תקופת הברזל - חלק 3
הגיליון האחרון על המתכת מספר אחת של הציוויליזציה שלנו ויחסיה. ניסויים שבוצעו עד כה הראו כי מדובר בחפץ מעניין למחקר במעבדה הביתית. הניסויים של היום יהיו לא פחות מעניינים ויאפשרו לך להסתכל אחרת על כמה היבטים של כימיה.
אחד הניסויים בחלק הראשון של המאמר היה חמצון של משקע ירקרק של הידרוקסיד ברזל (II) להידרוקסיד ברזל חום (III) עם תמיסה של H2O2. מי חמצן מתפרק בהשפעת גורמים רבים, כולל תרכובות ברזל (בניסוי נמצאו בועות חמצן). אתה תשתמש באפקט הזה כדי להראות...
... איך זרז עובד
כמובן מאיץ את התגובה, אבל - כדאי לזכור - רק אחד שיכול להתרחש בתנאים נתונים (אם כי לפעמים לאט מאוד, אפילו באופן בלתי מורגש). נכון, יש טענה שהזרז מאיץ את התגובה, אבל לא לוקח בה חלק בעצמו. הממ... למה זה מתווסף בכלל? כימיה היא לא קסם (לפעמים זה נראה לי כך, ו"שחור" לאתחול), ובניסוי פשוט, תראו את הזרז בפעולה.
ראשית הכן את עמדתך. תזדקק למגש לשמירה על הצפה מהשולחן, כפפות מגן ומשקפי מגן או מצחייה. יש לך עסק עם מגיב קאוסטי: פרהידרול (תמיסת מי חמצן 30% H2O2) וברזל (III) תמיסת כלוריד FeCl3. פעל בחוכמה, שמור במיוחד על העיניים שלך: עור הידיים שנשרף בפהידרול מתחדש, אך העיניים לא. (1).
2. המאייד משמאל מכיל רק מים, מימין - מים בתוספת פרהידרול. אתה שופך תמיסת ברזל (III) כלוריד לשניהם
3. מהלך התגובה, לאחר השלמתה, מתחדש הזרז
יוצקים למאייד חרסינה ומוסיפים פי שניים מים (התגובה מתרחשת גם עם מי חמצן, אבל במקרה של תמיסה של 3% ההשפעה כמעט לא מורגשת). קיבלת כ-10% תמיסה של H2O2 (פרהידרול מסחרי מדולל 1:2 במים). שפכו מספיק מים למאייד השני כך שבכל כלי תהיה אותה כמות נוזל (זו תהיה מסגרת ההתייחסות שלכם). כעת הוסף 1-2 ס"מ לשני מכשירי האידוי.3 תמיסת FeCl 10%.3 ועקוב בקפידה אחר התקדמות הבדיקה (2).
במאייד הבקרה, לנוזל צבע צהבהב עקב יוני Fe hydrated.3+. מצד שני, בכלי עם מי חמצן קורים הרבה דברים: התכולה משחימה, הגז משתחרר בצורה אינטנסיבית, והנוזל במאייד מתחמם מאוד או אפילו רותח. סוף התגובה מסומן בהפסקת התפתחות הגזים ושינוי בצבע התוכן לצהוב, כמו במערכת הבקרה (3). אתה רק היית עד פעולת ממיר קטליטי, אבל האם אתה יודע אילו שינויים חלו בכלי?
הצבע החום מגיע מהתרכובות הברזליות שנוצרות כתוצאה מהתגובה:
הגז שנפלט באינטנסיביות מהמאייד הוא כמובן חמצן (אפשר לבדוק האם להבה זוהרת מתחילה לבעור מעל פני הנוזל). בשלב הבא, החמצן המשתחרר בתגובה לעיל מחמצן את קטיוני ה-Fe.2+:
יוני Fe משוחזרים3+ הם שוב לוקחים חלק בתגובה הראשונה. התהליך מסתיים כאשר כל המי חמצן מנוצל, דבר שתבחין כשהצבע הצהבהב יחזור לתוכן המאייד. כאשר מכפילים את שני הצדדים של המשוואה הראשונה בשניים ומוסיפים אותה לצד השני, ואז מבטלים את אותם איברים בצדדים מנוגדים (כמו במשוואה מתמטית רגילה), מקבלים את משוואת תגובת ההתפלגות H2O2. שימו לב שאין בו יוני ברזל, אך כדי לציין את תפקידם בטרנספורמציה הקלידו אותם מעל החץ:
מי חמצן מתפרק גם באופן ספונטני לפי המשוואה לעיל (כמובן ללא יוני ברזל), אך תהליך זה איטי למדי. הוספת זרז משנה את מנגנון התגובה לכזה שקל יותר ליישום ולכן מזרז את ההמרה כולה. אז למה הרעיון שהזרז אינו מעורב בתגובה? כנראה בגלל שהוא מתחדש בתהליך ונשאר ללא שינוי בתערובת התוצרים (בניסוי, הצבע הצהוב של יוני Fe(III) מופיע גם לפני התגובה וגם אחריה). אז תזכור את זה הזרז מעורב בתגובה והוא החלק הפעיל.
לבעיות עם H.2O2
4. Catalase מפרק מי חמצן (צינור משמאל), הוספת תמיסת EDTA הורסת את האנזים (צינור מימין)
אנזימים הם גם זרזים, אך הם פועלים בתאים של אורגניזמים חיים. הטבע השתמש ביוני ברזל במרכזים הפעילים של אנזימים שמאיצים תגובות חמצון והפחתה. זה נובע מהשינויים הקלים שהוזכרו כבר בערכיות הברזל (מ-II עד III ולהיפך). אחד מהאנזימים הללו הוא קטלאז, המגן על התאים מפני התוצר הרעיל ביותר של המרת חמצן בתא - מי חמצן. אתה יכול בקלות להשיג קטלז: מועכים תפוחי אדמה ושופכים מים על פירה. הניחו לתרחיף לשקוע לתחתית והשליכו את הסופרנטנט.
יוצקים 5 ס"מ לתוך המבחנה.3 תמצית תפוחי אדמה ומוסיפים 1 ס"מ3 מי חמצן. התוכן מוקצף מאוד, הוא עלול אפילו "לצאת" מהמבחנה, אז נסו אותו על מגש. Catalase הוא אנזים יעיל מאוד, מולקולה אחת של Catalase יכולה לפרק עד כמה מיליוני מולקולות H בדקה.2O2.
לאחר שפיכת התמצית למבחנה השנייה, הוסף 1-2 מ"ל3 תמיסת EDTA (חומצה אדטית נתרן) והתוכן מעורבבים. אם תוסיף כעת זריקה של מי חמצן, לא תראה שום פירוק של מי חמצן. הסיבה היא היווצרות קומפלקס יוני ברזל יציב מאוד עם EDTA (מגיב זה מגיב עם יוני מתכת רבים, המשמשים לקביעתם ולהרחקתם מהסביבה). שילוב של יוני Fe3+ עם EDTA חסמו את האתר הפעיל של האנזים ובעקבות כך השביתו את הקטלאז (4).
טבעת נישואין מברזל
בכימיה אנליטית, זיהוי של יונים רבים מבוסס על היווצרות של משקעים מסיסים בקושי. עם זאת, מבט חטוף בטבלת המסיסות יראה כי אניוני החנקה (V) והניטראט (III) (המלחים של הראשון נקראים פשוט חנקות, והשני - ניטריטים) כמעט אינם יוצרים משקעים.
ברזל (II) סולפט FeSO בא לעזרה בגילוי יונים אלה.4. הכן את הריאגנטים. בנוסף למלח זה, תזדקק לתמיסה מרוכזת של חומצה גופרתית (VI) H2SO4 ותמיסה מדוללת של 10-15% של חומצה זו (היזהר בעת דילול, מזיגת, כמובן, "חומצה למים"). בנוסף, מלחים המכילים את האניונים שהתגלו, כגון KNO3, NaNO3, NaNO2. הכן תמיסת FeSO מרוכזת.4 ותמיסות מלחים של שני האניונים (רבע כפית מלח מומסת בכ-50 ס"מ3 מים).
5. תוצאה חיובית של בדיקת הטבעת.
הריאגנטים מוכנים, הגיע הזמן להתנסות. יוצקים 2-3 ס"מ לשתי צינורות3 פתרון FeSO4. לאחר מכן הוסף כמה טיפות של תמיסת N מרוכזת.2SO4. בעזרת פיפטה, אסוף מנה של תמיסת הניטריט (למשל NaNO2) ושופכים אותו פנימה כך שהוא יזרום במורד הדופן של המבחנה (זה חשוב!). באותו אופן, שפכו פנימה חלק מתמיסת המלח (לדוגמה, KNO3). אם יוצקים בזהירות את שתי התמיסות, יופיעו עיגולים חומים על פני השטח (ומכאן השם הנפוץ לבדיקה זו, תגובת הטבעת) (5). האפקט מעניין, אבל יש לך זכות להתאכזב, אולי אפילו להתמרמר (בכל זאת מדובר במבחן אנליטי? התוצאות זהות בשני המקרים!).
עם זאת, בצע ניסוי נוסף. הפעם מוסיפים H דליל.2SO4. לאחר הזרקת תמיסות ניטראט וניטריט (כמו קודם), תבחינו בתוצאה חיובית רק במבחנה אחת - זו עם תמיסת NaNO.2. הפעם כנראה שאין לכם חששות לגבי התועלת של מבחן הטבעת: התגובה במדיום מעט חומצי מאפשרת הבחנה ברורה בין שני היונים.
מנגנון התגובה מבוסס על פירוק שני סוגי יוני החנקה עם שחרור תחמוצת החנקן (II) NO (במקרה זה, יון הברזל מתחמצן משתי ספרות עד שלוש ספרות). השילוב של יון Fe(II) עם NO הוא בעל צבע חום ונותן לטבעת צבע (זה נעשה אם הבדיקה נעשית נכון, על ידי ערבוב פשוט של התמיסות תקבל רק צבע כהה של המבחנה, אבל - אתה מודה - לא יהיה אפקט כזה מעניין). עם זאת, פירוק יוני החנקה מצריך תווך תגובה חומצי חזק, בעוד שניטריט דורש רק החמצה קלה, ומכאן ההבדלים שנצפו במהלך הבדיקה.
ברזל בשירות החשאי
לאנשים תמיד היה מה להסתיר. הקמת כתב העת גררה גם פיתוח שיטות להגנה על מידע מועבר כזה - הצפנה או הסתרת הטקסט. מגוון דיו סימפטי הומצא עבור השיטה האחרונה. אלו החומרים שעבורם יצרת אותם הכתובת אינה נראיתעם זאת, הוא מתגלה בהשפעת, למשל, חימום או טיפול בחומר אחר (מפתח). הכנת דיו יפה והמפתח שלו אינה קשה. מספיק למצוא את התגובה שבה נוצר מוצר צבעוני. עדיף שהדיו עצמו יהיה חסר צבע, אז הכיתוב שנעשה על ידם יהיה בלתי נראה על מצע של כל צבע.
תרכובות ברזל גם מייצרות דיו אטרקטיבי. לאחר ביצוע הבדיקות שתוארו לעיל, ניתן להציע תמיסות של ברזל (III) ו-FeCl כלוריד כדיו סימפטי.3, אשלגן תיאוציאניד KNCS ואשלגן ferrocyanide K4[Fe(CN)6]. בתגובת FeCl3 עם ציאניד הוא יהפוך לאדום, ועם פרוציאניד הוא יהפוך לכחול. הם מתאימים יותר בתור דיו. פתרונות של thiocyanate ו-ferrocyanideמכיוון שהם חסרי צבע (במקרה האחרון, יש לדלל את התמיסה). הכיתוב נעשה עם תמיסה צהבהבה של FeCl.3 ניתן לראות אותו על נייר לבן (אלא אם כן הכרטיס הוא גם צהוב).
6. מסקרה דו-גוונית טובה
7. דיו חומצה סליצילית סימפטית
הכינו תמיסות מדוללות של כל המלחים והשתמשו במברשת או גפרור כדי לכתוב על הכרטיסים תמיסה של ציאניד ופרוציאניד. השתמש במברשת שונה עבור כל אחד מהם כדי למנוע זיהום של הריאגנטים. כאשר יבש, לבש כפפות הגנה והרטיב את הכותנה בתמיסת FeCl.3. תמיסת ברזל (III) כלוריד מְאַכֵּל ומשאיר כתמים צהובים שהופכים חומים עם הזמן. מסיבה זו הימנעו מהכתמת העור והסביבה בעזרתו (בצעו את הניסוי על מגש). השתמש במקלון צמר גפן כדי לגעת בפיסת נייר כדי להרטיב את פני השטח שלו. בהשפעת המפתח יופיעו אותיות אדומות וכחולות. אפשר גם לכתוב עם שני הדיו על דף נייר אחד, ואז הכיתוב המתגלה יהיה דו-צבעוני (6). אלכוהול סליצילי (2% חומצה סליצילית באלכוהול) מתאים גם כדיו כחול (7).
בכך מסתיים המאמר בן שלושה חלקים על ברזל ותרכובותיו. גיליתם שזהו מרכיב חשוב, ובנוסף הוא מאפשר לערוך ניסויים רבים ומעניינים. עם זאת, אנו עדיין נתמקד בנושא "הברזל", כי בעוד חודש תפגוש את האויב הגרוע ביותר שלו - קורוזיה.
ראה גם:
