Bardzo dziwna rdza
Doświadczenie 1
W pojemniku na mocz umieść 5–10 szpilek. Zalej 20 ml wody i dodaj łyżkę jodyny. Szczelnie zakręć pojemnik i obserwuj co kilka dni przez miesiąc. W trakcie obserwacji odnotuj pojawianie się osadów, ich kolor i reakcję na magnes.
Wyjaśnienie: Jod z jodyny reaguje z żelazem zawartym w szpilkach – tworzy się rozpuszczalny w wodzie jodek żelaza(II) – a po kilku dniach barwa roztworu zmienia się z ciemnobrązowej na jasnożółtą. W kolejnych dniach wytrąca się brudnożółty kłaczkowaty osad, złożony głównie z Fe(OH)3/Fe(O)OH. Jony jodkowe (ale także chlorkowe, których źródłem może być sól kuchenna) przyspieszają korozję żelaza, działając jak katalizator.
Przy ograniczonym dostępie tlenu i w obecności żelaza metalicznego w kolejnych dniach może zachodzić reakcja prowadząca do powstania czarnego osadu reagującego na obecność magnesu. Osad ten składa się ze stosunkowo dużych cząstek magnetytu, które w polu magnetycznym układają się na ściance pojemnika na mocz zgodnie z tzw. liniami pola magnetycznego wokół magnesu. W rzeczywistości jednak żadne linie pola nie istnieją, gdyż ma ono charakter ciągły. Charakterystyczne skupienia powstają, gdy ruch drobiny zostanie zakłócony, np. nierównościami, i utknie ona w danym punkcie, dodatkowo przyciągając z najbliższego otoczenia inne drobiny. Zbija się wtedy w pojedynczy kłaczek.
Doświadczenie 2
1–2 łyżki kupionego w sklepie ogrodniczym siarczanu żelaza (nawóz) zalej w pojemniku na mocz 50 ml wrzątku. Odstaw do wystudzenia. Jak najwięcej zielonego płynu zlej do osobnego słoika (A). Pozostały osad zalej 30 ml wrzątku (B). W pojemniku na mocz rozpuść 2 łyżki granulek udrożniacza do rur (NaOH, bez aluminiowego aktywatora) w 60 ml wody i 20 ml tego płynu zmieszaj z osadem (B), kolejne 20 ml z płynem (A), a do pozostałej części wrzuć 10–20 granulek siarczanu żelaza (C). Zakręć pojemniki i odstaw na całą noc. Następnie przetestuj magnesem.
Wyjaśnienie: Komercyjny nawóz zawiera zarówno rozpuszczalny w wodzie (będzie w A) siarczan żelaza(II), jak i jego utlenioną formę siarczan żelaza(III), tworzące trudno rozpuszczalny osad. Gorąca woda ułatwia rozbicie grudek na drobne cząstki. Czasami pośród nich także znajdują się produkty rozkładu nawozu – igiełkowate drobiny czarnego Fe3O4. W kontakcie z NaOH w pojemniku A wytrącają się kłaczki ciemnozielonego osadu Fe(OH)2, a żółtawy osad/grudki zmienia barwę na czarną (B i C). Już po godzinie czarne cząstki w pojemniku B zaczynają reagować na magnes, a w C proces będzie zachodził wolniej i test z magnesem wyjdzie dopiero wtedy, gdy w całości się one rozpadną. Fe3O4 powstaje w nich, gdyż obecne są zarówno związki żelaza(II), jak i (III), które w zasadowym środowisku reagują ze sobą, tworząc mikrokryształy magnetytu. Najwolniej proces zachodzi w A – może zająć nawet kilka dni ze względu na niedobór związków żelaza(III), które powstają podczas utleniania się powierzchniowej warstwy wodorotlenku żelaza. Przy niedoborze tlenu Fe3O4 może też powstać bezpośrednio z Fe(OH)2 z wytworzeniem wodoru. Czarny osad Fe3O4 jest przyciągany przez magnes. Siarczany żelaza czy Fe(OH)2 – nie.
Doświadczenie 3
Do porcji osadów otrzymanych w doświadczeniu 2 dodawaj porcjami wodę utlenioną, obserwując zmiany barwy i reakcję na pole magnetyczne.
Wyjaśnienie: W obecności utleniacza (nadtlenku wodoru z wody utlenionej) ciemnozielony Fe(OH)2, zawierający częściowo utlenione żelazo na drugim stopniu utlenienia, ulega natychmiastowemu utlenieniu na trzeci stopień z wytworzeniem Fe(OH)3 (a poprawniej: Fe(O)OH · H2O) o barwie żółtej. Czarny osad Fe3O4 także się utlenienia, choć trudniej zaobserwować zmianę barwy z czarnej na rdzawoczerwoną/brązową, pochodzącą od hematytu – Fe2O3. Oba powstałe związki nie są przyciągane przez magnes. Czasem utlenienie magnetytu może zachodzić bez zmiany struktury i prowadzi do powstania czarnego g-Fe2O3 (maghemitu), który również reaguje na pole magnetyczne – nawet z użyciem wyrafinowanych technik laboratoryjnych trudno te dwa związki odróżnić.
Doświadczenie 4
Strzykawką staraj się nabrać sam osad z doświadczenia 2 (B), następnie wstrzyknij go do 70 ml acetonu (osad spęcznieje) i rozmieszaj patyczkiem do szaszłyków. Na słoik nałóż filtr do kawy i przesącz acetonową zawiesinę. Gdy osad podeschnie (ma być czarny, beżowy/brązowy jest zbyt utleniony), porcję wielkości ziarna grochu przełóż do wieczka pojemnika na mocz. Dodaj porcję mydła w płynie (połowę objętości osadu) i rozmieszaj patyczkiem. Pastę zalej naftą świetlną. Rozbełtaj wykałaczką i obserwuj zachowanie pod wpływem magnesu.
Wyjaśnienie: Uzyskany w doświadczeniu ferrofluid znacznie różni się od dostępnych komercyjnie (te można kupić w internecie już od 20 zł) – nie jest tak ruchliwy i nie tworzy widowiskowych „kolców”, ale jak każdym ferrofluidem można nim „sterować” i gromadzić go w jednym miejscu, używając magnesu (płyn wybrzusza się nad przyłożonym od spodu magnesem). Im mniejsze nanocząstki, tym lepsze własności ferrofluidu, ale wyzwaniem jest uzyskanie cząstek magnetytu o rozmiarach nie większych niż 10 nm – bywa to trudne nawet w laboratorium. Dodatkowo pokrywa się je warstwą surfaktantu (np. oleinianu), ułatwiając zawieszenie w oleju mineralnym. Nanocząstki magnetytu są jednak nietrwałe – już po kilku miesiącach można zauważyć pogorszenie ich działania. W naszym doświadczeniu ferrofluid utleni się jeszcze szybciej. Gęste ferrofluidy gwałtownie zmieniają lepkość (zachowują się jak ciało stałe) po przyłożeniu magnesu – pozwala to tworzyć zamki magnetoreologiczne w hamulcach – włączenie elektromagnesu może zatrzymać przepływ takiej cieczy.
***
Uwaga!
Redakcja nie ponosi odpowiedzialności za ewentualne szkody powstałe wskutek doświadczeń.
***
Uwaga!
NaOH jest żrący, a sole żelaza umiarkowanie toksyczne. Po wykonaniu dośw. 4 wywietrz pomieszczenia. Unikaj kontaktu środka ze skórą i oczami – używaj rękawiczek i okularów ochronnych. Związki żelaza i pojemniki na mocz wyrzuć do pojemnika na metale i plastiki, a zabrudzone filtry do odpadów zmieszanych. Rozpuszczalniki organiczne zlej do pojemnika na zużyte oleje po smażeniu i oddaj do PSZOK.
***
Zestaw przyrządów i materiałów
siarczan żelaza (nawóz 2 kg), nafta świetlna, aceton techniczny, patyczki do szaszłyków, filtry do kawy,
magnesy, jodyna, szpilki, woda utleniona,
udrożniacz do rur z NaOH, 6 pojemników na mocz
Niewliczone w cenę: słoik, mydło w płynie
Czas przygotowania: 4 godz. + czas oczekiwania min. 24 godz.
Czas obserwacji: miesiąc
Koszt: 80 zł
***
Wiedza w pigułce
Podczas rdzewienia metaliczne żelazo łączy się z tlenem i utlenia. Mniej utlenione żelazo(II) znajduje się w FeO, które w obecności nawet śladowych ilości tlenu utworzy bardziej utlenione formy żelaza(III) – ciemnoczerwony Fe2O3 czy żółty Fe(O)OH. W specyficznych warunkach (np. niedobór tlenu) może powstać wyjątkowy czarny tlenek żelaza Fe3O4. Zawiera on atomy żelaza na różnych stopniach utlenienia (II i III), jest podatny na dalsze utlenianie i ma właściwości ferromagnetyczne – jego okruchy są przyciągane przez magnes i same mogą zostać namagnesowane. Takie naturalnie namagnesowane okazy skał fascynowały starożytnych Egipcjan czy Greków – prawdopodobnie od nazwy greckiego miasta Magnezja pochodzą określenia „magnetyt” (minerał zawierający Fe3O4) i „magnes”. Podług legendy niezwykłe skały odkryli pasterze, których okute żelazem laski przywierały do magnetycznego podłoża. W I w. wypolerowane kawałki magnetytu służyły jako kompas.
Nietypowe, szare od Fe3O4, zabarwienie cegieł Wielkiego Chińskiego Muru zdradza, że proces wypalania gwałtownie przerywano i potem prowadzono w niższej temperaturze już bez dopływu świeżego powietrza do pieca. Fe3O4 to także ruda żelaza (zawiera do 72% tego metalu), a jej wyjątkową formą są wypłukiwane ze skał drobne cząstki odkładane w formie czarnego piasku. Tak znakomite źródła o wysokiej czystości są rzadkością. Dzięki nim Japończycy stworzyli wyjątkową stal tamahagane o bardzo niskiej zawartości zanieczyszczeń, z której wykuwano ostre jak brzytwa samurajskie miecze.
Otrzymane syntetycznie nanocząstki magnetytu są znakomitymi katalizatorami, np. w produkcji grafenu. Stosuje się je w biologii molekularnej („sklejony” z nimi enzym trafia do mieszaniny reakcyjnej, a na koniec oddziela się go magnesem i wykorzystuje ponownie) oraz medycynie (np. połączone z lekiem przeciwnowotworowym cząstki zbierają się w guzach wystawionych na działanie magnesu). Organizm dobrze je toleruje, wszak wiele organizmów – od bakterii po gołębie (drgania ziarenek Fe3O4 służą im za „zmysł magnetyczny”) – wytwarza te mikrokryształy. Fe3O4 jest też m.in. w pigmentach do tatuaży, tonerach, dyskach twardych, głośnikach czy hamulcach. Wchodzi w skład smarów obniżających tarcie, farb przewodzących prąd, czynników kontrastujących przy rezonansie magnetycznym.