Pracuje-li chemik s kovem, většinou to neznamená, že pracuje přímo s daným chemickým prvkem, nýbrž s jeho sloučeninami, kovovými solemi a charakteristickými reakcemi, které přítomnost daného kovu dokazují. Reakce většinou probíhají ve vodných roztocích. Nerozpustné materiály je nejdříve třeba ,,odemknout'' čili jinými slovy změnit na rozpustné. To se samozřejmě týká i samotných kovů. K rozpuštění kovů má profesionál po ruce mnoho různých nástrojů a především kyselin. Vy to však zvládnete i se solí.
Rozpouštění železa pomocí síranu měďnatého
Věnujte pozornost poznámce vztahující se k síranu měďnatému, peroxidu vodíku a hydrogensulfátu sodnému v sekci ,,Nebezpečné látky a směsi'', začínající na straně č. 7.
Experiment č. 161
Dodatečné materiály a pomůcky: lesklý železný hřebík
Špičku lžičky síranu měďnatého ve zkumavce rozpusťte v objemu vody dosahujícím do výšky 2-3 cm. Hřebík vložte do připraveného roztoku. Ihned se pokryje tmavou, typicky červenohnědou vrstvou - mědí. Roztok: A4, hřebík: A3
Pomocí železného hřebíku se vám podařilo znovu vyčarovat kovovou podobu mědi jen tak z ničeho nic, z ve vodě rozpustných krystalů síranu měďnatého. Následující experiment dokáže, že při pokrývání mědí došlo k rozkladu jisté části železa.
Experiment č. 162
Dodatečné materiály a pomůcky: ocelová vlna, peroxid vodíku
Ve zkumavce do poloviny naplněné vodou rozpusťte 1 lžíci síranu měďnatého a do vzniklého roztoku přidejte malé množství ocelové vlny. Zkumavku uzavřete pomocí zátky a její obsah pořádně protřepejte (prstem držte zátku na místě!). Stejně jako v případě hřebíku se na ocelové vlně vytvoří červenohnědý povlak. Zkumavku nechte několik minut stát. Roztok změní barvu z modré na matně zelenou. Roztok přefiltrujte do druhé zkumavky a přidejte do něj 1 malou lžičku uhličitanu sodného. Vznikne zelená usazenina. Do roztoku přidejte trochu peroxidu vodíku - barva roztoku se změní na hnědou - a spolu s varnou tyčinkou ho nad plamenem lihového hořáku zahřívejte po dobu 1-2 minut. Do obsahu zkumavky přidejte lžíci hydrogensíranu sodného. Získáte tak čistě žlutý roztok. Pokud máte po ruce čistou skleničku či lahvičku, můžete si v ní vzniklý roztok uchovat. Lahvičku označte štítkem: roztok síranu železitého (nedovolte, aby se roztok dostal do kontaktu s očima či pokožkou!). Ocelová vlna: A3
Otázka č. 32: Reakce mezi síranem měďnatým a železem (ocelovou vlnou) pro vás není zcela neznámá. Kde jste se s ní už měli možnost setkat?
V rámci mnoha experimentů budete k práci potřebovat hexakyanoželeznatan draselný (přečtěte si bezpečnostní informace uvedené na str. 7!). Vzhledem k tomu, že je tato sloučenina škodlivá pro vodní organismy, měli bychom jí do vodního odpadu vylévat co nejméně. Bohužel však s pomůckami, které máte k dispozici, neexistují žádné jednoduché metody, jakými takový odpad zlikvidovat. S roztokem tedy pracujte velmi opatrně a řiďte se tipem uvedeným vpravo.
Železný hřebík z modrého roztoku vytáhne červenou měď.
TIP
2 lžíce hexakyanoželeznatanu draselného rozpusťte v objemu vody dosahujícím do výšky 10 cm a vzniklý roztok uchovávejte v čisté, jasně označené láhvi. Z nádoby vždy odebírejte jen nezbytné množství (obvykle několik kapek). Produkty reakcí (obzvláště pruskou modrou) je většinou možné vylévat do běžného odpadu spolu s uhličitanem sodným (či jinými slovy sodou). Po dokončení experimentu náčiní dobře umyjte!
Pruská modrá není jen činitelem užitečným v laboratořích: používá se i jako barvivo v tiskařském průmyslu. (Fotografie: Degussa AG)
Pruská modrá indikuje přítomnost železa
Experiment č. 163
Do zkumavky naplněné vodou do výšky 5 cm přidejte 1 pipetu vlastnoručně vyrobeného roztoku síranu železitého. Vzniklý roztok bude prakticky bezbarvý. Přidejte do něj několik kapek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Vznikne tmavě modrá barva: pruská modrá. Tip, str. 83.
Tato reakce slouží jako test přítomnosti rozpuštěného železa. Odstín a tmavost vzniklého zbarvení má na svědomí jen a jen rozpuštěné železo. Nerozpuštěné železo s použitým činidlem nereaguje.
Experiment č. 164
Dodatečné materiály a pomůcky: lesklý železný hřebík
Železný hřebík vložte do zkumavky naplněné roztokem hexakyanoželeznatanu draselného do výšky 2 cm. Ani po uplynutí půl hodiny nebude na roztoku patrná žádná změna. Roztok nalijte zpět do původní nádoby.
I elektrický proud umí rozpustit kov
O tom, že i elektrický proud je při zapojení kovu na kladnou svorku zdroje proudu schopný kovy rozpouštět, dokonce i ušlechtilé, jste se dozvěděli už během experimentování s elektrolýzou solných roztoků.
Elektrický proud rozkládá železný hřebík.
Experiment č. 165
Dodatečné materiály a pomůcky: 9voltová baterie, železný hřebík
Odměrnou kádinku naplňte po rysku označující 50 ml vodou a za stálého míchání v ní rozpusťte 1-2 lžíce kuchyňské soli. Ke svorkám baterie připojte spojovací vodiče. Volný konec vodiče připojeného ke kladnému kontaktu baterie omotejte kolem vrchního konce hřebíku. Hřebík ponořte do solného roztoku tak, aby vodič ponořený nebyl. Konec vodiče napojeného na záporný kontakt baterie volně ponořte do roztoku a nechte ho jen tak ležet. U záporného kontaktu začne (tak jako v experimentu 107) vznikat vodík a červený lakmusový papírek se v této části zbarví modře (viz vysvětlení na straně 63: ,,Migranti mezi dvěma póly''). Po chvíli se v roztoku vytvoří pěnivá hnědá sraženina. Obsah kádinky si odložte na následující pokus.
Experiment č. 166
1-2 pipety roztoku z předchozího experimentu přidejte do zkumavky s vodou sahající do výšky 5 cm. Následně do roztoku přidávejte ocet až do bodu, kdy zmizí zakalení. Po přidání několika kapek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného vám pruská modrá ukáže, že v procesu elektrolýzy došlo k rozpuštění trochy železa. To může pocházet jedině z ponořeného hřebíku. Tip, str. 83.
Železo
Železo (z latinského slova Ferrum, chemická značka železa Fe) bylo vždy tím nejdůležitějším obchodním kovem. Už Chetité, kteří žili kolem roku 1400 př. n. l. v Malé Asii, znali tajemství jeho výroby. V prvních pecích zaměřených na výrobu železa se železo tavívalo ze surových materiálů či od doby přibližně 1350 př. n. l. přímo ze železné rudy. V železných rudách je železo většinou vázáno na kyslík nebo síru. Sloučeniny železa obsahující síru jsou nejdříve přeměňovány na oxidy železa, z nichž je následně kovové železo odděleno v pecích prostřednictvím konverze oxidem uhelnatým.
Většina železa se využívá pro výrobu oceli procesem, při kterém je obsah uhlíku v surovém železe snížen ze 4 % na méně než 1,7 %. Čisté železo má stříbrnobílou barvu a je relativně měkké. Vlhký vzduch a voda obsahující oxid uhličitý mají oxidační účinky - železo jejich vlivem rezaví. Kombinací železa s několika dalšími kovy do slitiny získáte nerezovou ocel užitečnou pro výrobu mimo jiné kuchyňského nářadí či laboratorních pomůcek.
Charakteristickou vlastností železa, jak již víte, je jeho magnetismus. Železo je přitahováno magnety a některé druhy železa se dokonce využívají při výrobě permanentních magnetů.
V přírodě - v rostlinách a zvířatech - sehrává železo velmi důležitou roli. Lidský organismus obsahuje 4-5 g chemicky vázaného železa, především v bílkovinách nacházejících se v červených krvinkách. Tyto bílkoviny jsou zodpovědné za transport pro život nezbytného kyslíku do celého těla.
Obrázky ilustrující proces výroby železa.
o Vlevo: klepání surového železa z pece.
o Uprostřed: v konvertorech dochází k redukci železa na 1,7 % pomocí kyslíku. Nečistoty (jako například síra a fosfor) jsou navázány na aditiva a postupně odseparovány jako struska.
o Vpravo: na válcovně jsou zářící kusy oceli zpracovávány na ocelové nosníky, plechy a jiné produkty. (Fotografie: ThyssenKrupp Steel)
Základní znalosti
Ušlechtilé a základní (neušlechtilé) kovy
V průběhu experimentů 161 a 162 se železo rozpustilo, zatímco ,,ušlechtilejší'' kov (Cu) byl vyloučen z roztoku síranu měďnatého (CuSO4):
Fe + CuSO4 -> FeSO4 + Cu
Takový proces není ojedinělým jevem, ale uplatňuje se v něm obecné pravidlo, které říká: Kov dokáže vyloučit ušlechtilejší kov ze svého roztoku. Zpětná reakce není možná. Takže například není možné pomocí měděného drátu z roztoku síranu železitého vytěsnit železo. Pokud kovy seřadíte podle jejich tendence tvořit ionty, získáte řadu uvedenou vpravo.
Toto řazení je známé jako řada reaktivity kovů či Beketovova řada kovů, protože každému z uvedených kovů je možné přiřadit hodnotu odpovídajícího elektrochemického potenciálu vzhledem k referenčnímu bodu. Bližší vysvětlení daného uspořádání však přesahuje rámec tohoto experimentálního manuálu.
Tajemství římských číslic
Sloučenina FeSO4, kterou jste získali v experimentech 161 a 162 sestává z dvojnásobně kladně nabitého iontu železa (Fe2+) a dvojnásobně záporně nabitého síranového iontu (SO4-); v technické terminologii se nazývá síranem železnatým (odpovídá mu přípona II -natý). Reakcí s peroxidem vodíku vzniká zásaditý roztok síranu železitého (odpovídající přípona: III -itý), který sestává z trojnásobně kladně nabitých iontů železa (Fe3+). Ionty Fe2+ zoxidovaly na ionty Fe3+. Vy už víte, že oxidace obecně popisuje proces, při kterém dochází ke zvýšení náboje iontu.
Nyní už začínáte tušit, jaký význam mají v chemickém názvosloví římské číslice. Síran železnatý (II) obsahuje ionty Fe2+, zatímco síran železitý (III) obsahuje ionty Fe3+. To, že hexakyanoželeznatan draselný je rovněž sloučeninou, která obsahuje železo, nám naznačuje část názvu ,,železnatan'' (z latinského názvu Ferrum pochází chemická značka). V případě, že k názvu přidáme římskou číslici (II), bude jasně indikovat, že tato sloučenina obsahuje Fe2+ ionty. V chemii používané římské číslice nazýváme oxidačními čísly.
Sloučeniny s různými oxidačními čísly obvykle se stejnými látkami reagují různě. Například síran železnatý (II) reaguje s uhličitanem sodným za vzniku zelené sraženiny, zatímco síran železitý (III) vytváří v této reakci hnědou sraženinu.
Železo tam, kde vás nepřekvapí...
Věnujte pozornost poznámce vztahující se k hydrogensíranu sodnému a peroxidu vodíku v sekci ,,Nebezpečné látky a směsi'', začínající na straně č. 7. Pracujte venku nebo při otevřeném okně! Výpary nevdechujte.
Experiment č. 167
Dodatečné materiály a pomůcky: trochu rzi
V suché zkumavce smíchejte 2 lžíce hydrogensulfátu sodného s několika úlomky rzi a zkumavku začněte zahřívat v poloze, ve které je její otevřený konec mírně nakloněn dolů tak, jak můžete vidět na obrázku. Solná směs změní barvu ze žluté na hnědou. Přestaňte zkumavku zahřívat a nechte ji vychladnout. Držák se zkumavkou vezměte do ruky a do zkumavky nalijte trochu vody. Obsah zkumavky opět zahřejte spolu s varnou tyčinkou. Trošku vzniklého žlutého roztoku přelijte do druhé zkumavky a otestujte jej pomocí roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Žlutý roztok: A2, pruská modrá: tip na straně 83
... a tam, kde byste ho nečekali
Experiment č. 168
Dodatečné materiály a pomůcky: popel z cigarety (nebo popel z listové rostliny), peroxid vodíku
Do zkumavky se 4-5 lžícemi cigaretového či doutníkového popela nalijte do výšky 3-4 cm vodu a přidejte 1 lžíci hydrogensíranu sodného. Vložte do ní varnou tyčinku a po dobu několika minut ji zahřívejte. Vzniklý černý vývar následně přefiltrujte přes dvojitou vrstvu filtračního papíru a čistý filtrát otestujte 8-10 kapkami roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Uvidíte, jak změní barvu na slabě zelenou. Postupným přidáváním peroxidu vodíku se bude zbarvení zintenzivňovat. Tip na str. 83
TIP
V případě, že by se vám nepodařilo získat popel z cigaret, postačí, pokud necháte vysušit lístky špenátu nebo salátu, následně je spálíte a jejich popel budete studovat tak, jak je popsáno v jednotlivých experimentech.
Experiment č. 169
Dodatečné materiály a pomůcky: dřevěný popel
Zopakujte předchozí experiment - tentokrát však použijte trochu popela z ohniště nebo grilu. Tip na str. 83
Tabákové listy, stejně jako jiný druh listů či dřeva, obsahují pro život nezbytný prvek - železo. Vzhledem k tomu, že obsah železa je v nich relativně nízký, uvidíte jako výsledek testu pomocí hexakyanoželeznatanu draselného jen zelené zbarvení a ne sytou pruskou modrou.
Na túrách jste už pravděpodobně jednou či dvakrát zahlédli červený pískovec či červenou půdu. V případě, že běžně nemáte přístup k červenému pískovci či červené půdě, postačí vám pro následující experimenty úlomek červené cihly.
Experiment č. 170
Dodatečné materiály a pomůcky: pískovec nebo kousek cihly
Kámen či cihlu rozdrťte na co nejjemnější prášek, například pomocí kladiva rozdrťte kousek cihly či kamene uloženého mezi dvěma listy papíru na staré podložce. Následně ve zkumavce smíchejte 2 lžíce získaného prášku s 1 lžící hydrogensulfátu sodného a do výšky 2-3 cm přilijte do zkumavky vodu. Obsah zkumavky po dobu několika minut zahřívejte a následně jej přefiltrujte. Do filtrátu přidejte stejný objem vody spolu s 8-10 kapkami roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Okamžitě získáte jasnou, čistou modrou barvu, aniž byste museli přidávat peroxid vodíku.
Otázka č. 33: Co můžete na základě předchozích experimentů usuzovat?
Červené pískovcové útvary v Utahu (USA).
Hry barev ve zkumavce
Na závěr kapitoly si zahrajete roli kouzelníků, kteří dokážou mrknutím oka přeměňovat sluneční světlo na temnou tmavou noc.
Věnujte pozornost poznámce vztahující se k uhličitanu sodnému a kyselině citrónové v sekci ,,Nebezpečné látky a směsi'', začínající na straně č. 7. Pracujte venku nebo při otevřeném okně! Výpary nevdechujte.
Experiment č. 171
Do stojanu na zkumavky si připravte 3 zkumavky. V první z nich rozpusťte
1-2 cm po domácku vyrobeného roztoku síranu železitého v trojnásobném objemu vody.
Do druhé zkumavky dejte 1 malou lžičku kyseliny citrónové a do třetí zkumavky nakapejte pár kapek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Vaše publikum si tak malého množství ze vzdálenosti několika metrů ani nevšimne.
Téměř čirý roztok síranu železitého nalijte do druhé zkumavky, uzavřete ji zátkou a její obsah protřepejte. Žluté ,,sluneční světlo'' začne zářit ze zkumavky. Přelijte ho do třetí zkumavky. Jemně zkumavkou kružte a pohybujte zepředu dozadu. Padl tmavý modrý ,,soumrak''.
Sloučenina železa a kyseliny citrónové přivolala sluneční světlo. Avšak i po tom nejdelším dni padne soumrak.
• Sluneční světlo se změní na tmavou noc: Vlevo: zředěný roztok síranu železitého. Uprostřed: sloučenina železa a kyseliny citrónové (,,sluneční světlo''). Vpravo: pruská modrá (,,noc'').
Experiment č. 172
Do pruské modré získané v předchozím experimentu přidejte roztok uhličitanu sodného (2 lžíce uhličitanu sodného rozpuštěného ve vodě ve zkumavce sahající do výšky 3 cm). Modrá se postupně změní na světle mlhavé ráno, dalo by se říci. Do roztoku přidejte 1-2 cm octa, zkumavku uzavřete zátkou a její obsah protřepejte! Roztok se postupně změní na zelený a následně na modrý. Tip na str. 83
Otázka č. 34: Co můžete na základě předchozích experimentů usuzovat?
