LÁTVÁNYOS KÉMIAI KÍSÉRLETEK Kutatók éjszakája

LÁTVÁNYOS KÉMIAI KÍSÉRLETEKLÁTVÁNYOS KÉMIAI KÍSÉRLETEK

Kutatók éjszakájaKutatók éjszakája

Műszaki Anyagtudomány KarKémia Intézet2009. szeptember 25.

Halmazállapot változások

•Párolgás

•Szublimáció

SZILÁRD

szublim

áció

konden

záció

GŐZ/GÁZ kondenzáció

forrás

FOLYADÉK

fagyás

olvadás

A levegő nagy nyomásra összesűrítve, majd kis fúvókán kitágítva erősen lehűl és -200°C-on valamennyi összetevője folyékony állapotba kerül.A folyékony levegő frakcionált desztillációjával a levegő összetevői forráspontjuk alapján elkülöníthetők. Ezt az eljárást alkalmazzák nitrogén, oxigén és nemesgázok előállítására.

Folyékony levegő

Jód szublimációja

A jódkristályok enyhe melegítés hatására szublimálódnak. A jód gőz hideg felületeken apró, csillogó jódkristályok formájában rakódik le.

Szublimálás során a gőztér parciális nyomása a kristályos anyag olvadáspontja előtti hőmérsékleten éri a külső légköri nyomást.

Diszperz rendszerek Diszperz rendszerek csoportosításacsoportosítása

Részecskeméret növekszik

A diszperzitás foka növekszik

~1 nm ~500 nm

Variációk Variációk habokrahabokra

Variációk habokraVariációk habokraMosószer-hab

Az oxigén képződését a kálium-jodid katalizálja.

Hidrogén-peroxid bomlásakor oxigén gáz keletkezik.2H2O2 2H2O + O2

A fejlődő O2 gáz óriási mennyiségű habot fúj.

A mosószer (tenzid) habosításához oxigén gázt állítunk elő hidrogén-peroxidból.

H2O2(aq) + I-(aq) = OI-(aq) + H2O(f)

     H2O2(aq) + OI-(aq) = H2O(f) + O2(g) + I-(aq)

Variációk habokraVariációk habokraMosószer-hab

Variációk habokraVariációk habokra

TojáshabKétszeresére hígított tojásfehérjéhez NaHCO3-ot adunk és lassan, keverés közben felfőzzük. A melegítést még forrás előtt be kell fejezni, hogy a fehérje ne csapódjon ki. Másik kisebb főzőpohárban feloldunk 3 kanál Al2(SO4)3-ot! A két oldatot összeöntjük. A reakció során felszabaduló szén-dioxid kemény habot fúj fel. Az aluminíum-ionok vizes oldatban savasan hidrolizálnak. Savas közegben a hidrogén karbonát-ionok bomlanak és széndioxid szabadul fel:

Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+

3H+ + 3HCO3- ⇌ 3H2CO3 ⇌ 3CO2 + 3H2O

A habosításra ezt a módszert a tűzoltók is alkalmazzák nagyobb mennyiségben tűzoltáskor.

Variációk habokraVariációk habokraTojáshab

Variációk habokraVariációk habokraFekete kígyóNaHCO3-ot keverünk össze porcukorral, majd alkohollal egy pépes elegyet hozunk létre. Égő gyújtópálcával meggyújtjuk az alkoholt! Fekete színű kis „kígyók” bújnak elő a keverékből, amelyek különböző méretűre és vastagságúra növekednek. Miért? Az etil-alkohol égésekor hő szabadul fel, melynek hatására megindul a nátrium- hidrogén-karbonát bomlása és a cukor elszenesedése. A bomláskor felszabaduló CO2 gáz fújja fel a széntartalmú anyagot különböző kígyókhoz, sárkányhoz hasonló alakzatokra.

Variációk habokraVariációk habokra„Füst”, melynek diszperziós közege gáz (a levegő), a diszperziós fázis pedig szilárd (pl. koromszemcsék).A városok szennyezett levegőjében a füst és a köd gyakran jelentkezik együtt. Ezt nevezik szmognak. Kedvezőtlen időjárási helyzetben súlyos problémákat okoz. A levegőszennyezettség, a nagyvárosok felett kialakult füstköd (szmog) kialakulásáért az indusztriális társadalmak ipari és háztartási füstkibocsátása, illetve a gépjárművek kipufogógáza, „füstje” felelős.

Egy „füstölgő” reakcióEgy „füstölgő” reakcióPorcelántálban összekeverünk meghatározott mennyiségű ammónium-nitrátot, ammónium-kloridot és cinkport. 3-4 csepp víz hozzáadásával elindítjuk a reakciót. A reakció igen hevesen játszódik le, melyet láng, és füstképződés követ.Az ammónium-nitrát bomlását a kloridionok katalizálják.

NH4NO3(sz) =N2O(g) + 2H2O(g)A reakció exoterm, a keverék felmelegszik. Az NH4NO3 olvadáspontja alacsony (170 0C), ezért hamarosan megolvad, majd megindul a cink oldódása és oxidációja is.Zn(sz) + NH4NO3(sz) = N2(g) + ZnO(sz) + 2H2O(g)

∆H=-466,5 kJ/molA láng a viszonylag nagy reakcióhő miatt keletkezik, a szilárd cink-oxid egy részét a képződő gáz elfújja, ez okozza a fehér füstöt.

Egy füstölgő reakcióEgy füstölgő reakció

Kísérletek természetes indikátorokkal

Kék vagy lila színű virág sósavgőztől piros lesz, ammónia gőzök hatására visszanyeri kék színét.

A legtöbb kék, lila virág- és gyümölcsszínt hasonló szerkezetű vegyületek okozzák (antociánok). Ezek színe pH függő.

Cianidin (vörös) Delfinidin (kék)

Indikátorok

A vöröskáposzta levében a sejthártyák főzés hatására felszakadnak, így oldatba jut a növény jellemző színét adó antocián festékanyag.

Ezek indikátor jellege abból adódik, hogy pH változással megváltozik az elektronszerkezetük, minek következtében más lesz a fénnyel szembeni viselkedésük.

Reakció indikátorral

Vízzel félig telt üvegtálba kérgétől megtisztított káliumdarabkát teszünk. A kálium heves reakcióba lép a vízzel, a víz felszínén ide-oda szaladgál, meggyullad.

A kálium, mint erősen pozitív fém a vizet hevesen bontja hidrogénfejlődés közben. A hidrogénbuborékok a fémet mozgatják a víz felszínén. A keletkező KOH-t fenolftalein indikátorral mutatjuk ki.

2 K + 2 H2O = 2 KOH + H2

Elektromos írás I.Elektromos írás I.Mártsunk fenolftaleint tartalmazó NaCl-oldatba egy szűrőpapír lapot, majd helyezzük egy fémlemezre. A fémlemezt elektromos vezeték segítségével kössük össze a laposelem pozitív sarkával. A negatív sarkához, vezeték és krokodilcsipesz segítségével, egy szöget kapcsoljunk. A kísérlet sikere érdekében különösen figyeljünk az elektromos érintkezésekre.A vasszöget a nedves papírhoz érintjük, akkor az lila színű nyomot hagy. Ha lassan húzzuk, akkor akár írni is lehet vele. A keletkező hidroxid-ionok koncentrációjának növekedését jelző fenolftalein lila színe lesz a "tinta".Katód: 2H2O +2e- = H2 + OH-

Anód:2Cl- – 2e- = Cl2

Elektromos írás II.Elektromos írás II.Az előző összeállításhoz képest az a különbség, hogy a szűrőpapírt keményítőt tartalmazó kálium-jodid oldatba mártjuk. A zsebtelep polaritását meg kell fordítanunk, mert most az anódon kiváló jód miatt fog az írás a papíron megjelenni.

Katód: 2H2O +2e- = H2 + OH-

Anód:2I- – 2e- = l2

ANÓD KATÓD

KI-oldat, amiben K+, I-, H3O+ és OH- ionok vannak

Elektromos írás III.Elektromos írás III.

Elektronok

A I- -ion az anódon leadja elektronját A H3O+ -ion a katódon

felvesz egy elektrontH2O + H2O ⇌ H3O+ + OH-

H3O+ eltávozik

OH- :

felhalmozódik

Világító uborkaVilágító uborkaHa egy kovászos vagy sósvizes uborkába két elektródot szúrunk, majd fokozatosan egyre növekvő váltóáramot kapcsolunk rá egy transzformátor segítségével, akkor egy bizonyos értéknél a savanyított uborkában levő nátriumionok gerjesztődnek és nátriumlámpák jellegzetes sárga színét látjuk, az uborka elkezd világítani. Egyes atom-spektroszkópiai módszerek ugyanezen az elven alapulnak.

Vigyázat! A nagy feszültségű elektromos áram veszélyes, csak megfelelő óvatossággal dolgozhatunk!

Zöld lángZöld lángLángszínezést már a XVIII. század közepén alkalmaztak a nátrium- és a kálium sók megkülönböztetésére. A zöld láng különleges, a bór atom jelenlétére utalhat. Igaz, van más elem is, amely hasonló jelenséget válthat ki. Az ortobórsav (H3BO3) alkohollal könnyen képez észtereket.Az egyensúly jobbra tolható néhány csepp tömény kénsavval. A kénsav a folyamatot katalizálja, és dehidratáló szerepe van.

H3BO3 + 3 CH3OH = B(OCH3)3 + 3 H2OA keletkező észter illékony és a metil-alkohollal együtt meggyújtható. A láng a bórra jellemző zöld színű lesz.

Villogó alkoholVillogó alkoholAlkoholok és mangán(VII)-oxid reakciójaAlkoholok és mangán(VII)-oxid reakciója

A kálium-permanganát (”hipermangán“) rendkívül erős oxidálószer. Tömény kénsav hatására olajos, zöld színű mangán(VII)-oxid képződik belőle, amely a szerves anyagokat spontán meggyújtja. A kísérletben a tömény kénsavra óvatosan metanolt rétegezünk és ebbe szórunk néhány kristály kálium-permanganátot. A képződő mangán(VII)-oxid a két réteg határfelületén villanások kíséretében oxidálja az alkoholt:

2 KMnO4 + H2SO4 = K2SO4 + Mn2O7 + H2O

Mn2O7 + CH3OH = 2 MnO2 + CO2 + 2 H2O

LumineszcenciaLumineszcenciaAz élő szervezeteken belüli fénysugárzással járó reakciók esetében biolumineszcenciáról beszélünk. Ezen alapul sok alacsonyabb rendű élőlény fénykibocsátása. Ismerünk lumineszkáló baktériumokat, gombákat, egysejtűeket, hidrákat, férgeket, szivacsokat, korallokat, medúzákat, rákokat, kagylókat, csigákat, tintahalakat, soklábúakat és rovarokat.

szentjánosbogár

kristálymedúza

Tengeri „kopoltyús”

csiga

világító szemű béka

Kétszínű kemilumineszcenciás Kétszínű kemilumineszcenciás reakcióreakció

Magyarázat:A piros fény a pirogallol és a formaldehid oxidációja közben képződő atomos oxigénnek tulajdonítható.A kék fény a luminol oxidációját kíséri, az oxidálószer a hidrogén-peroxid. A képződő hő elősegíti a luminol átalakulását.A luminol fénykibocsájtása a következő átalakulással magyarázható:

Reakciót kísérő hőváltozásokEndoterm reakció:

Szilárd, kristályos bárium-hidroxid és szilárd ammónium-nitrát reakciója során erős lehűlést tapasztalunk, a levegő páratartalma ráfagy a lombik falára.

Ba(OH)2.8H2O(sz) + 2NH4NO3(sz) =

Ba(NO3)2(sz)+2NH3(aq)+10 H2O(f)∆H = + 63,6 kJ/mol

A mérések szerint -20°C-os hőmérséklet is elérhető így.

Az önként végbemenő folyamat csökkenő szabadenergia változását az entrópia növekedése ellenére az entalpia nagy negatív értéke biztosítja.

Reakciót kísérő hőváltozásokEndoterm reakció:

Vulkán a tanteremben

(NH4)2Cr2O7 = N2+Cr2O3+4H2O

Kiindulási anyagunkban egy molekulán belül van az oxidálószer és a redukálószer, így az átalakulás nem egyszerû hőbomlás, hanem redoxifolyamat is. A nitrogénatom oxidációs száma  -3-ról 0-ra nőtt, vagyis oxidálódott, a brómatomé pedig  +6-ról  +3-ra csökkent, vagyis redukálódott. A végtermék, a laza szerkezetû, zöld anyag, a dikróm-trioxid. A bomlás exoterm folyamat, ezért szikrázás közben megy végbe, a képődő víz gőz állapotban eltávozik.

Exoterm reakciók Termit reakció

Vas(III)-oxid és finom alumínium por keverékét konzerdobozba tesszük, majd ennek közepébe gyújtókeveréket szórunk. A gyújtókeveréket Mg-szalaggal meggyújtjuk.

2 Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2 Fe

A reakció igen heves, magas láng csap ki, a hőmérséklet kb. 2500 °C.

Reakció gumicukorral

Melegítés hatására a nátrium-klorát oxigénfejlődés közben bomlik. A keletkező oxigén és glükóz reakciója során nagy mennyiségű hő szabadul fel.

A BZ-reakció kémiája A Belouszov-Zsabotyinszkij (BZ) folyamat nem más, mint

savas közegben lejátszódó bromát-bromid reakció, melyben a brómtartalmú reakciópartnerek sorozatos, kételektronos oxidációs-redukciós lépésekben oxigént

cserélnek. A folyamat végterméke az elemi bróm: BrO3- + Br - + 2 H+ —> HBrO2 + HOBr [R3] HBrO2 + Br - + H+ —> 2 HOBr [R2] HOBr + Br - + H+ —> Br2 + H2O [R1]„A” folyamat: BrO3- + 5 Br - + 6 H+ —> 3 Br2 + 3

H2O [A] = [R3]+[R2]+3[R1]

--------------------------------------------------------------------------------A „B” folyamat a Ce3+-ion savas oldatbeli oxidációja.

BrO3- + HBrO2 + H+ —>2 BrO2 + H2O [R5]

BrO2 + Ce3+ + H+ —> HBrO2 + Ce4+ [R6]

2 HBrO2 —> BrO3- + HOBr + H+ [R4]

„B” folyamat: BrO3- + 4 Ce3+ + 5 H+ —> HOBr + 4 Ce4+ + 2 H2O

[B] = 2[R5]+4[R6]+[R4]

http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

Az „A” és „B” folyamat tulajdonképpen a bromát hatékony brómozó reagensekké (Br2 és HOBr) való átalakítása eltérő, alternatív utakon. Ezek a brómozó reagensek a malonsavat

(MA) bróm-malonsavvá (BrMA) alakítják át:

Br2 + MA —> BrMA + H+ + Br - [R8a]

HOBr + MA —> BrMA + H2O [R8b]

A „C” folyamatban a Ce4+ -ion (hipobrómossav jelenlétében) a következő sztöchiometriai egyenletek szerint oxidálja a

szerves savakat és brómozott származékaikat :

6 Ce4+ + MA + 2 H2O + HOBr —> 6 Ce3+ + 3 CO2 + 7 H+ + Br - [R9]

4 Ce4+ + BrMA + 2 H2O + HOBr —> 4 Ce3+ + 3 CO2 + 6 H+ + 2Br - [R10]

A MA (és BrMA) hatása kettős: fogyasztja a brómatomokat, de ugyanakkor bromidion-forrás. http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

A BZ-reakció kémiája

Az FKN-mechanizmus szerint a BZ-reakció oszcillációs viselkedésének oka az "A" és "B" folyamatok közötti versenyben keresendő. Lényegében a bromidion és a brómossav (két aktív köztitermék) verseng a savas bromáttal való reakcióért. Így, amikor bromidion van feleslegben, a HBrO2 koncentrációja nagyon lecsökken, és a bromátionok a „A” folyamat szerint redukálódnak (a „termék” Br2); amikor pedig a HBrO2 van feleslegben, akkor a Br- koncentrációja csökken le az [R2] reakcióban, s így a bromátionok a „B” folyamat szerint redukálódnak (a „termék” HOBr).

Kiinduláskor sok bromidion van jelen, ezért az „A” folyamat dominál, vagyis a koncentrációjuk csökken. Amint azonban a bromidionok koncentrációja egy kritikus érték alá csökken, a HBrO2 koncentrációja az autokatalitikus „B” folyamatban exponenciálisan növekszik. A Br- koncentráció végül olyan kicsi lesz, hogy az „A” folyamat gyakorlatilag leáll. Rövidesen a „B” reakció is leáll, mert elfogy a redukált fémion. Eközben a fémion oxidált formája a szerves anyaggal reagálva („C” folyamat) bromidionokat tesz szabaddá. Ha ezek koncentrációja a kritikus koncentráció fölé nő, akkor a „B” folyamat leáll, és újból az „A” folyamat lesz domináns. Így a ciklus elölről kezdődik.

http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

A BZ-reakció kémiája

KÖSZÖNJÜK A FIGYELMET!További jó szórakozást

kívánunk!

http://www.uni-miskolc.hu/home/web/wwwkoh/www/hun/kemiai_int/index.html