Залізний вік – Частина 3

Останній випуск про метал номер один нашої цивілізації та його взаємовідносини. Проведені досі експерименти показали, що це цікавий об'єкт для дослідження домашньої лабораторії. Сьогоднішні експерименти будуть не менш цікавими та дозволять по-іншому поглянути на деякі аспекти хімії.

Одним з експериментів у першій частині статті було окислення зеленого осаду гідроксиду заліза (II) до бурого гідроксиду заліза (III) розчином H₂O₂. Перекис водню розкладається під впливом багатьох чинників, зокрема сполуки заліза (в експерименті було виявлено бульбашки кисню). Ви використовуватимете цей ефект, щоб показати…

… Як працює каталізатор

звичайно прискорює перебіг реакції, але - варто пам'ятати - тільки той, який може відбуватися в цих умовах (хоча іноді дуже повільно, навіть непомітно). Є, щоправда, твердження, що каталізатор прискорює реакцію, але сам у ній участі не бере. Хм… навіщо його взагалі додають? Хімія не чаклунство (іноді мені так здається, і “чорне” на додачу), і завдяки простому експерименту ви побачите каталізатор у дії.

Спочатку підготуйте позицію. Вам знадобиться таця, щоб не заливати стіл, захисні рукавички та окуляри або козирок. Ви маєте справу з їдким реагентом: пергідролем (30% розчин перекису водню H₂O₂) та розчин хлориду заліза (III) FeCl₃. Дійте з розумом, особливо бережіть очі: обпечена пегідролом шкіра рук регенерує, а очей немає. (1).

2. Випарник зліва містить лише воду, праворуч – воду з додаванням пергідролю. Ви вливаєте розчин хлориду заліза (III) в обидва

3. Хід реакції після її завершення відбувається регенерація каталізатора.

Налити у фарфоровий випарник і додати вдвічі більше води (реакція йде і з перекисом водню, але у разі 3% розчину ефект погано помітний). Ви отримали приблизно 10% розчин H₂O₂ (комерційний пергідроль розбавляли водою 1:2). Налийте стільки води у другий випарник, щоб у кожному посудині була однакова кількість рідини (це буде ваша система відліку). Тепер додайте 1-2 см до обох відпарювачів.³ 10% розчин FeCl₃ та уважно спостерігайте за перебігом тесту (2).

У контрольному випарнику рідина має жовтуватий колір через гідратовані іони Fe.³⁺. З іншого боку, у посудині з перекисом водню відбувається багато всього: вміст буріє, газ виділяється інтенсивно, а рідина у випарнику сильно нагрівається або навіть кипить. Закінчення реакції знаменується припиненням газовиділення та зміною кольору вмісту на жовтий, як і в контрольній системі (3). Ви були просто свідком робота каталітичного нейтралізатора, Чи знаєте ви, які зміни відбулися в посудині?

Коричневий колір походить від сполук двовалентного заліза, що утворюються в результаті реакції:

Газ, який інтенсивно викидається з випарника, це, звичайно, кисень (можна перевірити, чи почне горіти факел, що тліє, над поверхнею рідини). На наступному етапі кисень, що вивільняється у вищезгаданій реакції, окислює катіони Fe.²⁺:

Регенеровані іони Fe³⁺ вони знову беруть участь у першій реакції. Процес закінчується, коли весь перекис водню витрачено, що ви помітите після повернення жовтого кольору до вмісту випарника. Коли ви множите обидві частини першого рівняння на два і додаєте його збоку до другого, а потім скорочуєте однакові члени з протилежних сторін (як у звичайному математичному рівнянні), ви отримуєте рівняння реакції розподілу H₂O₂. Зверніть увагу, що в ньому немає іонів заліза, але щоб вказати їхню роль у перетворенні, наберіть їх над стрілкою:

Перекис водню також мимоволі розкладається за наведеним вище рівнянням (очевидно, без іонів заліза), але цей процес досить повільний. Додавання каталізатора змінює механізм реакцію більш простий у реалізації і, отже, прискорює все перетворення. То чому ж ідея, що каталізатор не бере участі в реакції? Ймовірно, тому, що він регенерується у процесі і залишається незмінним у суміші продуктів (в експерименті жовте забарвлення іонів Fe(III) виникає як до, так і після реакції). Так що пам'ятайте, що каталізатор бере участь у реакції і це активна частина.

Через неприємності з Х.₂O₂

4. Каталаза розкладає перекис водню (пробірка зліва), додавання розчину ЕДТА руйнує фермент (пробірка праворуч)

Ферменти також є каталізаторами, але діють у клітинах живих організмів. Природа використовувала іони заліза в активних центрах ферментів, що прискорюють реакції окислення та відновлення. Це з вже згаданими легкими змінами валентності заліза (з II на III і навпаки). Одним із таких ферментів є каталаза, що захищає клітини від високотоксичного продукту клітинних перетворень кисню – перекису водню. Ви можете легко отримати каталазу: розімніть картоплю і залийте водою пюре. Дайте суспензії опуститися на дно і злийте надосадову рідину.

У пробірку насипати 5 див.³ картопляного екстракту та додати 1 см³ перекис водню. Вміст дуже піниться, може навіть вилізти з пробірки, так що пробуйте на підносі. Каталаза - дуже ефективний фермент, одна молекула каталази може розщепити до кількох мільйонів молекул H за хвилину.₂O₂.

Переливши екстракт у другу пробірку, додайте 1-2 см³ розчин ЕДТА (натрію едетова кислота) та вміст перемішують. Якщо ви зараз додасте порцію перекису водню, ви не побачите жодного розкладання перекису водню. Причина – утворення дуже стійкого комплексу іону заліза з ЕДТА (цей реагент реагує з багатьма іонами металів, що використовується для визначення та видалення з навколишнього середовища). Комбінація іонів Fe³⁺ з ЕДТА блокував активний центр ферменту і, отже, інактивував каталазу (4).

Залізне обручку

В аналітичній хімії ідентифікація багатьох іонів заснована на утворенні важкорозчинних опадів. Проте погляд на таблицю розчинності покаже, що нітратний (V) і нітратний (III) аніони (солі перших називаються просто нітратами, а других – нітритами) практично не утворюють осаду.

На допомогу у виявленні цих іонів приходить сульфат заліза (II) FeSO.₄. Підготуйте реагенти. Крім цієї солі, вам знадобиться концентрований розчин сірчаної кислоти (VI) H₂SO₄ і розведений 10-15% розчин цієї кислоти (будьте обережні при розведенні, вливаючи, звичайно, "кислоту у воду"). Крім того, солі, що містять виявлені аніони, наприклад, KNO₃, naNO₃, naNO₂. Приготуйте концентрований розчин FeSO.₄ і розчини солей обох аніонів (чверть чайної ложки солі розчинити приблизно 50 см³ води).

5. Позитивний результат кільцевого тесту.

Реагенти готові, настав час експериментувати. Налийте по 2-3 см у дві пробірки³ Розчин FeSO₄. Потім додайте кілька крапель концентрованого розчину Н.₂SO₄. За допомогою піпетки зберіть аліквоту розчину нітриту (наприклад, NaNO₂) і влийте його так, щоб він стікав по стінці пробірки (це важливо!). Таким же чином влити частину розчину селітри (наприклад, KNO₃). Якщо обережно налити обидва розчини, то поверхні з'являться коричневі круги (звідси й загальна назва цього тесту – кільцева реакція) (5). Ефект цікавий, але ви маєте право розчаруватися, можливо, навіть обуритися (адже це аналітична проба? Результати однакові в обох випадках!).

Проте, проведіть ще один експеримент. Цього разу додайте до пробірок з розчином солі заліза (II) розведений розчин H.₂SO₄. Після введення розчинів нітратів та нітритів (як і раніше) ви помітите позитивний результат лише в одній пробірці – тій, що з NaNO розчином.₂. Цього разу у вас, мабуть, немає жодних зауважень щодо корисності кільцевого тесту: реакція в трохи кислому середовищі дозволяє чітко розрізнити два іони.

Механізм реакції заснований на розкладанні обох типів нітрат-іонів з виділенням оксиду азоту (II) NO (при цьому іон заліза окислюється з двох-тризначний). З'єднання іона Fe(II) з NO має коричневий колір і надає кільцю забарвлення (робиться, якщо тест зроблено правильно, простим змішуванням розчинів ви отримаєте тільки темний колір пробірки, але ви признаєтеся буде не такий цікавий ефект). Однак для розкладання нітрат-іонів потрібно сильнокисле реакційне середовище, а для нітриту потрібно лише слабке підкислення, звідси спостерігаються відмінності в ході тесту.

Залізо у секретній службі

Людям завжди було що приховувати. Створення журналу також спричинило розробку методів захисту такої інформації - шифрування або приховування тексту. Для останнього методу було винайдено безліч симпатичних чорнил. Це речовини, через які ви їх зробили напис не виднооднак виявляється під впливом, наприклад, нагрівання або обробки іншою речовиною (проявником). Приготування симпатичних чорнил та його проявника не є складною справою. Досить знайти реакцію, коли він утворюється пофарбований продукт. Найкраще, щоб саме чорнило було безбарвним, тоді зроблений ними напис буде непомітний на підкладці будь-якого кольору.

З'єднання заліза також дозволяють робити привабливе чорнило. Після проведення раніше описаних випробувань як симпатичні чорнила можуть бути запропоновані розчини заліза (III) і хлориду FeCl.₃, тіоціанід калію KNCS та фероціанід калію K₄[Fe(CN)₆]. У реакції FeCl₃ з ціанідом забарвиться у червоний, а з фероціанідом – у синій колір. Вони краще підходять як чорнило. розчини тіоціанату та фероціанідуоскільки вони безбарвні (у разі розчин необхідно розбавляти). Напис виконаний жовтуватим розчином FeCl.₃ його видно на білому папері (якщо тільки картка теж не жовта).

6. Двоколірна туш гарна

7. Симпатичні чорнила саліцилової кислоти

Приготуйте розведені розчини всіх солей і за допомогою пензлика або сірника напишіть на картках розчином ціаніду та ферроціаніду. Використовуйте різні щітки для кожного, щоб не забруднити реагенти. При висиханні надягніть захисні рукавички і змочіть вату розчином FeCl.₃. Розчин хлориду заліза (III) корозійний і залишає жовті плями, які згодом стають коричневими. З цієї причини уникайте фарбування нею шкіри та навколишнього середовища (виконуйте досвід на підносі). Використовуйте ватний тампон, щоб торкнутися аркуша паперу, щоб зволожити його поверхню. Під впливом розробника з'являться червоні та сині літери. Також можна писати обома чорнилами на одному аркуші паперу, тоді напис, що розкрився, буде двоколірним (6). Саліциловий спирт (2% розчин саліцилової кислоти в спирті) також підходить як синє чорнило (7).

На цьому закінчується стаття з трьох частин про залізо та його сполуки. Ви з'ясували, що це важливий елемент, а крім того, він дозволяє проводити багато цікавих експериментів. Втім, ми все ж таки зупинимося на «залізній» темі, адже через місяць ви зустрінете його найлютішого ворога. корозія.

Дивіться також: