Epoca fierului - Partea 3

Cel mai recent număr despre metalul numărul unu al civilizației noastre și relațiile sale. Experimentele efectuate până acum au arătat că acesta este un obiect interesant pentru cercetare în laboratorul de acasă. Experimentele de astăzi nu vor fi mai puțin interesante și vă vor permite să aruncați o privire diferită asupra unor aspecte ale chimiei.

Unul dintre experimentele din prima parte a articolului a fost oxidarea unui precipitat verzui de hidroxid de fier (II) la hidroxid de fier brun (III) cu o soluție de H₂O₂. Peroxidul de hidrogen se descompune sub influența multor factori, inclusiv a compușilor de fier (în experiment au fost găsite bule de oxigen). Veți folosi acest efect pentru a arăta...

… Cum funcționează un catalizator

desigur accelereaza reactia, dar – merită să ne amintim – doar unul care poate apărea în condiții date (deși uneori foarte încet, chiar imperceptibil). Adevărat, există o afirmație că catalizatorul accelerează reacția, dar nu ia parte la ea însuși. Hmm... de ce se adaugă deloc? Chimia nu este magie (uneori așa mi se pare și „neagră” pentru început), și cu un simplu experiment, vei vedea catalizatorul în acțiune.

Mai întâi pregătiți-vă poziția. Veți avea nevoie de o tavă pentru a evita inundarea mesei, mănuși de protecție și ochelari de protecție sau o vizor. Aveți de-a face cu un reactiv caustic: perhidrol (soluție de peroxid de hidrogen 30% H₂O₂) și soluție de clorură de fier (III) FeCl₃. Acționează cu înțelepciune, mai ales ai grijă de ochii tăi: pielea mâinilor arse cu pehidrol se regenerează, dar ochii nu. (1).

2. Evaporatorul din stânga conține doar apă, în dreapta - apă cu adaos de perhidrol. Turnați o soluție de clorură de fier (III) în ambele

3. Pe parcursul reacției, după terminarea acesteia, catalizatorul este regenerat

Se toarnă într-un evaporator de porțelan și se adaugă de două ori mai multă apă (reacția are loc și cu peroxid de hidrogen, dar în cazul unei soluții de 3%, efectul este greu de observat). Ați primit aproximativ 10% soluție de H₂O₂ (perhidrol comercial diluat 1:2 cu apă). Turnați suficientă apă în al doilea evaporator, astfel încât fiecare vas să aibă aceeași cantitate de lichid (acesta va fi cadrul dvs. de referință). Acum adăugați 1-2 cm la ambele aburi.³ Soluție 10% FeCl₃ și observați cu atenție evoluția testului (2).

În evaporatorul de control, lichidul are o culoare gălbuie din cauza ionilor de Fe hidratați.³⁺. Pe de altă parte, într-un vas cu peroxid de hidrogen se întâmplă multe lucruri: conținutul devine maro, gazul este eliberat intens, iar lichidul din evaporator devine foarte fierbinte sau chiar fierbe. Sfârșitul reacției este marcat de încetarea degajării gazelor și de o schimbare a culorii conținutului în galben, ca în sistemul de control (3). Ai fost doar un martor funcționarea convertorului catalitic, dar știți ce schimbări au avut loc în vas?

Culoarea maro provine din compușii feroși care se formează în urma reacției:

Gazul care este evacuat intens din evaporator este, desigur, oxigen (puteți verifica dacă o flacără strălucitoare începe să ardă deasupra suprafeței lichidului). În etapa următoare, oxigenul eliberat în reacția de mai sus oxidează cationii Fe.²⁺:

Ioni Fe regenerați³⁺ iau din nou parte la prima reacție. Procesul se termină când tot peroxidul de hidrogen a fost consumat, lucru pe care îl veți observa pe măsură ce culoarea gălbuie revine în conținutul evaporatorului. Când înmulțiți ambele părți ale primei ecuații cu două și o adăugați lateral la a doua și apoi anulați aceiași termeni pe părți opuse (ca într-o ecuație matematică normală), obțineți ecuația reacției de distribuție H₂O₂. Vă rugăm să rețineți că nu există ioni de fier în el, dar pentru a indica rolul lor în transformare, tastați-i deasupra săgeții:

De asemenea, peroxidul de hidrogen se descompune spontan conform ecuației de mai sus (evident fără ioni de fier), dar acest proces este destul de lent. Adăugarea unui catalizator schimbă mecanismul de reacție cu unul care este mai ușor de implementat și, prin urmare, accelerează întreaga conversie. Deci, de ce ideea că catalizatorul nu este implicat în reacție? Probabil pentru că se regenerează în proces și rămâne neschimbat în amestecul de produse (în experiment, culoarea galbenă a ionilor de Fe(III) apare atât înainte, cât și după reacție). Așa că amintește-ți asta catalizatorul este implicat în reacție și este partea activă.

Pentru probleme cu H.₂O₂

4. Catalaza descompune peroxidul de hidrogen (tub din stânga), adăugarea unei soluții de EDTA distruge enzima (tub din dreapta)

Enzimele sunt, de asemenea, catalizatori, dar acţionează în celulele organismelor vii. Natura a folosit ioni de fier în centrii activi ai enzimelor care accelerează reacțiile de oxidare și reducere. Acest lucru se datorează modificărilor ușoare deja menționate în valența fierului (de la II la III și invers). Una dintre aceste enzime este catalaza, care protejează celulele de produsul extrem de toxic al conversiei oxigenului celular - peroxidul de hidrogen. Puteți obține cu ușurință catalază: piure de cartofi și turnați apă peste piure de cartofi. Lăsați suspensia să se scufunde până la fund și aruncați supernatantul.

Se toarnă 5 cm în eprubetă.³ extract de cartofi și adăugați 1 cm³ apă oxigenată. Conținutul este foarte spumos, poate chiar să se „târască afară” din eprubetă, așa că încercați-l pe o tavă. Catalaza este o enzimă foarte eficientă, o moleculă de catalază poate descompune până la câteva milioane de molecule H pe minut.₂O₂.

După turnarea extractului în a doua eprubetă, adăugați 1-2 ml³ Se amestecă soluția de EDTA (acid edetic de sodiu) și conținutul. Dacă adăugați acum o doză de peroxid de hidrogen, nu veți vedea nicio descompunere a peroxidului de hidrogen. Motivul este formarea unui complex de ioni de fier foarte stabil cu EDTA (acest reactiv reacționează cu mulți ioni de metal, care este folosit pentru a le determina și a le elimina din mediu). Combinație de ioni de Fe³⁺ cu EDTA a blocat locul activ al enzimei și, prin urmare, a inactivat catalaza (4).

Verigheta de fier

În chimia analitică, identificarea multor ioni se bazează pe formarea de precipitate puțin solubile. Cu toate acestea, o privire scurtă asupra tabelului de solubilitate va arăta că anionii nitrat (V) și nitrat (III) (sărurile primului se numesc pur și simplu nitrați, iar al doilea - nitriți) practic nu formează un precipitat.

Sulfatul de fier (II) FeSO vine în ajutor în detectarea acestor ioni.₄. Pregătiți reactivii. Pe lângă această sare, veți avea nevoie de o soluție concentrată de acid sulfuric (VI) H₂SO₄ și o soluție diluată 10-15% din acest acid (aveți grijă când diluați, turnând, desigur, „acid în apă”). În plus, săruri care conțin anionii detectați, cum ar fi KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Se prepară o soluție concentrată de FeSO.₄ și soluții de săruri ale ambilor anioni (dizolvați un sfert de linguriță de sare în aproximativ 50 cm³ apă).

5. Rezultat pozitiv al testului inel.

Reactivii sunt gata, este timpul să experimentăm. Se toarnă 2-3 cm în două tuburi³ soluție FeSO₄. Apoi adăugați câteva picături de soluție concentrată de N.₂SO₄. Folosind o pipetă, colectați o parte alicotă din soluția de nitriți (de exemplu, NaNO₂) și turnați-l astfel încât să curgă pe peretele eprubetei (acest lucru este important!). În același mod, turnați o parte din soluția de salpetru (de exemplu, KNO₃). Dacă ambele soluții sunt turnate cu atenție, la suprafață vor apărea cercuri maro (de unde și denumirea comună pentru acest test, reacție inelară) (5). Efectul este interesant, dar ai dreptul să fii dezamăgit, poate chiar indignat (Acesta este un test analitic, până la urmă? Rezultatele sunt aceleași în ambele cazuri!).

