Chemia z kompleksami
Doświadczenie 1
Do pojemnika na mocz włóż miedzianą mufkę (ze sklepu z artykułami wodno-kanalizacyjnymi) i zalej ją 40 ml 10-procentowego octu i 40 ml wody utlenionej. Odstaw na dobę, a gdy barwa roztworu zmieni się na niebieską, odlej po 10 ml do trzech nowych pojemników (A, B i C). Weź najpierw A i B. Do A dodaj 10 ml gliceryny (85-procentowy roztwór z apteki), do B – łyżeczkę węglanu amonu (tzw. amoniak do ciast). Zawartość obu pojemników dokładnie wymieszaj plastikową łyżeczką. Następnie w osobnym pojemniku ostrożnie rozpuść w 30 ml wody 3 łyżeczki granulek środka do udrożniania rur, zawierającego NaOH (uwaga! substancja żrąca, użyj rękawiczek), i rozlej po 10 ml tego roztworu do pojemników A, B i C.
Wyjaśnienie: W środowisku utleniającym (woda utleniona) ocet łatwo reaguje z miedzią, tworząc sól – octan miedzi(II). Jon miedzi(II) otacza się sześcioma cząsteczkami wody, tworząc kompleksowy jon heksaakwamiedzi(II), a roztwór przybiera niebieską barwę. W naczyniu B jony amonowe NH4+, powstałe po rozpuszczeniu węglanu amonu, umożliwiają wytworzenie stabilniejszego kationu tetraaminaakwamiedzi(II) – zmieniając barwę roztworu na szafirową. W naczyniu A zmiana barwy następuje dopiero po dodaniu do roztworu NaOH. Powstaje wtedy kompleks gliceryny z jonami miedzi o barwie granatowej. W przypadku naczynia C dodanie NaOH do roztworu octanu miedzi(II) spowodowało wytrącenie się niebieskawego osadu wodorotlenku miedzi. Nic takiego nie zaobserwujemy ani w roztworze B, ani C. Zachodzi tu bowiem reakcja maskowania – związki kompleksowe utrudniają wytrącanie się osadów, a zatem przebieg niektórych reakcji chemicznych oraz analizę jakościową, umożliwiającą rozpoznawanie jonów po osadach.
Doświadczenie 2
Wykorzystaj wywar z gotowania czerwonej kapusty lub napar np. z owoców głogu i wlej po 10 ml wybranego płynu do dwóch pojemników na mocz. Do obu dodaj 3–4 łyżeczki octu, a do jednego z nich – 1–2 łyżeczki roztworu soli żelaza(III) (możesz go otrzymać, gdy do roztworu octanu miedzi(II) z doświadczenia 1 wrzucisz kilka żelaznych gwoździ; po tygodniu roztwór zmieni barwę z niebieskiej na czerwonobrązową i będzie gotowy do użycia).
Wyjaśnienie: Antocyjanidyny (i ich cukrowe pochodne – antocyjany) barwią liście czerwonej kapusty, owoce malin, jeżyn czy płatki np. hortensji ogrodowej, znanej z tego, że kolorem jej kwiatów można sterować. Wbrew obiegowej opinii rośliny nie reagują na zmianę pH podłoża (choć same antocyjany mają taką własność), lecz pobierają i gromadzą w płatkach sole żelaza lub glinu, składniki nawozów barwiących. Kationy tych metali tworzą niebieskofioletowe związki kompleksowe z antocyjanami nawet w kwaśnym środowisku, w którym barwniki te są zwykle różowe. Takie kompleksy naturalnie pojawiają się także w granatowej skórce jagód. Za powstawanie kompleksów z jonami metali odpowiada pierścień aromatyczny zawierający dwie położone obok siebie grupy hydroksylowe.
Doświadczenie 3
Cztery czy pięć łyżek zmielonej zielonej kawy zalej 100 ml wrzątku i parz pod przykryciem przez 20 min. Po całkowitym wystygnięciu nanieś kilka kropli naparu na biały talerzyk i dodaj do niego podobną objętość roztworu soli żelaza(III). Rozmieszaj wykałaczką.
Wyjaśnienie: Parząc zieloną kawę, uwalniamy do wody m.in. znany z własności prozdrowotnych zielonkawy kwas chlorogenowy. Łatwo tworzy on z jonami żelaza nierozpuszczalny w wodzie kompleks barwy szarogranatowej.
Doświadczenie 4
Na biały talerzyk nanieś kilka kropli zakupionego w aptece alkoholowego roztworu kwasu salicylowego i rozmieszaj wykałaczką z podobną objętością roztworu soli żelaza(III).
Wyjaśnienie: Kwas salicylowy tworzy z jonami żelaza(III) skomplikowany jon o charakterystycznej fioletowej barwie, co jest wykorzystywane do ilościowego oznaczania i standaryzacji dawek np. kwasu acetylosalicylowego w lekach lub diagnozowania przedawkowania salicylanów, wykrywanych w moczu.
dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH
dr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ
***
Uwaga! NaOH jest żrący, sole żelaza i miedzi umiarkowanie toksyczne. Nie należy ich spożywać, należy unikać kontaktu ze skórą i oczami. Doświadczenia należy wykonywać w rękawiczkach i okularach ochronnych. Dzieci powinny przeprowadzać doświadczenia pod opieką dorosłych.
***
Zestaw przyrządów i materiałów
pojemniki na mocz, plastikowa łyżeczka, ocet spirytusowy 10%, woda utleniona, spirytus salicylowy, gliceryna 85%, granulki do udrożniania rur kanalizacyjnych, miedziana mufka, żelazne lub stalowe gwoździe, amoniak do ciast, wykałaczki, herbata owocowa, czerwona kapusta, zmielona zielona kawa, wykałaczka, rękawiczki i okulary ochronne
Niewliczone w cenę: czajnik, talerz
Czas przygotowania: 3 godz. plus czas oczekiwania na wynik doświadczenia
Koszt: 60 zł
***
Wiedza w pigułce
Kwasy, sole i zasady mogą łączyć się ze sobą w złożone struktury – związki kompleksowe. Dzieje się tak, gdy niektóre atomy użyczają innym parę elektronów, ale nie chcą ich oddać na stałe. Zmusza to oba atomy (a także zawierające je związki chemiczne) do pozostawania w bezpośrednim sąsiedztwie – zupełnie tak, jakbyś pożyczył na chwilę telefon od nieznajomego na ulicy, który raczej nie pozwoli ci się z nim zanadto oddalić.
Związki kompleksowe mają wiele zastosowań. Na przykład oczyszczanie niklu bazuje m.in. na wytwarzaniu jego unikalnych kompleksów z tlenkiem węgla, co pozwala uzyskać czystość tego metalu po wytopieniu z rudy na poziomie ponad 99,99%! Taki proces znacznie usprawnił wydobycie i produkcję niklu z nastaniem XX w. Z kolei złoto, niezwykle bierny chemicznie metal, wydobywane jest z wykorzystaniem cyjanku sodu, tworzącego rozpuszczalny w wodzie, łatwy do wypłukania z rudy kompleks. Tak odzyskuje się też śladowe ilości złota ze zużytego sprzętu elektronicznego, np. z komputerów. Niestety co kilka lat zdarzają się katastrofy ekologiczne spowodowane wyciekiem cyjanku, np. z 2000 r. w Baia Mare. Toksyczny wpływ cyjanków także jest skutkiem tworzenia związków kompleksowych z jonami żelaza(II), występującymi w organizmach zwierzęcych, np. w hemoglobinie czy w wielu enzymach umożliwiających pozyskiwanie energii podczas oddychania komórkowego. Odtrutką na zatrucie cyjankami są sole żelaza, które tworzą z nimi trwałe nietoksyczne żelazocyjanki. Takie żelazocyjanki zawojowały w XVIII w. świat pod postacią barwnika (błękitu pruskiego) do farbowania mundurów żołnierzy pruskiej armii.
Barwne związki kompleksowe wykorzystywane są niekiedy przez filmowców, by tworzyć efektowne ujęcia bohaterów broczących krwią po „cięciach” nożem. Mieszają oni roztwór jonów żelaza(III) z rodankami, dzięki czemu otrzymują intensywną ciemnoczerwoną barwę.
Prawdziwa krew z kolei jest po pobraniu mieszana z chelatorami, które wiążąc jony wapnia i tworząc z nimi bardzo trwałe kompleksy, zapobiegają krzepnięciu. Takie pułapki na wapń i magnez (jest nią np. EDTA) znajdziemy też w proszkach do prania, gdyż obniżają w ten sposób twardość wody, ułatwiając działanie detergentom.
***
Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.