nitratjoner kräver dock ett starkt surt reaktionsmedium, medan nitrit endast kräver lätt försurning, därav de observerade skillnaderna under testet.

Järn i Secret Service

Människor har alltid haft något att dölja. Skapandet av tidskriften innebar också utveckling av metoder för att skydda sådan överförd information - kryptering eller döljande av texten. En mängd sympatiska bläck har uppfunnits för den senare metoden. Det är dessa ämnen du gjorde dem för inskriptionen är inte synligdet avslöjas dock under påverkan av till exempel uppvärmning eller behandling med ett annat ämne (framkallare). Att göra lite vackert bläck och dess utvecklare är inte svårt. Det räcker med att hitta reaktionen som ger en färgad produkt. Det är bäst att själva bläcket är färglöst, då kommer inskriptionen som görs av den att vara osynlig på ett substrat av vilken färg som helst.

Järnföreningar gör också attraktiva bläck. Efter att ha utfört de tidigare beskrivna testerna kan lösningar av järn (III) och FeCl-klorid föreslås som sympatiska bläck.₃, kaliumtiocyanid KNCS och kaliumferrocyanid K₄[Fe(CN)₆]. I FeCl-reaktionen₃ med cyanid blir det rött, och med ferrocyanid blir det blått. De är bättre lämpade som bläck. lösningar av tiocyanat och ferrocyanideftersom de är färglösa (i det senare fallet måste lösningen spädas). Inskriptionen är gjord med en gulaktig FeCl-lösning.₃ det syns på vitt papper (om inte kortet också är gult).

6. Tvåfärgad mascara är bra

7. Sympatisk salicylsyrabläck

Förbered utspädda lösningar av alla salter och använd en pensel eller tändsticka för att skriva på korten med en lösning av cyanid och ferrocyanid. Använd olika borstar för varje för att undvika att förorena reagenserna. Vid torkning, använd skyddshandskar och fukta bomullsull med FeCl-lösning.₃. Järn(III)kloridlösning frätande och lämnar gula fläckar som blir bruna med tiden. Undvik därför att färga din hud och miljö med det (gör experimentet på en bricka). Använd en bomullstuss för att vidröra en bit papper för att fukta dess yta. Under inflytande av utvecklaren kommer röda och blå bokstäver att visas. Du kan också skriva med båda bläcken på ett pappersark, då blir den öppnade inskriptionen tvåfärgad (6). Salicylalkohol (en 2% lösning av salicylsyra i alkohol) är också lämplig som blått bläck (7).

Detta avslutar en artikel i tre delar om järn och dess föreningar. Du fick reda på att detta är ett viktigt element, och dessutom låter det dig genomföra många intressanta experiment. Men vi kommer fortfarande att fokusera på "järn" -ämnet, för om en månad kommer du att möta hans värsta fiende - korrosion.

Se även: