Żarłoczne roztwory

Doświadczenie 1

W dwóch pojemnikach na mocz zmieszaj po 10 ml wody i 10 ml jodyny. Do pierwszego wrzuć kilka żelaznych gwoździ lub drut. Do drugiego płatek folii aluminiowej (2 × 2 cm). Zakręć pojemniki i odstaw na tydzień. Po tym czasie dodaj kilka kropel wody utlenionej.

Wyjaśnienie: Początkowo barwa roztworu jest brunatna od jodu cząsteczkowego (I₂) – składnika jodyny. Już po upływie doby barwa roztworu staje się wyraźnie jaśniejsza – jod reaguje z żelazem, tworząc rozpuszczalny w wodzie jodek żelaza(II). W kolejnych dniach roztwór przybiera żółtawą barwę. I₂ reaguje też z tlenkami żelaza – może więc usuwać rdzę. Ale sole jodu (podobnie jak chlorek sodu – sól kuchenna) przyspieszają korozję – wokół gwoździ pojawia się rdzawy pył. I₂ atakuje też aluminium – po upływie doby widać uszkodzenia w folii i może zacząć się ona rozpadać. Jony jodkowe są bezbarwne. Możemy potwierdzić ich obecność, wykorzystując reakcje otrzymanych związków z nadtlenkiem wodoru zawartym w wodzie utlenionej. Dochodzi w nich do uwolnienia I₂.

Doświadczenie 2

W pojemniku na mocz jedną grudkę chlorku żelaza(III) zakupionego przez internet rozpuść w 10 ml wody. Wrzuć miedzianą mufę (dostępną w sklepach z materiałami budowlanymi lub wodno-kanalizacyjnymi). Możesz ją uprzednio zabezpieczyć, nakładając pędzelkiem podgrzaną do płynności pastę do butów – na powierzchni tworzy się wzór, który będzie nadtrawiany w reakcji. Zakręć i obserwuj zawartość pojemnika przez kolejne dni.

Wyjaśnienie: Początkowo żółty roztwór chlorku żelaza(III) zaczyna zmieniać barwę na zieloną od powstającego chlorku miedzi(II). Zachodzi reakcja Cu + 2FeCl₃ ® 2FeCl₂ + CuCl₂. W kolejnych dniach można zaobserwować pojawianie się drobnego białego pyłu – chlorek miedzi(II) także atakuje miedź metaliczną, w efekcie czego powstaje nierozpuszczalny chlorek miedzi(I). Atakowane są tylko powierzchnie, do których ma dostęp roztwór soli – pozwala to na wykonanie ozdobnego graweru na powierzchni mufy.

Doświadczenie 3

W pojemniku na mocz zmieszaj pół na pół ocet i wodę utlenioną, aby otrzymać 30 ml roztworu. Wrzuć na dobę miedzianą mufę, a potem ją wyjmij. Rozpuść w tym roztworze pół łyżeczki soli kuchennej. Wrzuć nową mufę, na której pastą do butów wykonano wzór do grawerowania.

Wyjaśnienie: Miedź wymaga obecności utleniacza (nadtlenku wodoru, zawartego w wodzie utlenionej), aby reagować z kwasem – reakcja ta nadaje się do wytrawiania wzorów w metalicznej miedzi. W jej wyniku nadtlenek wodoru ulega rozkładowi i powstaje sól – octan miedzi(II) o niebieskim zabarwieniu. Dodanie chlorku sodu (soli kuchennej) wprowadza do roztworu jony chlorkowe. W przebiegu reakcji nie będzie mieć znaczenia, z której soli pochodziły poszczególne jony – w roztworze takim jony miedzi będą atakować miedzianą mufę, tworząc wżery na niezabezpieczonych powierzchniach. Dodatkowo będzie się wytrącał chlorek miedzi(I) – biały osad. Reakcja ta jest nie tylko narzędziem, ale i zagrożeniem – powoduje korozję przedmiotów z miedzi lub jej stopów narażonych na kontakt z chlorkami, znaną jako choroba brązu.

Doświadczenie 4

Za pomocą piły do metalu lub kleszczy rozłóż na elementy składowe nową baterię cynkowo-węglową (oznaczenie: R + numer). Nie używaj baterii alkalicznych z oznaczeniem LR. Uważaj! Proszek wypełniający baterię łatwo wszystko brudzi! Wewnątrz metalowej obudowy (wykonanej zwykle z aluminium) znajdziesz metalowe naczynie wykonane z cynku. Wyjmij je i umyj pod bieżącą wodą.
Niewielki kawałek blachy cynkowej wrzuć do pojemnika na mocz zawierającego 10 ml octu i obserwuj przez 10 min. Potem wyjmij blachę i przewietrz pomieszczenie.

Wyjaśnienie: Metaliczny cynk to metal bardzo aktywny i „chętny” do reakcji i oddawania elektronów. Dlatego jest wykorzystywany do produkcji ogniw galwanicznych (zwanych bateriami), gdzie stanowi anodę i parę dla drugiej elektrody katody, zwykle wykonanej z dwutlenku manganu, który z kolei chętnie przyjmuje elektrony. Przepływ prądu, a zatem elektronów, jest transakcją pomiędzy tymi związkami. Cynk metaliczny łatwo reaguje z kwasami – wrzucony do octu zaczyna się roztwarzać, czyli rozpuszcza się i reaguje, tworząc nowy związek – octan cynku: Zn + 2CH₃COOH ® H₂­ + Zn(CH₃COO)₂. W tej reakcji wydziela się także wodór, słychać skwierczenie, a cynk pokrywa się licznymi bąbelkami. Ponieważ to potencjalnie groźny gaz, doświadczenie wykonuj z dala od źródeł otwartego ognia i prowadź je w niewielkiej skali, a potem przewietrz mieszkanie.

***

Uwaga!

Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.

***

Zestaw przyrządów i materiałów

5 pojemników na mocz, dwie miedziane mufy, sól kuchenna, żelazny drut lub gwoździe, jodyna, folia aluminiowa, ocet spirytusowy, woda utleniona, chlorek żelaza(III), bateria cynkowo-
węglowa, pasta do butów, pędzelek

Niewliczone w cenę: piła do metalu, kleszcze, rękawiczki ochronne

Czas przygotowania: 2,5 godz.+ tydzień oczekiwania

Koszt: 75 zł

***

Uwaga!
Sole miedzi i żelaza są toksyczne. Unikaj kontaktu ze skórą i oczami. Używaj rękawiczek ochronnych.

***

Wiedza w pigułce

Mocne kwasy reagują z metalami – wydziela się wodór i powstaje odpowiednia sól. Istnieją oczywiście wyjątki – metale szlachetne (jak złoto i srebro) czy miedź są znacznie mniej reaktywne. Ale wraz z odkryciem kwasów mineralnych rozkwitła nowa gałąź sztuki – kwasorytnictwo. Jego początki sięgają XVI w., gdy na metalowych (początkowo żelaznych) płytach ryto i wytrawiano matryce do druku odbitek. Odbitkę taką (i samą technikę) nazywano akwafortą.

Od renesansowych dzieł Albrechta Dürera i Federiga Baroccia po prace Picassa, od ilustracji po mapy. Obecnie zaś wytrawia się także… panele słoneczne, gdyż jest to narzędzie do tworzenia precyzyjnych układów pochłaniających światło, opartych na cienkich warstewkach półmetalu – krzemu, reagującego z kwasem fluorowodorowym (atakującym także szkło). Ale z metalami reagują również sole. Szereg napięciowy metali (szereg elektrochemiczny) porządkuje je według ich aktywności – te najaktywniejsze wypierają te mniej aktywne z ich soli. Metaliczny cynk będzie uwalniać jony cynku w roztworze soli żelaza, powodując wydzielanie się tego ostatniego w formie metalicznej. Sole miedzi natomiast w podobny sposób będą niszczyć żelazne przedmioty. Ma to ogromne znaczenie w odniesieniu do trwałości konstrukcji metalowych.

Szereg elektrochemiczny tworzy się także dla stopów metali oraz bada się wpływ warunków środowiska (np. wody morskiej lub różnego nasycenia wody tlenem), aby przewidywać, w jakich warunkach może dochodzić do ich uszkodzenia. Jednak patrząc jedynie na szereg napięciowy metali, trudno w pierwszej chwili zrozumieć, dlaczego sole żelaza mogą być groźne dla wyrobów z miedzi. A to właśnie roztwory chlorku żelaza(III) tradycyjnie służą do wytrawiania ścieżek miedzianych w obwodach drukowanych. Jony Fe³⁺ atakują niezabezpieczone powierzchnie miedziane, kradnąc dla siebie po elektronie (redukują się do postaci Fe²⁺) z miedzi, która zostaje uwolniona do roztworu w formie jonu Cu²⁺. Jony miedzi także mogą atakować miedź metaliczną i kraść z niej elektrony – w tej reakcji powstaje nierozpuszczalny w wodzie chlorek miedzi(I), który łatwo reaguje z tlenem, tworząc tlenochlorek miedzi. Do trawienia metalicznej miedzi wykorzystuje się także nadsiarczan sodu, a produktami reakcji są siarczany – miedzi i sodu. Związki te pozwalają usunąć miedź z powierzchni płytki, pozostawiając jedynie ścieżki obwodu, uprzednio zabezpieczone np. kalafonią.