Jak dwie strony tej samej monety

Doświadczenie 1

Rozpuść ok. ¼ tabletki zakupionego w aptece kalium hypermanganicum (nadmanganianu potasu, KMnO₄) w kieliszku wody. Drugi kieliszek napełnij w ¾ wodą i dodaj szczyptę granulek środka do udrożniania rur kanalizacyjnych (zawiera NaOH) oraz ok. ¼ łyżeczki glukozy. Strzykawką wprowadź do pierwszego kieliszka 1–2 ml roztworu KMnO₄ i szybko rozmieszaj w celu uzyskania jednorodnej barwy. Obserwuj 5 min. Powtórz doświadczenie z różnymi stężeniami cukru.

Wyjaśnienie: KMnO₄ jest silnym utleniaczem (stopień utlenienia manganu może obniżyć się z VII do VI, IV lub II), powodującym utlenienie np. glukozy (będącej aldehydem) do kwasu glukonowego. Związki manganu na różnych stopniach utlenienia charakteryzują się różnymi barwami – roztwór zmienia barwę od fioletowej (KMnO₄) do żółtobrązowej (tlenek manganu(IV), MnO₂). Im wyższe stężenie cukru, tym szybciej przebiega ta widowiskowa reakcja, określana mianem chemicznego kameleona. Utleniające własności KMnO₄ wykorzystuje się do odkażania powierzchni (działa bakterio- i grzybobójczo).

Doświadczenie 2

Zawartość płynu do ondulacji (ok. 75 ml) przelej do butelki po soku owocowym o pojemności 250 ml. Szklankę napełnij 75 ml wody i rozpuść w niej odrobinę indygokarminu (barwnik spożywczy E132, do kupienia w sklepach z artykułami cukierniczymi). Barwa roztworu ma być błękitna, ale oglądany pod światło roztwór musi być na tyle przejrzysty, aby dało się rozróżnić widoczne za nim obiekty. Przelej zabarwioną wodę do butelki z płynem do ondulacji, zakręć i porządnie rozmieszaj. Odczekaj 5–10 min i oceń barwę roztworu. Jeszcze raz zamieszaj roztwór i ponownie oceń barwę. Dodaj utrwalacz i po odczekaniu ponownie zamieszaj i oceń barwę roztworu.

Wyjaśnienie: Ten zupełnie nowy wariant reakcji tzw. niebieskiej butelki (zwykle roztworu glukozy, błękitu metylenowego i NaOH) wykorzystuje tioglikolan (siarkowa pochodna kwasu hydroksyoctowego), zawarty w płynie do trwałej ondulacji, który dzięki obecności grup tiolowych (-SH) jest silnym reduktorem. Utleniona postać indygokarminu jest niebieska, natomiast zredukowana (tzw. leuko-indygokarmin) – żółta (taką barwę roztwór przyjmuje po kilku minutach). Leuko-indygokarmin łatwo wchodzi w reakcję z tlenem z powietrza (niebieska warstewka cieczy przy powierzchni), co wyraźnie widać po zmieszaniu roztworu. Dodanie H₂O₂, zawartego w utrwalaczu, powoduje utlenienie indygokarminu i nieodwracalny zanik barwy. Keratyny, białka włosów, zawierają reszty aminokwasów z grupami -SH, które mogą ze sobą reagować, tworząc po utlenieniu mostek dwusiarczkowy (-S-S-), „spinający” odrębne łańcuchy keratyn i nadający włosom stabilną formę. Aby ją zmienić i nakłonić włos do skręcenia się w powabny loczek, mostki -S-S- muszą być zerwane – zredukowane przez tioglikolan. Rozluźnioną strukturę włosa można utrwalić w nowej konfiguracji dzięki utrwalaczowi.

Doświadczenie 3

Do doświadczenia konieczna jest sól miedzi(II), np. chalkantyt (CuSO₄) lub octan miedzi, który można przygotować w domu poprzez długotrwałe gotowanie miedzianego drutu w niewielkiej objętości octu aż do uzyskania zielonkawej barwy roztworu. Do doświadczenia wystarczy roztwór o ledwie widocznym zabarwieniu (ok. 2%). Ostudzony i przefiltrowany roztwór podziel na 2 części po ok. 25 ml i przelej do butelek po soku owocowym. Do jednej butelki dodaj łyżkę glukozy, do drugiej – łyżkę sacharozy i rozmieszaj do rozpuszczenia. Do obu próbek dodaj po kilkanaście granulek środka do udrożniania rur kanalizacyjnych, czyli NaOH (zmiana barwy na ciemnoniebieską). Obie butelki należy ostrożnie podgrzewać na płycie grzejnej i ocenić barwę pojawiającego się osadu.

Wyjaśnienie: Ta reakcja ma bardzo praktyczne zastosowanie – służy do identyfikacji cukrów redukujących i była wykorzystywana w analizie laboratoryjnej (np. próba Trommera czy Fehlinga). Na początku XX w. stosowano ją do wykrywania glukozy w moczu. Wodorotlenek miedzi(II), Cu(OH)₂ (wytrącony z soli miedzi(II) wskutek alkalizacji roztworu poprzez dodanie NaOH), reaguje z wolną grupą aldehydową glukozy, która ulega utlenieniu do kwasu glukonowego, redukując Cu(II) do Cu(I). Natomiast sacharoza nie reaguje w tych warunkach z powodu braku wolnej grupy aldehydowej (glukoza łączy się tą grupą z grupą ketonową fruktozy). Ogrzanie roztworu powoduje wytrącanie się tlenków miedzi. W przypadku roztworu sacharozy reakcja przebiega następująco: Cu(OH)₂ → CuO + H₂O (tlenek miedzi(II), czarny osad). W przypadku roztworu glukozy dodatkowo zachodzi także reakcja: 2CuOH → Cu₂O + H₂O (tlenek miedzi(I), rudoczerwony osad). Uwaga, przy nadmiarze Cu(OH)₂ w stosunku do glukozy może się zdarzyć, że wytrąci się najpierw osad Cu₂O, a następnie CuO, co może utrudniać obserwację. Wtedy powtórz doświadczenie, używając rozcieńczonego roztworu soli miedzi lub zwiększając ilość cukru.

dr hab. Renata Szymańska
Katedra Fizyki Medycznej i Biofizyki AGH

mgr Paweł Jedynak
Zakład Fizjologii i Biochemii Roślin WBBiB UJ

***

Zestaw przyrządów i materiałów

szklane butelki po soku owocowym, miedziany drut, ocet, chalkantyt, nadmanganian potasu, indygokarmin (indygotyna, E132), środek do udrożniania rur (zawierający NaOH), sacharoza, glukoza, strzykawka, płyn do trwałej ondulacji i utrwalacz

Niewliczone w cenę: kieliszki, łyżeczki, szklanka, kuchenka gazowa/płyta grzejna

Szacunkowy koszt: 55 zł

Czas przygotowania: 2 godz.

***

Wiedza w pigułce

W świecie reakcji redoks walutą są elektrony, którymi atomy pierwiastków wymieniają się między sobą, dążąc do uzyskania najbardziej optymalnego dla siebie stanu. Gdy atom w trakcie reakcji oddaje elektrony, to ulega utlenieniu, a chemik może opisać tę zmianę jako wzrost tzw. stopnia utlenienia. I odwrotnie, gdy atom przyjmuje elektrony, stopień utlenienia spada (następuje redukcja).

Stopień utlenienia pierwiastka w danym związku można wyliczyć, wiedząc, że sumaryczny stopień utlenienia całego związku wynosi zero (lub jest równy jego ładunkowi), każdy atom tlenu zwykle wnosi –II, natomiast dla każdego atomu wodoru przypisuje się wartość +I (dlatego stopień utlenienia atomu siarki w H₂SO₄ wynosi VI).

Redukcja związków chemicznych pozwala niejako gromadzić energię (np. podczas fotosyntezy), którą można następnie wykorzystać, gdy te same związki zostaną utlenione (oddychanie komórkowe). Jednak utlenianie niekoniecznie musi mieć coś wspólnego z tlenem. Wiele enzymów katalizuje utlenianie związków, odcinając z nich… atomy wodoru, co często wymusza powstawanie wiązania podwójnego, czego przykładem może być utlenianie etanolu do aldehydu octowego przez dehydrogenazę alkoholową (z łac. hydrogenium – wodór). Jedna z największych bakterii (nawet 0,7 mm średnicy!), Thiomargarita namibiensis, czerpie energię, utleniając siarkowodór do wolnej siarki (chemosynteza). Synteza wielu związków chemicznych polega na precyzyjnym utlenieniu/redukcji substratów, m.in. podczas produkcji leków, ale także margaryny. Redukcja soli srebra pozwala na uzyskanie bakteriobójczych nanocząstek tego metalu. Reakcje te umożliwiają ilościową i jakościową analizę wybranych związków chemicznych, w tym np. śladów krwi na miejscu zbrodni – świecenie następuje podczas utleniania luminolu. Światło powstaje też podczas procesów utleniania zachodzących w mitochondriach naszych komórek, co można wykryć ultraczułą aparaturą. Redukujące własności konserwantów chronią naszą żywność przed utlenieniem i rozkładem. Sami także wykorzystujemy utleniacze – te zawarte w wybielaczach usuwają plamy. Silne utleniacze lub reduktory (np. azydek sodu) działają bakteriobójczo.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.