Желязна епоха - част 3

Последният брой за метал номер едно на нашата цивилизация и нейните взаимоотношения. Проведените досега експерименти показват, че това е интересен обект за изследване в домашна лаборатория. Днешните експерименти ще бъдат не по-малко интересни и ще ви позволят да погледнете по-различно към някои аспекти на химията.

Един от експериментите в първата част на статията беше окисляването на зеленикава утайка от железен (II) хидроксид до кафяв железен (III) хидроксид с разтвор на Н₂O₂. Водородният пероксид се разлага под въздействието на много фактори, включително съединения на желязото (в експеримента са открити кислородни мехурчета). Ще използвате този ефект, за да покажете...

… Как работи катализаторът

разбира се ускорява реакцията, но - струва си да се помни - само такъв, който може да възникне при определени условия (макар и понякога много бавно, дори незабележимо). Вярно е, че има твърдение, че катализаторът ускорява реакцията, но не участва в нея. Хм... защо изобщо се добавя? Химията не е магия (понякога ми се струва така и "черна" за зареждане) и с един прост експеримент ще видите катализатора в действие.

Първо подгответе позицията си. Ще ви трябва поднос, за да предпазите масата от наводняване, защитни ръкавици и очила или козирка. Имате работа с разяждащ реагент: перхидрол (30% разтвор на водороден прекис Н₂O₂) и разтвор на железен (III) хлорид FeCl₃. Действайте разумно, особено се грижете за очите си: кожата на ръцете, изгорени с пехидрол, се регенерира, но очите не. (1).

2. Изпарителят отляво съдържа само вода, отдясно - вода с добавка на перхидрол. Изсипвате разтвор на железен (III) хлорид и в двете

3. Ходът на реакцията, след нейното завършване, катализаторът се регенерира

Изсипете в порцеланов изпарител и добавете два пъти повече вода (реакцията протича и с водороден прекис, но в случай на 3% разтвор ефектът е едва забележим). Получихте приблизително 10% разтвор на H₂O₂ (търговски перхидрол, разреден 1:2 с вода). Налейте достатъчно вода във втория изпарител, така че всеки съд да има същото количество течност (това ще бъде вашата референтна рамка). Сега добавете 1-2 см и към двата пара.³ 10% разтвор на FeCl₃ и внимателно наблюдавайте напредъка на теста (2).

В контролния изпарител течността има жълтеникав цвят поради хидратирани Fe йони.³⁺. От друга страна, много неща се случват в съд с водороден прекис: съдържанието става кафяво, газът се отделя интензивно, а течността в изпарителя става много гореща или дори кипи. Краят на реакцията се отбелязва със спиране на отделянето на газ и промяна на цвета на съдържанието в жълто, както в системата за управление (3). Ти беше просто свидетел работа на катализатора, но знаете ли какви промени са настъпили в плавателния съд?

Кафявият цвят идва от железните съединения, които се образуват в резултат на реакцията:

Газът, който интензивно се изхвърля от изпарителя, е, разбира се, кислород (можете да проверите дали светещ пламък започва да гори над повърхността на течността). В следващата стъпка кислородът, освободен в горната реакция, окислява Fe катионите.²⁺:

Регенерирани Fe йони³⁺ те отново участват в първата реакция. Процесът приключва, когато целият водороден прекис бъде изразходван, което ще забележите, когато жълтеникавият цвят се върне към съдържанието на изпарителя. Когато умножите двете страни на първото уравнение по две и го добавите странично към второто, а след това отмените същите членове от противоположните страни (както в нормално математическо уравнение), получавате уравнението на реакцията на разпределение H₂O₂. Моля, имайте предвид, че в него няма железни йони, но за да посочите ролята им в трансформацията, ги въведете над стрелката:

Водородният пероксид също се разлага спонтанно съгласно горното уравнение (очевидно без железни йони), но този процес е доста бавен. Добавянето на катализатор променя механизма на реакция към такъв, който е по-лесен за изпълнение и следователно ускорява цялото преобразуване. Защо тогава идеята, че катализаторът не участва в реакцията? Вероятно защото се регенерира в процеса и остава непроменен в сместа от продукти (в експеримента жълтият цвят на йони Fe(III) се появява както преди, така и след реакцията). Така че запомнете това катализаторът участва в реакцията и е активната част.

За проблеми с Х.₂O₂

4. Каталазата разгражда водородния пероксид (епруветка отляво), добавянето на разтвор на EDTA разрушава ензима (епруветка отдясно)

Ензимите също са катализатори, но те действат в клетките на живите организми. Природата е използвала железни йони в активните центрове на ензимите, които ускоряват реакциите на окисление и редукция. Това се дължи на вече споменатите леки промени в валентността на желязото (от II към III и обратно). Един от тези ензими е каталазата, която предпазва клетките от силно токсичния продукт от преобразуването на клетъчния кислород - водороден прекис. Можете лесно да получите каталаза: намачкайте картофите и залейте картофеното пюре с вода. Оставете суспензията да потъне на дъното и изхвърлете супернатантата.

Изсипете 5 см в епруветката.³ картофен екстракт и добавете 1 см³ водороден пероксид. Съдържанието е много пенливо, може дори да „изпълзи“ от епруветката, така че опитайте на поднос. Каталазата е много ефективен ензим, една молекула каталаза може да разгради до няколко милиона H молекули в минута.₂O₂.

След като изсипете екстракта във втората епруветка, добавете 1-2 ml³ EDTA разтвор (натриева едетова киселина) и съдържанието се смесват. Ако сега добавите доза водороден прекис, няма да видите никакво разлагане на водороден прекис. Причината е образуването на много стабилен комплекс от железни йони с EDTA (този реагент реагира с много метални йони, който се използва за определянето и отстраняването им от околната среда). Комбинация от Fe йони³⁺ с EDTA блокира активното място на ензима и следователно инактивира каталаза (4).

Желязен брачен пръстен

В аналитичната химия идентифицирането на много йони се основава на образуването на слабо разтворими утайки. Въпреки това, бегъл поглед към таблицата за разтворимост ще покаже, че нитратните (V) и нитратните (III) аниони (солите на първия се наричат ​​просто нитрати, а вторият - нитрити) практически не образуват утайка.

Железен (II) сулфат FeSO идва на помощ при откриването на тези йони.₄. Пригответе реагентите. В допълнение към тази сол ще ви е необходим концентриран разтвор на сярна киселина (VI) H₂SO₄ и разреден 10-15% разтвор на тази киселина (внимавайте, когато разреждате, изливайки, разбира се, „киселина във вода“). В допълнение, соли, съдържащи откритите аниони, като KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Пригответе концентриран разтвор на FeSO.₄ и разтвори на соли на двата аниона (четвърт чаена лъжичка сол се разтваря в около 50 cm³ вода).

5. Положителен резултат от пръстен тест.

Реагентите са готови, време е да експериментирате. Изсипете 2-3 см в две епруветки³ Разтвор на FeSO₄. След това добавете няколко капки концентриран разтвор на N.₂SO₄. С помощта на пипета се събира аликвотна част от нитритния разтвор (например NaNO₂) и го изсипете, така че да се стича по стената на епруветката (това е важно!). По същия начин изсипете част от разтвора на селитра (например KNO₃). Ако и двата разтвора се излеят внимателно, на повърхността ще се появят кафяви кръгове (оттук и общоприетото име за този тест, пръстеновидна реакция) (5). Ефектът е интересен, но имате право да бъдете разочаровани, може би дори възмутени (Все пак това е аналитичен тест? И в двата случая резултатите са еднакви!).

Направете обаче друг експеримент. Този път добавете разредена H.₂SO₄. След инжектиране на разтвори на нитрати и нитрити (както преди), ще забележите положителен резултат само в една епруветка - тази с разтвора на NaNO.₂. Този път вероятно нямате коментар относно полезността на теста с пръстен: реакцията в слабо кисела среда ви позволява ясно да разграничите два йона.

Механизмът на реакцията се основава на разлагането на двата вида нитратни йони с освобождаване на азотен оксид (II) NO (в този случай железният йон се окислява от две до три цифри). Комбинацията на Fe(II) йона с NO има кафяв цвят и придава цвят на пръстена (прави се, ако тестът е направен правилно, като просто смесите разтворите ще получите само тъмния цвят на епруветката, но - признавате - няма да има толкова интересен ефект). Разлагането на нитратните йони обаче изисква силно кисела реакционна среда, докато нитритите изискват само леко подкисляване, оттук и наблюдаваните разлики по време на теста.

Желязо в тайните служби

Хората винаги са имали какво да крият. Създаването на списанието включва и разработването на методи за защита на такава предавана информация - криптиране или скриване на текста. За последния метод са изобретени различни симпатични мастила. Това са веществата, за които сте ги направили надписа не се виждаобаче, той се разкрива под въздействието, например, на нагряване или третиране с друго вещество (проявител). Приготвянето на красиво мастило и неговия разработчик не е трудно. Достатъчно е да се намери реакцията, при която се образува оцветен продукт. Най-добре е самото мастило да е безцветно, тогава надписът, направен от тях, ще бъде невидим върху субстрат от всякакъв цвят.

Железните съединения също правят атрактивни мастила. След провеждане на описаните по-горе тестове, разтвори на желязо (III) и FeCl хлорид могат да бъдат предложени като симпатични мастила.₃, калиев тиоцианид KNCS и калиев фероцианид K₄[Fe(CN)₆]. В реакцията на FeCl₃ с цианид ще стане червен, а с фероцианид ще стане син. Те са по-подходящи като мастила. разтвори на тиоцианат и фероцианидтъй като са безцветни (в последния случай разтворът трябва да се разреди). Надписът е направен с жълтеникав разтвор на FeCl.₃ може да се види на бяла хартия (освен ако картата също е жълта).

6. Двуцветната спирала е добра

7. Симпатично мастило със салицилова киселина

Пригответе разредени разтвори на всички соли и използвайте четка или кибрит, за да напишете върху картите с разтвор на цианид и фероцианид. Използвайте различна четка за всяка, за да избегнете замърсяване на реагентите. Когато изсъхне, сложете защитни ръкавици и навлажнете памука с разтвора на FeCl.₃. Разтвор на железен (III) хлорид корозивен и оставя жълти петна, които стават кафяви с течение на времето. Поради тази причина избягвайте да оцветявате кожата и околната среда с нея (извършете експеримента върху поднос). Използвайте памучен тампон, за да докоснете парче хартия, за да навлажните повърхността му. Под влияние на разработчика ще се появят червени и сини букви. Можете също да пишете с двете мастила върху един лист хартия, тогава разкритият надпис ще бъде двуцветен (6). Салицилов алкохол (2% салицилова киселина в алкохол) също е подходящ като синьо мастило (7).

Това завършва статията от три части за желязото и неговите съединения. Открихте, че това е важен елемент и освен това ви позволява да провеждате много интересни експерименти. Все пак ще се фокусираме върху „желязната“ тема, защото след месец ще срещнете най-големия му враг - корозия.

Вижте също: