Geležies amžius – 3 dalis

Naujausias numeris apie mūsų civilizacijos metalą numeris vienas ir jo santykius. Iki šiol atlikti eksperimentai parodė, kad tai įdomus objektas tyrimams namų laboratorijoje. Šios dienos eksperimentai bus ne mažiau įdomūs ir leis kitaip pažvelgti į kai kuriuos chemijos aspektus.

Vienas iš eksperimentų pirmoje straipsnio dalyje buvo žalsvų geležies (II) hidroksido nuosėdų oksidavimas į rudą geležies (III) hidroksidą H tirpalu.₂O₂. Vandenilio peroksidas skyla veikiamas daugelio veiksnių, tarp jų ir geležies junginių (eksperimento metu buvo rasta deguonies burbuliukų). Šį efektą naudosite norėdami parodyti...

... Kaip veikia katalizatorius

žinoma pagreitina reakciją, bet – verta prisiminti – tik tokį, kuris gali atsirasti tam tikromis sąlygomis (nors kartais ir labai lėtai, net nepastebimai). Tiesa, yra tvirtinimas, kad katalizatorius pagreitina reakciją, bet pats joje nedalyvauja. Hmm... kodėl išvis pridedama? Chemija nėra magija (kartais man taip atrodo, o paleisti „juoda“), o atlikę paprastą eksperimentą pamatysite, kaip veikia katalizatorius.

Pirmiausia paruoškite savo poziciją. Jums reikės padėklo, kad stalas neaplietų, apsauginės pirštinės ir akiniai arba skydelis. Turite reikalų su šarminiu reagentu: perhidroliu (30 % vandenilio peroksido tirpalu H₂O₂) ir geležies (III) chlorido FeCl tirpalu₃. Elkitės išmintingai, ypač pasirūpinkite akimis: pehidroliu nudegusi rankų oda atsinaujina, o akys – ne. (1).

2. Garintuve kairėje yra tik vanduo, dešinėje - vanduo su perhidrolio priedu. Į abu supilkite geležies (III) chlorido tirpalą

3. Reakcijos eiga, jai pasibaigus, katalizatorius regeneruojamas

Supilkite į porcelianinį garintuvą ir įpilkite dvigubai daugiau vandens (reakcija vyksta ir su vandenilio peroksidu, bet 3% tirpalo atveju efektas sunkiai juntamas). Gavote maždaug 10% H tirpalo₂O₂ (prekybinis perhidrolis, praskiestas vandeniu santykiu 1:2). Į antrąjį garintuvą įpilkite pakankamai vandens, kad kiekviename inde būtų tiek pat skysčio (tai bus jūsų atskaitos sistema). Dabar į abu garintuvus įpilkite 1-2 cm.³ 10% FeCl tirpalas₃ ir atidžiai stebėkite bandymo eigą (2).

Kontroliniame garintuve skystis yra gelsvos spalvos dėl hidratuotų Fe jonų.³⁺. Kita vertus, inde su vandenilio peroksidu nutinka daug dalykų: turinys paruduoja, intensyviai išsiskiria dujos, garintuve esantis skystis labai įkaista ar net užverda. Reakcijos pabaiga žymima dujų išsiskyrimo nutrūkimu ir turinio spalvos pasikeitimu į geltoną, kaip ir valdymo sistemoje (3). Tu buvai tik liudininkas katalizinio konverterio veikimas, bet ar žinote, kokie pokyčiai įvyko inde?

Ruda spalva atsiranda dėl geležies junginių, susidarančių dėl reakcijos:

Iš garintuvo intensyviai išmetamos dujos, žinoma, yra deguonis (galite patikrinti, ar virš skysčio paviršiaus nepradeda degti žėrinti liepsna). Kitame etape deguonis, išsiskiriantis aukščiau minėtoje reakcijoje, oksiduoja Fe katijonus.²⁺:

Regeneruoti Fe jonai³⁺ jie vėl dalyvauja pirmoje reakcijoje. Procesas baigiasi, kai išnaudojamas visas vandenilio peroksidas, o tai pastebėsite, kai į garintuvo turinį grįžta gelsva spalva. Kai padauginate abi pirmosios lygties puses iš dviejų ir pridedate ją į šoną prie antrosios, o tada atšaukiate tuos pačius terminus priešingose ​​pusėse (kaip ir įprastoje matematikos lygtyje), gausite pasiskirstymo reakcijos lygtį H.₂O₂. Atkreipkite dėmesį, kad jame nėra geležies jonų, tačiau norėdami nurodyti jų vaidmenį transformacijoje, įveskite juos virš rodyklės:

Vandenilio peroksidas taip pat spontaniškai skyla pagal aukščiau pateiktą lygtį (aišku, be geležies jonų), tačiau šis procesas vyksta gana lėtai. Pridėjus katalizatorių reakcijos mechanizmas pakeičiamas į lengviau įgyvendinamą, todėl pagreitėja visa konversija. Taigi kodėl kilo mintis, kad katalizatorius nedalyvauja reakcijoje? Tikriausiai dėl to, kad proceso metu atsinaujina ir produktų mišinyje išlieka nepakitęs (eksperimente Fe(III) jonų geltona spalva būna ir prieš reakciją, ir po jos). Taigi prisimink tai katalizatorius dalyvauja reakcijoje ir yra aktyvioji dalis.

Dėl bėdų su X.₂O₂

4. Katalazė skaido vandenilio peroksidą (vamzdelis kairėje), pridėjus EDTA tirpalo fermentas sunaikinamas (vamzdelis dešinėje)

Fermentai taip pat yra katalizatoriai, tačiau jie veikia gyvų organizmų ląstelėse. Gamta naudojo geležies jonus aktyviuose fermentų centruose, kurie pagreitina oksidacijos ir redukcijos reakcijas. Taip yra dėl jau minėtų nežymių geležies valentingumo pokyčių (nuo II iki III ir atvirkščiai). Vienas iš šių fermentų yra katalazė, apsauganti ląsteles nuo labai toksiško deguonies konversijos ląstelėje produkto – vandenilio peroksido. Katalazę gausite nesunkiai: sutrinkite bulves ir bulvių košę užpilkite vandeniu. Leiskite suspensijai nusileisti į dugną ir išmeskite supernatantą.

Į mėgintuvėlį įpilkite 5 cm.³ bulvių ekstrakto ir įpilkite 1 cm³ vandenilio peroksidas. Turinys labai putojantis, gali net „išlįsti“ iš mėgintuvėlio, todėl išbandykite ant padėklo. Katalazė yra labai efektyvus fermentas, viena katalazės molekulė gali suskaidyti iki kelių milijonų H molekulių per minutę.₂O₂.

Supylus ekstraktą į antrą mėgintuvėlį, įpilama 1-2 ml³ EDTA tirpalas (natrio edeto rūgštis) ir turinys sumaišomi. Jei dabar pridėsite vandenilio peroksido, nematysite jokio vandenilio peroksido skilimo. Priežastis – labai stabilaus geležies jonų komplekso susidarymas su EDTA (šis reagentas reaguoja su daugeliu metalų jonų, kuris naudojamas jiems nustatyti ir pašalinti iš aplinkos). Fe jonų derinys³⁺ su EDTA blokavo aktyviąją fermento vietą ir todėl inaktyvavo katalazę (4).

Geležinis vestuvinis žiedas

Analitinėje chemijoje daugelio jonų identifikavimas grindžiamas mažai tirpių nuosėdų susidarymu. Tačiau paviršutiniškai pažvelgus į tirpumo lentelę paaiškės, kad nitratų (V) ir nitratų (III) anijonai (pirmojo druskos vadinamos tiesiog nitratais, o antrosios – nitritais) praktiškai nesudaro nuosėdų.

Geležies (II) sulfatas FeSO padeda aptikti šiuos jonus.₄. Paruoškite reagentus. Be šios druskos, jums reikės koncentruoto sieros rūgšties (VI) H tirpalo₂SO₄ ir praskiestas 10-15% šios rūgšties tirpalas (atsargiai skiedžiant, pilant, žinoma, „rūgštį į vandenį“). Be to, druskos, kuriose yra aptiktų anijonų, pvz., KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Paruoškite koncentruotą FeSO tirpalą.₄ ir abiejų anijonų druskų tirpalai (ištirpinkite ketvirtadalį arbatinio šaukštelio druskos maždaug 50 cm³ vanduo).

5. Teigiamas žiedo testo rezultatas.

Reagentai paruošti, laikas eksperimentuoti. Supilkite 2-3 cm į du vamzdelius³ FeSO tirpalas₄. Tada įlašinkite kelis lašus koncentruoto N tirpalo.₂SO₄. Pipete surinkite nitrito tirpalo alikvotinę dalį (pvz., NaNO₂) ir supilkite taip, kad nutekėtų mėgintuvėlio sienele (tai svarbu!). Tuo pačiu būdu supilkite dalį salietros tirpalo (pavyzdžiui, KNO₃). Jei abu tirpalai bus kruopščiai pilami, paviršiuje atsiras rudi apskritimai (taigi ir įprastas šio bandymo pavadinimas, žiedinė reakcija) (5). Poveikis įdomus, bet jūs turite teisę nusivilti, gal net pasipiktinti (juk tai analitinis testas? Rezultatai abiem atvejais vienodi!).

Tačiau atlikite kitą eksperimentą. Šį kartą pridėkite praskiestą H.₂SO₄. Suleidę nitratų ir nitritų tirpalus (kaip ir anksčiau), teigiamą rezultatą pastebėsite tik viename mėgintuvėlyje – su NaNO tirpalu.₂. Šį kartą tikriausiai neturite komentarų apie žiedo testo naudingumą: reakcija šiek tiek rūgščioje terpėje leidžia aiškiai atskirti du jonus.

Reakcijos mechanizmas pagrįstas abiejų tipų nitratų jonų skilimu, išskiriant azoto oksidą (II) NO (šiuo atveju geležies jonas oksiduojamas nuo dviejų iki trijų skaitmenų). Fe(II) jono derinys su NO yra rudos spalvos ir suteikia žiedui spalvą (tai daroma jei tyrimas atliktas teisingai, paprasčiausiai sumaišius tirpalus gausite tik tamsią mėgintuvėlio spalvą, bet - pripažįstate - nebus tokio įdomaus efekto). Tačiau nitratų jonams skaidyti reikia stipriai rūgščios reakcijos terpės, o nitritus – tik šiek tiek parūgštinti, todėl bandymo metu pastebėti skirtumai.

Geležis slaptojoje tarnyboje

Žmonės visada turėjo ką slėpti. Kuriant žurnalą taip pat buvo sukurti metodai, kaip apsaugoti tokią perduodamą informaciją - šifruoti ar paslėpti tekstą. Pastarajam metodui buvo išrasta įvairių simpatiškų rašalų. Tai yra medžiagos, dėl kurių jas sukūrėte užrašo nesimatotačiau jis atsiskleidžia veikiant, pavyzdžiui, kaitinant ar apdorojant kita medžiaga (ryškalas). Paruošti gražų rašalą ir jo ryškalą nėra sunku. Pakanka rasti reakciją, kurios metu susidaro spalvotas produktas. Geriausia, kad pats rašalas būtų bespalvis, tada jų padarytas užrašas bus nematomas ant bet kokios spalvos pagrindo.

Geležies junginiai taip pat sukuria patrauklius rašalus. Atlikus anksčiau aprašytus bandymus, kaip simpatinius dažus galima pasiūlyti geležies (III) ir FeCl chlorido tirpalus.₃, kalio tiocianidas KNCS ir kalio ferocianidas K₄[Fe (CN)₆]. FeCl reakcijoje₃ su cianidu pasidarys raudona, o su ferocianidu – mėlyna. Jie geriau tinka kaip rašalas. tiocianato ir ferocianido tirpalaikadangi jie yra bespalviai (pastaruoju atveju tirpalą reikia atskiesti). Užrašas padarytas gelsvu FeCl tirpalu.₃ tai galima pamatyti ant balto popieriaus (nebent kortelė irgi geltona).

6. Dviejų atspalvių tušas yra geras

7. Simpatinis salicilo rūgšties rašalas

Paruoškite atskiestus visų druskų tirpalus ir teptuku ar degtuku užrašykite ant kortelių cianido ir ferocianido tirpalu. Kiekvienam naudokite skirtingą šepetėlį, kad neužterštumėte reagentų. Kai išdžius, užsimaukite apsaugines pirštines ir sudrėkinkite medvilnę FeCl tirpalu.₃. Geležies (III) chlorido tirpalas ėsdinantis ir palieka geltonas dėmes, kurios laikui bėgant paruduoja. Dėl šios priežasties venkite juo nudažyti odos ir aplinkos (eksperimentą atlikite ant padėklo). Medvilniniu tamponu palieskite popieriaus lapą, kad sudrėkintumėte jo paviršių. Kūrėjo įtakoje pasirodys raudonos ir mėlynos raidės. Taip pat galima rašyti abiem tušu ant vieno popieriaus lapo, tuomet atsiskleidžiantis užrašas bus dvispalvis (6). Salicilo alkoholis (2 % salicilo rūgšties alkoholyje) tinka ir kaip mėlynas rašalas (7).

Taip baigiamas trijų dalių straipsnis apie geležį ir jos junginius. Jūs sužinojote, kad tai yra svarbus elementas, be to, jis leidžia atlikti daugybę įdomių eksperimentų. Tačiau vis tiek sutelksime dėmesį į „geležinę“ temą, nes po mėnesio sutiksite didžiausią jo priešą - korozija.

Taip pat žiūrėkite: