Ak chemik pracuje s kovom, zväčša to neznamená, že pracuje priamo s daným chemickým prvkom, ale s jeho zlúčeninami, kovovými soľami a charakteristickými reakciami, ktoré dokazujú prítomnosť daného kovu. Reakcie zväčša prebiehajú vo vodných roztokoch. Nerozpustné materiály je najskôr treba ,,odomknúť‘‘ či, inými slovami, zmeniť na rozpustné. To sa, pravdaže, týka aj samotných kovov. Na rozpustenie kovov má profesionál po ruke mnoho rôznych nástrojov a predovšetkým kyselín. Vy to však zvládnete aj so soľou.
Rozpúšťanie železa pomocou síranu meďnatého
Venujte pozornosť poznámke vzťahujúcej sa k síranu meďnatému, peroxidu vodíka a hydrogénsíranu sodného v sekcii ,,Nebezpečné látky a zmesi‘‘ začínajúcej na strane č.7.
Experiment č.161
Dodatočné materiály a pomôcky: lesklý železný klinec
Špičku malej lyžičky síranu meďnatého v skúmavke rozpustite v objeme vody siahajúcom do výšky 2-3 cm. Klinec vložte do pripraveného roztoku. Ihneď sa pokryje tmavou, typicky červeno-hnedou vrstvou : meďou. Roztok: A4, klinec: A3
Pomocou železného klinca sa vám podarilo opätovne vyčarovať kovovú podobu medi len tak z ničoho nič, z vo vode rozpustných kryštálov síranu meďnatého. Nasledujúci experiment dokáže, že pri pokrývaní meďou došlo k rozkladu istej časti železa.
Experiment č.162
Dodatočné materiály a pomôcky: oceľová vlna, peroxid vodíka
V skúmavke do polovice naplnenej vodou rozpustite 1 lyžicu síranu meďnatého a do vzniknutého roztoku pridajte malé množstvo oceľovej vlny. Skúmavky uzavrite pomocou zátky a jej obsah poriadne pretrepte ( Prstom udržiavajte zátku na mieste!). Rovnako ako v prípade klinca sa na oceľovej vlne vytvorí červeno hnedý povlak. Skúmavku nechajte niekoľko minút odstáť. Roztok sa zmení farbu z modrej na matne zelenú. Roztok prefiltrujte do druhej skúmavky a pridajte doň 1 malú lyžičku uhličitanu sodného. Vznikne zelená usadenina. Do roztoku pridajte trochu peroxidu vodíka – farba roztoku sa zmení na hnedú – a spolu s varnou tyčinkou ho nad plameňom liehového horáka zohrievajte po dobu 1 – 2 minút. Do obsahu skúmavky pridajte lyžicu hydrogénsíranu sodného. Získate tak čisto žltý roztok. Ak máte po ruke čistú liekovku či fľaštičku, môžete si v nej uchovať vzniknutý roztok. Fľašu označte štítkom : roztok síranu železitého (Nedovoľte, aby sa roztok dostal do kontaktu s očami či pokožkou!). Oceľová vlna: A3
Otázka č. 32 – Reakcia medzi síranom meďnatým a železom ( oceľovou vlnou) pre vás nie je úplne neznáma. Kde ste sa s ňou už mali možnosť stretnúť?
V rámci mnohých experimentov budete na prácu potrebovať hexakyanoželeznatan draselný (prečítajte si bezpečnostné informácie uvedené na str. 7! ). Vzhľadom na to, že je táto zlúčenina škodlivá pre vodné organizmy, mali by sme jej do vodného odpadu vylievať čo najmenej. Bohužiaľ však s pomôckami, ktoré máte k dispozícii, neexistujú nijaké jednoduché metódy, akými takýto odpad zlikvidovať. S roztokom teda pracujte veľmi opatrne a riaďte sa tipom uvedeným vpravo.
Železný klinec z modrého roztoku vytiahne červenú meď.
TIP
2 lyžice hexakyanoželeznatanu draselného rozpustite v objeme vody siahajúcom do výšky 10 cm a vzniknutý roztok uchovávajte v čistej, jasne označenej fľaši. Z nádoby vždy odoberajte len nevyhnutné množstvo (zvyčajne niekoľko kvapiek). Produkty reakcií (obzvlášť perzskú modrú) je zväčša možné vylievať do bežného odpadu spolu s uhličitanom sodným (či inými slovami sódou). Po dokončení experimentu náčinie dobre umyte!
Pruská modrá nie je len činiteľom užitočným v laboratóriách: používa sa aj ako farbivo v tlačiarenskom priemysle. (fotografia : Degussa AG).
Pruská modrá indikuje prítomnosť železa
Experiment č.163
Do skúmavky naplnenej vodou do výšky 5 cm pridajte 1 pipetu vlastnoručne vyrobeného roztoku síranu železitého. Vzniknutý roztok bude prakticky bezfarebný. Pridajte doň niekoľko kvapiek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného: Vznikne tmavo modrá farba : Pruská modrá. Tip, str. 83
Táto reakcia slúži ako test prítomnosti rozpusteného železa. Odtieň a tmavosť vzniknutého sfarbenia má na svedomí len a len rozpustené železo. Nerozpustené železo s použitým činidlom nereaguje.
Experiment č.164
Dodatočné materiály a pomôcky: lesklý železný klinec
Železný klinec vložte do skúmavky naplnenej roztokom hexakyanoželeznatanu draselného do výšky 2 cm. Ani po uplynutí pol hodiny nebude na roztoku badateľná nijaká zmena. Roztok nalejte späť do pôvodnej nádoby.
Aj elektrický prúd dokáže rozpustiť kov
O tom, že aj elektrický prúd je pri zapojení kovu na kladnú svorku zdroja prúdu schopný kovy rozpúšťať – dokonca aj ušľachtilé - ste sa dozvedeli už počas experimentovania s elektrolýzou soľných roztokov.
Elektrický prúd rozkladá železný klinec.
Experiment č.165
Dodatočné materiály a pomôcky: 9-voltová batéria, železný klinec
Odmernú kadičku naplňte po rysku označujúcu 50 ml vodou a za stáleho miešania v nej rozpustite 1–2 lyžice kuchynskej soli. S svorkám batérie pripojte spojovacie vodiče. Voľný koniec vodiča pripojeného ku kladnému kontaktu batérie obmotajte okolo vrchného koncu klinca. Klinec ponorte do soľného roztoku tak, aby vodič ponorený nebol. Koniec vodiča napojeného na záporný kontakt batérie voľne ponorte do roztoku a nechajte ho len tak ležať. Pri zápornom kontakte začne ( tak ako v Experimente 107) vznikať vodík a červený lakmusový papierik sa v tejto časti sfarbí na modro ( viď. vysvetlenie na strane 63: ,,Migranti medzi dvomi pólmi‘‘ ). Po chvíli sa v roztoku vytvorí penivá, hnedá zrazenina. Obsah kadičky si odložte na nasledujúci pokus.
Experiment č.166
1- 2 pipety roztoku z predchádzajúceho experimentu pridajte do skúmavky s vodu siahajúcou do výšky 5 cm. Následne do roztoku pridávajte ocot až do bodu, kedy nezmizne zakalenie. Po pridaní niekoľkých kvapiek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného vám pruská modrá ukáže, že v procese elektrolýzy došlo k rozpusteniu trochy železa. To môže pochádzať jedine z ponoreného klinca. Tip, str. 83.
Železo
Železo ( z latinského slova ferrum, chemická značka železa Fe) bolo vždy tým najdôležitejším obchodným kovom. Už Chetiti, ktorí žili okolo roku 1400 p.n.l. v Malej Ázii, poznali tajomstvo jeho výroby. V prvých peciach zameraných na výrobu železa sa zvyklo železo taviť zo surových materiálov či od obdobia približne 1350 p.n.l. priamo zo železnej rudy. V železných rudách je železo zväčša viazané na kyslík alebo síru. Zlúčeniny železa obsahujúce síru sú najskôr premieňané na oxidy železa , z ktorých je následne kovové železo oddelené v peciach prostredníctvom konverzie oxidom uhoľnatým.
Väčšina železa sa využíva na výrobu ocele procesom, pri ktorom je obsah uhlíka v surovom železe znížený zo 4% na menej ako 1,7%. Čisté železo má strieborno-bielu farbu a je relatívne mäkké. Vlhký vzduch a voda obsahujúca oxid uhličitý majú oxidačné účinky – železo ich vplyvom hrdzavie. Kombináciou železa s niekoľkými ďalšími kovmi do zliatiny získate nehrdzavejúcu oceľ užitočnú na výrobu, okrem iného, kuchynského náradia či laboratórnych pomôcok.
Charakteristickou vlastnosťou železa, ako už viete, je jeho magnetickosť. Železo je priťahované magnetmi a niektoré druhy železa sa dokonca využívajú pri výrobe permanentných magnetov.
V prírode – v rastlinách a zvieratách – zohráva železo veľmi dôležitú rolu. Ľudský organizmus obsahuje 4-5 g chemicky viazaného olova, predovšetkým v bielkovinách nachádzajúcich sa v červených krvinkách. Tieto bielkoviny sú zodpovedné za transport pre život nevyhnutného kyslíka do celého tela.
Obrázky ilustrujúce proces výroby železa.
o Vľavo: Klepanie surového železa z pece.
o Stred: V konventore dochádza k redukcii železa na 1,7% pomocou kyslíka. Nečistoty (ako napríklad síra a fosfor) sú naviazané na aditíva a postupne odseparované ako struska.
o Vpravo: na valcovni sú žiariace kusy ocele spracovávané na oceľové nosníky, plechy a iné produkty. (Fotografie: ThyssenKrupp Steel)
Základné znalosti
Ušľachtilé a základné (neušľachtilé) kovy
V priebehu Experimentu 161 a 162 sa železo rozpustilo, zatiaľ čo ,,viac ušľachtilý‘‘ kov (Cu) bol vylúčený z roztoku síranu meďnatého (CuSO4):
Fe + CuSO4 --> FeSO4 + Cu
Takýto proces nie je ojedinelým fenoménom, ale uplatňuje sa v ňom všeobecné pravidlo, ktoré hovorí: Kov dokáže vylúčiť ušľachtilejší kov z jeho roztoku. Spätná reakcia nie je možná. Takže, napríklad, nie je možné pomocou medeného drôtu z roztoku síranu železitého vytesniť železo. Ak kovy zoradíte podľa ich tendencie tvoriť ióny, získate rad uvedený vpravo.
Toto zoradenie je známe ako rad reaktivity kovov či elektrochemický rad napätia kovov, pretože každému z uvedených kovov je možné priradiť hodnotu odpovedajúceho elektrochemického potenciálu vzhľadom k referenčnému bodu. Bližšie vysvetlenie daného usporiadania však presahuje nad rámec tohto experimentálneho manuálu.
Tajomstvo rímskych číslic
Zlúčenina FeSO4, ktorú ste získali v Experimentoch 161 a 162 pozostáva z dvojnásobne kladne nabitého iónu železa (Fe2+) a dvojnásobne záporne nabitého síranové iónu (SO42-); v technickej terminológii sa nazýva síranom železnatým (odpovedá mu prípona II – natý). Reakciou s peroxidom vodíka vzniká zásaditý roztok síranu železitého (odpovedajúca prípona: III – itý), ktorý pozostáva z trojnásobne kladne nebitých iónov železa (Fe3+). Ióny Fe2+ zoxidovali na ióny Fe3+. Vy už viete, že oxidácia vo všeobecnosti popisuje proces, pri ktorom dochádza k zvýšeniu náboja iónu.
Teraz už začínate tušiť, aký význam majú v chemickom názvosloví rímske číslice. Síran železnatý (II) obsahuje ióny Fe2+, zatiaľ čo síran železitý (III) obsahuje ióny Fe3+. To, že hexakyanoželeznatan draselný je taktiež zlúčeninou, ktorá obsahuje železo, nám naznačuje časť názvu -železnatan (z latinského názvu ferrum pochádza chemická značka). V prípade, že k názvu pridáme rímsku číslicu (II), bude jasne indikovať, že táto zlúčenina obsahuje Fe2+ ióny. V chémii používané rímske číslice nazývame oxidačnými číslami.
Zlúčeniny s rôznymi oxidačnými číslami zvyčajne s rovnakými látkami reagujú rôzne. Napríklad síran železnatý (II) reaguje s uhličitanom sodným za vzniku zelenej zrazeniny, zatiaľ čo síran železitý (III) vytvára v tejto reakcii hnedú zrazeninu.
Železo tam, kde vás neprekvapí
Venujte pozornosť poznámke vzťahujúcej sa k hydrogénsíranu sodnému a peroxidu vodíka v sekcii ,,Nebezpečné látky a zmesi‘‘ začínajúcej na strane č.7. Pracujte vonku alebo pri otvorenom okne! Výpary nevdychujte.
Experiment č.167
Dodatočné materiály a pomôcky : trochu hrdze
V suchej skúmavke zmiešajte 2 lyžice hydrogénsíranu sodného s niekoľkými úlomkami hrdze a skúmavky začnite zahrievať v polohe, v ktorej je jej otvorený koniec mierne naklonený nadol tak, ako môžete vidieť na ilustrácii. Soľná zmes zmení farbu zo žltej na hnedú. Prestaňte skúmavku zohrievať a nechajte ju vychladnúť. Držiak so skúmavkou vezmite do ruky a do skúmavky nalejte trochu vody. Obsah skúmavky opäť zahrejte spolu s varnou tyčinkou. Trošku vzniknutého žltého roztoku prelete do druhej skúmavky a otestujte ho pomocou roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Žltý roztok: A2, Pruská modrá: Tip na strane 83.
... a tam, kde by ste ho nečakali
Experiment č.168
Dodatočné materiály a pomôcky: popol z cigarety (alebo popol z listovej rastliny), peroxid vodíka
Do skúmavky s 4 -5 lyžicami cigaretového či cigarového popola nalejte do výšky 3 – 4 cm vodu a pridajte 1 lyžicu hydrogénsíranu sodného. Vložte do nej varnú tyčinku a po dobu niekoľkých minút ju zohrievajte. Vzniknutý čierny vývar následne prefiltrujte cez dvojitú vrstvu filtračného papiera a čistý filtrát otestuje 8 – 10 kvapkami roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Uvidíte, ako zmení farbu na slabo zelenú. Postupným pridávaním peroxidu vodíka sa bude sfarbenie zintenzívňovať. Tip na str. 83
TIP
V prípade, že by sa vám nepodarilo získať popol z cigariet, postačí, ak necháte vysušiť lístky špenátu alebo šalátu, následne ich spálite a ich popol budete študovať tak, ako je popísané v jednotlivých experimentoch.
Experiment č.169
Dodatočné materiály a pomôcky: drevený popol
Zopakujte predchádzajúci experiment – tentokrát však použite trochu popola z ohniska alebo grilu. Tip na str. 83
Tabakové listy, rovnako ako iný druh listov či dreva, obsahujú pre život nevyhnutný prvok – železo. Vzhľadom na to, že obsah železa je v nich relatívne nízky, uvidíte ako výsledok testu pomocou hexakyanoželeznatanu draselného len zelené sfarbenie a nie sýtu Pruskú modrú.
Počas turistiky ste už pravdepodobne raz či dvakrát zazreli červený pieskovec či červenú pôdu. V prípade, že bežne nemáte prístup k červenému pieskovcu či červenej pôde, postačí vám na nasledujúce experimenty úlomok červenej tehly.
Experiment č.170
Dodatočné materiály a pomôcky : vápenec alebo kúsok tehly
Kameň či tehlu rozdrvte na čo najjemnejší prášok, napríklad pomocou kladiva udierajúc do kúsku tehly či kamea uloženého medzi dvomi hárkami papiera na starej podložke. Následne v skúmavke zmiešajte 2 lyžice získaného prášku s 1 lyžicou hydrogénsíranu sodného a do výšky 2 – 3 cm prilejte do skúmavky vodu. Obsah skúmavky po dobu niekoľkých minút zohrievajte a následne ho prefiltrujte. Do filtrátu pridajte rovnaký objem vody spolu s 8 – 10 kvapkami roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Okamžite získate jasnú, čistú, modrú farbu bez toho, aby ste museli pridávať peroxid vodíka.
Otázka č. 33 – Čo môžete na základe predchádzajúcich experimentov usudzovať?
Červené prieskovcové útvary v Utahu (USA).
Hry farieb v skúmavke
Na záver kapitoly si zahráte úlohu kúzelníkov, ktorí dokážu mihnutím oka premieňať slnečné svetlo na temnú tmavú noc.
Venujte pozornosť poznámke vzťahujúcej sa k uhličitanu sodnému a kyseline citrónovej v sekcii ,,Nebezpečné látky a zmesi‘‘ začínajúcej na strane č.7. Pracujte vonku alebo pri otvorenom okne! Výpary nevdychujte.
Experiment č.171
Do stojana na skúmavky si prichystajte 3 skúmavky. V prvej z nich rozpustite 1 – 2 cm po domácky vyrobeného roztoku síranu železitého v trojnásobnom objem vody.
Do druhej skúmavky umiestnite 1 malú lyžičku kyseliny citrónovej a do tretej skúmavky nakvapkajte pár kvapiek roztoku hexakyanoželeznatanu draselného. Vaše publikum si tak malé množstvá zo vzdialenosti niekoľkých metrov ani nevšimne.
Takmer číry roztok síranu železitého nalejte do druhej skúmavky, uzavrite ju zátkou a jej obsah pretrepte. Žlté ,,slnečné svetlo‘‘ začne vyžarovať zo skúmavky. Prelejte ho do tretej skúmavky. Jemne skúmavkou krúžte a pohybujte spredu dozadu. Padol tmavý modrý ,,súmrak‘‘.
Zlúčenina železa a kyseliny citrónovej privolala slnečné svetlo. Avšak aj po tom najdlhšom dni padne súmrak.
• Slnečné svetlo sa zmení na tmavú noc: Vpravo: zriedený roztok síranu železitého. V strede: zlúčenina železa a kyseliny citrónovej (,,slnečné svetlo‘‘). Vpravo: Pruská modrá (,,noc‘‘).
Experiment č.172
Do Pruskej modrej získanej v predchádzajúcom experimente pridajte roztok uhličitanu sodného (2 lyžice uhličitanu sodného rozpusteného vo vode v skúmavke siahajúcej do výšky 3 cm). Modrá a postupne zmení na svetložltú – hmlisté ráno, dalo by sa povedať. Do roztoku pridajte 1 – 2 cm octu, skúmavku uzavrite zátkou a jej obsah pretrepte! Roztok sa postupne zmení na zelený a následne modrý. Tip na str. 83
Otázka č. 34 – Čo môžete na základe predchádzajúcich experimentov usudzovať?