Totuși, faceți un alt experiment. De data aceasta adăugați H diluat.₂SO₄. După injectarea soluțiilor de nitrat și nitriți (ca și înainte), veți observa un rezultat pozitiv doar într-o singură eprubetă - cea cu soluția de NaNO.₂. De data aceasta probabil că nu aveți nicio îngrijorare cu privire la utilitatea testului inel: reacția într-un mediu ușor acid permite distingerea clară a celor doi ioni.

Mecanismul de reacție se bazează pe descompunerea ambelor tipuri de ioni de azotat cu eliberarea de oxid nitric (II) NO (în acest caz, ionul de fier este oxidat de la două până la trei cifre). Combinația ionului Fe(II) cu NO are culoarea maro și dă culoare inelului (se face dacă testul se face corect, prin simpla amestecare a soluțiilor vei obține doar culoarea închisă a eprubetei, dar – recunoști – nu va exista un efect atât de interesant). Totuși, descompunerea ionilor de azotat necesită un mediu de reacție puternic acid, în timp ce nitritul necesită doar o ușoară acidificare, de unde și diferențele observate în timpul testului.

Fier în Serviciul Secret

Oamenii au avut mereu ceva de ascuns. Crearea revistei a presupus și dezvoltarea unor metode de protejare a acestor informații transmise – criptarea sau ascunderea textului. Pentru această din urmă metodă au fost inventate o varietate de cerneluri simpatice. Acestea sunt substanțele pentru care le-ați făcut inscripția nu este vizibilăcu toate acestea, se dezvăluie sub influența, de exemplu, a încălzirii sau a tratamentului cu o altă substanță (dezvoltator). Pregătirea cernelii frumoase și a dezvoltatorului acesteia nu este dificilă. Este suficient să găsiți reacția în care se formează un produs colorat. Cel mai bine este ca cerneala în sine să fie incoloră, apoi inscripția făcută de ei va fi invizibilă pe un substrat de orice culoare.

Compușii de fier produc, de asemenea, cerneluri atractive. După efectuarea testelor descrise anterior, soluțiile de fier (III) și clorură de FeCl pot fi propuse ca cerneluri simpatice.₃, tiocianura de potasiu KNCS și ferocianura de potasiu K₄[Fe(CN)₆]. În reacția FeCl₃ cu cianura va deveni rosie, iar cu ferocianura va deveni albastru. Sunt mai potrivite ca cerneluri. soluții de tiocianat și ferocianurădeoarece sunt incolore (în acest din urmă caz, soluția trebuie diluată). Inscripția a fost realizată cu o soluție gălbuie de FeCl.₃ poate fi văzut pe hârtie albă (cu excepția cazului în care cartonașul este și galben).

6. Rimelul în două nuanțe este bun

7. Cerneală cu acid salicilic simpatic

Pregătiți soluții diluate din toate sărurile și folosiți o pensulă sau un chibrit pentru a scrie pe cartonașe cu o soluție de cianură și ferocianură. Utilizați o perie diferită pentru fiecare pentru a evita contaminarea reactivilor. Când este uscat, puneți mănuși de protecție și umeziți bumbacul cu soluția de FeCl.₃. Soluție de clorură de fier (III). corozive și lasă pete galbene care devin maronii în timp. Din acest motiv, evitați pătarea pielii și a mediului cu aceasta (efectuați experimentul pe o tavă). Utilizați un tampon de bumbac pentru a atinge o bucată de hârtie pentru a-i umezi suprafața. Sub influența dezvoltatorului, vor apărea litere roșii și albastre. De asemenea, puteți scrie cu ambele cerneală pe o singură coală de hârtie, apoi inscripția revelată va fi bicoloră (6). Alcoolul salicilic (acid salicilic 2% în alcool) este, de asemenea, potrivit ca cerneală albastră (7).

Aceasta încheie articolul în trei părți despre fier și compușii săi. Ați aflat că acesta este un element important și, în plus, vă permite să efectuați multe experimente interesante. Cu toate acestea, ne vom concentra în continuare pe subiectul „fier”, pentru că într-o lună îl vei întâlni pe cel mai mare dușman al lui - coroziune.

A se vedea, de asemenea: