Kolorowe przemiany

Doświadczenie 1

Potrzebna będzie sól miedzi. Można wykorzystać octan miedzi, który otrzymasz, długo gotując kawałek miedzianego drutu lub miedziane gwoździe w occie. Zielonkawy roztwór wlej do dwóch słoików po przecierze. Do jednego wrzuć kilka żelaznych gwoździ i oba naczynia zakręć. Przez kolejne 7–14 dni porównuj barwę obu roztworów.

Wyjaśnienie: Żelazo jako metal bardziej reaktywny (w elektrochemii nazywany metalem o niższym potencjale normalnym) wypiera miedź z jej soli, dlatego w pojemniku z gwoździami barwa zmienia się z zielonej na czerwonobrązową – powstaje octan żelaza. Na dnie można natomiast dostrzec odkładającą się miedź.

Doświadczenie 2

Wyjmij tłok ze strzykawki o pojemności 10 ml i do środka włóż żelazny gwóźdź. Zamocuj tłok. Nabierz 6–7 ml czerwonobrązowego roztworu octanu żelaza z doświadczenia 1 (gwóźdź powinien być zanurzony). Usuń ze strzykawki jak najwięcej powietrza. Jej otwór zatkaj sporą ilością plasteliny, aby był szczelny. Poczekaj około tygodnia.

Wyjaśnienie: Roztwór zmienia barwę z czerwonej na jasnożółtą, niemal bezbarwną. To skutek redukcji jonów żelaza Fe³⁺ do Fe²⁺.

Doświadczenie 3

Do kieliszka dodaj po 3 ml roztworu octanu żelaza(II) z doświadczenia 2, a także 2–3 krople wody utlenionej i całość zamieszaj. Oceń barwę roztworu. Następnie dodaj rozgniecioną tabletkę witaminy C (min. 60 mg) i rozpuść ją w roztworze.

Wyjaśnienie: Dodatek czynnika utleniającego (H₂O₂) powoduje utlenienie żelaza(II). Powstające jony Fe³⁺ zabarwiają roztwór na czerwonobrązowo, a po chwili zachodzi także intensywne wydzielanie tlenu. Bezpośrednim produktem tej reakcji, zwanej reakcją Fentona, są rodnikowe, reaktywne formy tlenu, które mogą utleniać i niszczyć np. związki organiczne (w tym toksyny, pozostałości leków). Dlatego reakcja ta bywa wykorzystywana w oczyszczaniu ścieków silnie zabrudzonych materią organiczną. Z kolei askorbinian (witamina C) redukuje jony Fe³⁺ do Fe²⁺, powodując zanik czerwonobrązowej barwy.

Doświadczenie 4

W jednym słoiku po przecierze umieść 3 ml roztworu octanu żelaza(III) z doświadczenia 1, a w drugim – 3 ml roztworu octanu żelaza(II) z doświadczenia 2. Zachowaj szczególną ostrożność! Włóż gumowe rękawiczki i okulary ochronne (mogą być przeciwsłoneczne). W osobnym słoiku rozpuść w 5 ml wody kilka granulek środka do udrożniania rur, który zawiera NaOH. Gdy się rozpuszczą, dodaj kilka kropel roztworu do każdego z roztworów soli żelaza. Obserwuj barwę cieczy w kieliszkach przez kolejne 14 dni. Co drugi dzień przykładaj do ścianek słoików magnes.

Unikaj kontaktu roztworów ze skórą. W razie zabrudzenia się opłucz narażone miejsce dużą ilością wody.

Wyjaśnienie: NaOH to silnie alkaliczny związek, w którego obecności z soli żelaza(II) wytrąca się osad sinoniebieskiego wodorotlenku żelaza(II), czyli Fe(OH)₂. Jednak w reakcji z solami żelaza(III) trwałym produktem nie jest wodorotlenek, ale pomarańczowy hydroksytlenek żelaza – FeO(OH) – który z czasem rozkłada się, tworząc tlenek Fe₂O₃ o czerwonobrązowej barwie kojarzonej z krwią (hematyt, ale także ochry). Oba są składnikami rdzy. Przy ograniczonym dostępie tlenu Fe(OH)₂ także się rozkłada (m.in. reakcja Schikorra), tworząc czarny tlenek Fe₃O₄. W obecności tlenu jego barwa może być częściowo zamaskowana przez powstający FeO(OH), ale Fe₃O₄ można łatwo wykryć – jego drobiny przyciąga magnes, którego częstym składnikiem jest właśnie ten związek.

Doświadczenie 5

Na biały talerzyk nanieś sporą kroplę roztworu octanu żelaza(III) z doświadczenia 1. Obok nanieś kroplę naparu z kory dębu (zakupionej w aptece). Oceń ich barwę. Plastikową łyżeczką zmieszaj oba płyny i porównaj barwę. Powtórz doświadczenie, wykorzystując napar herbaty.

Wyjaśnienie: Wywar z kory dębu zawiera taniny, które tworzą z jonami Fe³⁺ stabilne kompleksy o granatowej barwie. Ich obecność można wykryć także w herbacie, choć ich zawartość jest o wiele niższa. Tym niemniej mogą tworzyć się także w przewodzie pokarmowym, ograniczając wchłanianie żelaza. Granatowy barwnik był stosowany jako substytut atramentu.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH

mgr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

miedziany drut lub miedziane gwoździe, małe żelazne gwoździe, 10-procentowy ocet, słoiki po przecierze pomidorowym, strzykawka (10 ml), plastikowy talerzyk, plastikowa łyżeczka, czarna herbata, kora dębu, woda utleniona, witamina C (60 mg), plastelina, środek do udrożniania rur

Niewliczone w cenę: magnes, czajnik elektryczny, kieliszek

Czas przygotowania: 3 godz. (obserwacje 14 dni)

Koszt: 40 zł

***

Wiedza w pigułce

Żelazo silnie wpłynęło na rozwój ludzkości – nie tylko pod względem technologicznym, ale nawet duchowym. Ochry, żółto i czerwono zabarwione ziemie, zawierające m.in. związki żelaza, posłużyły do wykonania malowideł naskalnych w Lascaux już w paleolicie, a i obecnie ochry pokrywają ciała Indian, afrykańskich Himba czy australijskich Aborygenów, podkreślając przynależność plemienną lub ich status.

Ciemnoczerwony hematyt (Fe₂O₃) kojarzono z krwią i nie bez powodu – nasze ciała zawierają 4–6 g żelaza (0,008% masy ciała), z czego 2/3 krąży właśnie we krwi jako składnik przenoszącej tlen hemoglobiny. Ale obecny w niej zawierający żelazo hem jest istotny także w oddychaniu komórkowym – bez niego enzymy tego szlaku przestałyby działać. Nie mielibyśmy też usuwających niebezpieczne reaktywne formy tlenu katalaz i peroksydaz. A bez magazynującej tlen mioglobiny nasze mięśnie szybko by się męczyły i słabły – to właśnie białko zabarwia płyn wyciekający z rozmrażanego mięsa.

Zgromadzone w ciele zasoby żelaza są wydajnie (nawet do 90%) wykorzystywane powtórnie, dlatego dziennie potrzebujemy go niewiele (do 18 mg). Jednak dla mieszkańców wielu krajów (np. Kambodży) nawet taka ilość nie jest dostępna. Rozwiązaniem jest gotowanie potraw razem z kawałkiem… metalu, który suplementuje posiłek w niezbędne żelazo.

Związki żelaza uwalniają się i rozpuszczają w wodzie szczególnie łatwo w atmosferze beztlenowej, dlatego sądzi się, że prekambryjskie morza były wręcz oliwkowe od jego obecności. Prawdopodobnie dopiero tlen, którego produkcję rozpoczęły sinice ponad 2 mld lat temu, spowodował wytrącanie się barwnych tlenków i krzemianów żelaza, co zmieniło barwę mórz i przyczyniło się do powstania znanych dziś bajecznie kolorowych wstęgowych rud żelazistych. Te same tlenki barwią także młodsze laterytowe ziemie Madagaskaru (Czerwonej Wyspy), powierzchnię odległego Marsa i… zardzewiałe sprzęty. Z powstawaniem tlenków i wodorotlenków żelaza (których do dziś poznano kilkanaście) nie tylko się walczy. Wiele z nich to cenne barwniki do żywności, składniki tuszu do tatuaży, a nawet katalizatory w syntezie chemicznej.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.