Burza jest fascynującym, ale też niebezpiecznym zjawiskiem atmosferycznym. Aby stworzyć piorun w laboratorium można posłużyć się generatorami wysokiego napięcia. W tym jednak doświadczeniu “wyczarujemy” błyskawice w próbówce wypełnionej cieczą. Jest to świetny eksperyment pokazujący reakcje utleniania i redukcji, a przy okazji obrazuje widzom jak ważne musi być zachowanie bezpieczeństwa przy pracy z substancjami niebezpiecznymi.
Sprzęt i odczynniki
-
cylinder Nesslera 50 ml lub duża próbówka
-
szklana bagietka
- statyw
-
szczypce
-
kwas siarkowy (VI) 98% (H2SO4)
-
alkohol etylowy 95-96% (C2H5OH)
-
kryształki nadmanganianu (VII) potasu (KMnO4)
-
okulary i rękawice ochronne
-
ręcznik papierowy
Wykonanie
Cylinder Nesslera ustawiamy w statywie. Zakładamy rękawice i okulary ochronne. Ostrożnie nalewamy do naczynia 5 ml kwasu siarkowego VI (tak, aby utworzyć warstwę cieczy mającą 4-5 cm). Następnie dodajemy po bagietce przytkniętej do ścianek cylindra 5-7 ml alkoholu etylowego. Taki sposób nalewania etanolu zabezpieczy obie substancje przed wymieszaniem – aby doświadczenie wyszło i było bezpieczne koniecznie muszą być dwie warstwy cieczy. Teraz wystarczy szczypcami wybrać kilka małych kryształków nadmanganianu (VII) potasu i dodać je do naczynia. Początkowo nic się nie dzieje, ale gdy kryształki dotrą do granicy faz kwas-alkohol następuje bardzo egzotermiczna reakcja, podczas której wydziela się dużo energii w postaci żółtych iskier przypominających błyskawice. Towarzyszą im efektowne trzaski. Doświadczenie trwa nawet kilkanaście minut, przez ten czas mieszanina powoli warstwowo żółknie, zielenieje, a miejscami robi się brązowa.
Wyjaśnienie
W doświadczeniu dochodzi do reakcji między manganianem(VII) potasu a kwasem siarkowym w wyniku czego powstaje siedmiotlenek manganu Mn2O7 (jest to przykład reakcji redukcji). Jest on bardzo silnym utleniaczem, który w tym wypadku gwałtownie, w sposób wybuchowy, utlenia etanol. Obserwujemy to jako rozbłyski i trzaski. Całość możemy zapisać w trzech równaniach:
2KMnO4 + H2SO4 = K2SO4 + Mn2O7 + H2O
Mn2O7 = 2MnO2 + 3/2O2
C2H5OH + 2O2 = CO2 + 3H2O
Tak naprawdę ilość reakcji jaka może zajść z naszej mieszaninie jest znacznie większa, bo produkty poszczególnych etapów są substratami dla kolejnych. Stąd zmiana barw poszczególnych warstw cieczy. Tą reakcją tłumaczę dużo zasad bezpiecznej pracy z odczynnikami. Nie omieszkam tego zrobić i tym razem.
Kwas siarkowy (VI) to bardzo niebezpieczny związek: utlenia wiele substancji z wydzieleniem dużej ilości ciepła. Lepiej nie rozlać go sobie na skórę, więc rękawice ochronne (najlepiej kwasoodporne) oraz okulary (gogle) są konieczne przy jego użyciu. Nieraz przy pokazach, kiedy korzystam z tego kwasu pokazuje uczestnikom, co się dzieje ze szmatką bawełnianą lub ręcznikiem papierowym, gdy wytrę jedynie szyjkę butelki – momentalnie materiały celulozowe przypominają szwajcarski ser!
Etanol sam w sobie tak bardzo niebezpieczny nie jest, ale jak każdy wie zażywać go należy z umiarem. W kontakcie z kwasem siarkowym jest to mieszanina skaranie niebezpieczna, bo w trakcie mieszania następuje znaczny wzrost temperatury, który może zakończyć się samozapłonem. Gdy dodamy nawet mały kryształek nadmanganianu (VII) potasu to ryzyko samozapłonu wzrasta. Kiedy przeprowadzisz opisywane doświadczenie musisz mieć świadomość, że część nadmanganianu mogła nie ulec reakcji (po zakończonej reakcji roztwór powinien mieć brunatny kolor, od dwutlenku manganu – jeśli tak nie jest odczekaj kilka minut zanim wylejesz ciecz do zlewu lub pojemnika na zużyte chemikalia). Poniższa fotografia przedstawia moment wylewania cieczy poreakcyjnej (po burzy w próbówce) do zlewu – zapłon nastąpił w momencie wymieszania obu warstw z nieprzereagowanym Mn2O7. Właśnie z tego względu nie polecamy by do eksperymentu dolewać wody jako dodatkowej warstwy cieczy (niektóre książki z doświadczeniami podają takie pomysły) – jeśli nastąpi samozapłon parująca woda może porwać kwas podrażniając nasz układ oddechowy (dodatkowo przy rozcieńczaniu kwasu siarkowego wodą następuje wzrost temperatury). Najlepiej po doświadczeniu do mieszaniny reakcyjnej dodać niewielka ilość mleka wapiennego (wody z zawiesiną wodorotlenku wapnia) lud sody oczyszczonej, a następnie wylać do zlewu (zobojętniony roztwór jest bezpieczny dla nas, dla rur kanalizacyjnych oraz środowiska).
Autor: Łukasz Wyka
Źródło:
Roesky H.W., Moeckel K., Niezwykły świat chemii, Adamantan, Warszawa, 1998