Dzelzs laikmets — 3. daļa

Jaunākais izdevums par mūsu civilizācijas metālu numur viens un tā attiecībām. Līdz šim veiktie eksperimenti ir parādījuši, ka šis ir interesants objekts pētījumiem mājas laboratorijā. Šodienas eksperimenti būs ne mazāk interesanti un ļaus savādāk paskatīties uz dažiem ķīmijas aspektiem.

Viens no eksperimentiem raksta pirmajā daļā bija zaļganu dzelzs (II) hidroksīda nogulšņu oksidēšana par brūnu dzelzs (III) hidroksīdu ar H šķīdumu.₂O₂. Ūdeņraža peroksīds sadalās daudzu faktoru, tostarp dzelzs savienojumu, ietekmē (eksperimentā tika konstatēti skābekļa burbuļi). Jūs izmantosit šo efektu, lai parādītu...

… Kā darbojas katalizators

protams paātrina reakciju, bet - der atcerēties - tikai tādu, kas var rasties dotajos apstākļos (lai gan reizēm ļoti lēni, pat nemanāmi). Tiesa, ir apgalvojums, ka katalizators paātrina reakciju, bet pats tajā nepiedalās. Hmm... kāpēc tas vispār ir pievienots? Ķīmija nav maģija (dažreiz man tā šķiet, un tā ir "melna", lai palaistu), un ar vienkāršu eksperimentu jūs redzēsit katalizatoru darbībā.

Vispirms sagatavojiet savu pozīciju. Jums būs nepieciešama paplāte, lai aizsargātu galdu no applūšanas, aizsargcimdi un aizsargbrilles vai vizieris. Jums ir darīšana ar kodīgu reaģentu: perhidrolu (30% ūdeņraža peroksīda šķīdums H₂O₂) un dzelzs (III) hlorīda šķīdumu FeCl₃. Rīkojies gudri, īpaši rūpējies par acīm: ar pehidrolu apdedzinātā roku āda atjaunojas, bet acis – nē. (1).

2. Kreisajā pusē esošajā iztvaicētājā ir tikai ūdens, labajā pusē - ūdens ar perhidrola piedevu. Abos ielej dzelzs (III) hlorīda šķīdumu

3. Reakcijas gaita, pēc tās pabeigšanas katalizators tiek reģenerēts

Ielejiet porcelāna iztvaicētājā un pievienojiet divreiz vairāk ūdens (reakcija notiek arī ar ūdeņraža peroksīdu, bet 3% šķīduma gadījumā efekts ir gandrīz manāms). Jūs saņēmāt aptuveni 10% H šķīdumu₂O₂ (komerciālais perhidrols, kas atšķaidīts ar ūdeni 1:2). Otrajā iztvaicētājā ielejiet pietiekami daudz ūdens, lai katrā traukā būtu vienāds šķidruma daudzums (tas būs jūsu atskaites sistēma). Tagad pievienojiet 1-2 cm abiem tvaicētājiem.³ 10% FeCl šķīdums₃ un uzmanīgi novērojiet testa norisi (2).

Kontroliztvaicētājā šķidrumam ir dzeltenīga krāsa hidratēto Fe jonu dēļ.³⁺. Savukārt traukā ar ūdeņraža peroksīdu notiek daudz kas: saturs kļūst brūns, gāze tiek intensīvi atbrīvota, un šķidrums iztvaicētājā kļūst ļoti karsts vai pat uzvārās. Reakcijas beigas iezīmējas ar gāzes izdalīšanās pārtraukšanu un satura krāsas maiņu uz dzeltenu, kā tas ir kontroles sistēmā (3). Tu biji tikai liecinieks katalītiskā neitralizatora darbība, bet vai jūs zināt, kādas izmaiņas ir notikušas traukā?

Brūnā krāsa rodas no dzelzs savienojumiem, kas veidojas reakcijas rezultātā:

Gāze, kas intensīvi tiek izvadīta no iztvaicētāja, protams, ir skābeklis (var pārbaudīt, vai virs šķidruma virsmas nesāk degt kvēlojoša liesma). Nākamajā solī iepriekš minētajā reakcijā atbrīvotais skābeklis oksidē Fe katjonus.²⁺:

Reģenerētie Fe joni³⁺ viņi atkal piedalās pirmajā reakcijā. Process beidzas, kad ir izlietots viss ūdeņraža peroksīds, ko pamanīsit, kad iztvaicētāja saturam atgriežas dzeltenīga krāsa. Reizinot abas pirmā vienādojuma puses ar divi un pievienojot to otrajam sāniski un pēc tam atceļot tos pašus nosacījumus pretējās pusēs (kā parastajā matemātiskajā vienādojumā), iegūstat sadalījuma reakcijas vienādojumu H.₂O₂. Lūdzu, ņemiet vērā, ka tajā nav dzelzs jonu, taču, lai norādītu to lomu transformācijā, ierakstiet tos virs bultiņas:

Ūdeņraža peroksīds arī spontāni sadalās saskaņā ar iepriekš minēto vienādojumu (acīmredzot bez dzelzs joniem), taču šis process ir diezgan lēns. Katalizatora pievienošana maina reakcijas mehānismu uz vieglāk īstenojamu un tādējādi paātrina visu konversiju. Tātad, kāpēc doma, ka katalizators nav iesaistīts reakcijā? Iespējams, tāpēc, ka procesā tas tiek reģenerēts un produktu maisījumā paliek nemainīgs (eksperimentā Fe(III) jonu dzeltenā krāsa parādās gan pirms, gan pēc reakcijas). Tāpēc atcerieties to katalizators ir iesaistīts reakcijā un ir aktīvā daļa.

Par nepatikšanām ar H.₂O₂

4. Katalāze sadala ūdeņraža peroksīdu (caurule pa kreisi), pievienojot EDTA šķīdumu, ferments tiek iznīcināts (caurule labajā pusē)

Fermenti ir arī katalizatori, taču tie darbojas dzīvo organismu šūnās. Daba izmantoja dzelzs jonus enzīmu aktīvajos centros, kas paātrina oksidācijas un reducēšanas reakcijas. Tas ir saistīts ar jau minētajām nelielajām dzelzs valences izmaiņām (no II uz III un otrādi). Viens no šiem fermentiem ir katalāze, kas aizsargā šūnas no ļoti toksiskā šūnu skābekļa konversijas produkta – ūdeņraža peroksīda. Jūs varat viegli iegūt katalāzi: kartupeļu biezeni un kartupeļu biezeni pārlej ar ūdeni. Ļaujiet suspensijai nogrimt līdz apakšai un izmetiet supernatantu.

Ielej mēģenē 5 cm.³ kartupeļu ekstraktu un pievieno 1 cm³ ūdeņraža peroksīds. Saturs ir ļoti putojošs, tas var pat “izkļūt” no mēģenes, tāpēc izmēģiniet to uz paplātes. Katalāze ir ļoti efektīvs enzīms, viena katalāzes molekula minūtē var sadalīt līdz pat vairākiem miljoniem H molekulu.₂O₂.

Pēc ekstrakta ieliešanas otrajā mēģenē pievieno 1-2 ml³ EDTA šķīdumu (nātrija edetīnskābe) un saturu sajauc. Ja tagad pievienosit ūdeņraža peroksīda šāvienu, jūs neredzēsit ūdeņraža peroksīda sadalīšanos. Iemesls ir ļoti stabila dzelzs jonu kompleksa veidošanās ar EDTA (šis reaģents reaģē ar daudziem metālu joniem, ko izmanto to noteikšanai un izvadīšanai no vides). Fe jonu kombinācija³⁺ ar EDTA bloķēja enzīma aktīvo vietu un attiecīgi inaktivēja katalāzi (4).

Dzelzs laulības gredzens

Analītiskajā ķīmijā daudzu jonu identificēšana balstās uz slikti šķīstošu nogulšņu veidošanos. Tomēr virspusējs skatiens uz šķīdības tabulu parādīs, ka nitrātu (V) un nitrātu (III) anjoni (pirmo sāļus sauc vienkārši par nitrātiem, bet otrā - par nitrītiem) praktiski neveido nogulsnes.

Dzelzs (II) sulfāts FeSO nāk palīgā šo jonu noteikšanā.₄. Sagatavojiet reaģentus. Papildus šim sāls jums būs nepieciešams koncentrēts sērskābes (VI) H šķīdums₂SO₄ un šīs skābes atšķaidīts 10-15% šķīdums (jābūt uzmanīgiem, atšķaidot, lejot, protams, “skābi ūdenī”). Turklāt sāļi, kas satur konstatētos anjonus, piemēram, KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Sagatavojiet koncentrētu FeSO šķīdumu.₄ un abu anjonu sāļu šķīdumi (ceturtdaļu tējkarotes sāls izšķīdina apmēram 50 cm³ ūdens).

5. Gredzena testa pozitīvs rezultāts.

Reaģenti ir gatavi, ir laiks eksperimentēt. Ielejiet 2-3 cm divās caurulēs³ FeSO risinājums₄. Pēc tam pievieno dažus pilienus koncentrēta N šķīduma.₂SO₄. Izmantojot pipeti, savāciet nitrīta šķīduma alikvotu daļu (piemēram, NaNO₂) un ielejiet to, lai tas plūst pa mēģenes sieniņu (tas ir svarīgi!). Tādā pašā veidā ielejiet daļu no salpetra šķīduma (piemēram, KNO₃). Ja abus šķīdumus rūpīgi ielej, uz virsmas parādīsies brūni apļi (tātad šī testa parastais nosaukums, gredzena reakcija) (5). Efekts ir interesants, taču jums ir tiesības būt vīlušies, varbūt pat sašutuši (Galu galā tas ir analītisks tests? Abos gadījumos rezultāti ir vienādi!).

Tomēr veiciet citu eksperimentu. Šoreiz pievienojiet atšķaidītu H.₂SO₄. Pēc nitrātu un nitrītu šķīdumu injicēšanas (kā iepriekš) pozitīvu rezultātu pamanīsit tikai vienā mēģenē – tajā, kurā ir NaNO šķīdums.₂. Šoreiz jūs, iespējams, neuztraucieties par gredzena testa lietderību: reakcija nedaudz skābā vidē ļauj skaidri atšķirt divus jonus.

Reakcijas mehānisms ir balstīts uz abu veidu nitrātu jonu sadalīšanos ar slāpekļa oksīda (II) NO izdalīšanos (šajā gadījumā dzelzs jons tiek oksidēts no diviem līdz trīs cipariem). Fe(II) jona kombinācija ar NO ir brūnā krāsā un piešķir gredzenam krāsu (to dara, ja tests ir veikts pareizi, vienkārši sajaucot šķīdumus, jūs iegūsit tikai tumšu mēģenes krāsu, bet - jūs atzīstat - nebūs tik interesants efekts). Tomēr nitrātu jonu sadalīšanai ir nepieciešama stipri skāba reakcijas vide, savukārt nitrītam nepieciešama tikai neliela paskābināšana, līdz ar to testa laikā novērotās atšķirības.

Dzelzs slepenajā dienestā

Cilvēkiem vienmēr ir bijis ko slēpt. Žurnāla izveide bija saistīta arī ar metožu izstrādi šādas pārraidītās informācijas aizsardzībai - teksta šifrēšanai vai slēpšanai. Pēdējai metodei ir izgudrotas dažādas simpātiskas tintes. Šīm ir vielām, kurām jūs tās gatavojāt uzraksts nav redzamstaču atklājas, piemēram, karsējot vai apstrādājot ar citu vielu (attīstītāju). Skaistas tinti un tās izstrādātāju sagatavot nav grūti. Pietiek atrast reakciju, kurā veidojas krāsains produkts. Vislabāk, lai pati tinte būtu bezkrāsaina, tad uz jebkuras krāsas substrāta viņu veidotais uzraksts būs neredzams.

Dzelzs savienojumi rada arī pievilcīgas tintes. Pēc iepriekš aprakstīto testu veikšanas kā simpātiskas tintes var piedāvāt dzelzs (III) un FeCl hlorīda šķīdumus.₃, kālija tiocianīds KNCS un kālija ferocianīds K₄[Fe(CN)₆]. FeCl reakcijā₃ ar cianīdu tas kļūs sarkans, un ar ferocianīdu tas kļūs zils. Tie ir labāk piemēroti kā tintes. tiocianāta un ferocianīda šķīdumijo tie ir bezkrāsaini (pēdējā gadījumā šķīdums ir jāatšķaida). Uzraksts tika izgatavots ar dzeltenīgu FeCl šķīdumu.₃ to var redzēt uz balta papīra (ja vien karte nav arī dzeltena).

6. Divu toņu skropstu tuša ir laba

7. Simpātiskā salicilskābes tinte

Sagatavojiet atšķaidītus visu sāļu šķīdumus un ar otu vai sērkociņu uzrakstiet uz kartītēm ar cianīda un ferocianīda šķīdumu. Katram izmantojiet citu otu, lai izvairītos no reaģentu piesārņošanas. Kad tas ir nožuvis, uzvelciet aizsargcimdus un samitriniet kokvilnu ar FeCl šķīdumu.₃. Dzelzs (III) hlorīda šķīdums kodīgs un atstāj dzeltenus plankumus, kas laika gaitā kļūst brūni. Šī iemesla dēļ izvairieties no ādas un vides notraipīšanas ar to (eksperimentu veiciet uz paplātes). Izmantojiet vates tamponu, lai pieskartos papīra gabalam, lai samitrinātu tā virsmu. Izstrādātāja ietekmē parādīsies sarkani un zili burti. Var arī rakstīt ar abām tintēm uz vienas papīra lapas, tad atklātais uzraksts būs divkrāsu (6). Salicilspirts (2% salicilskābes spirtā) ir piemērots arī kā zilā tinte (7).

Ar to noslēdzas trīsdaļīgais raksts par dzelzi un tā savienojumiem. Jūs uzzinājāt, ka tas ir svarīgs elements, turklāt tas ļauj veikt daudzus interesantus eksperimentus. Tomēr mēs joprojām pievērsīsimies “dzelzs” tēmai, jo pēc mēneša jūs satiksit viņa ļaunāko ienaidnieku - korozija.

Skatīt arī: