Dvoboj kovin

1. Naslov eksperimenta: Dvoboj kovin
2. Kako dobiti elementarni baker s pomočjo Al folije
3. KEMIKALIJE:

• Modra galica: ~ 50 g
• Al folija: ~ 4 g
• Kuhinjska sol (natrijev klorid): čajna žlička
• Destilirana voda: 400 mL

     PRIPOMOČKI:

• 500 mL čaša
• Termomikser
• Magnetno mešalo
• 2 kovinski žlički
• Erlenmajerica
• Lij
• Filtrirni papir (navaden papir)
• 50 mL plastična centrifugirka
• Urno steklo
• Tehtnica

4. Izvedba ekspirimenta:

V 500 mL čašo prelijemo približno 400 mL destilirane vode (odčitamo na čaši, ki ima označeno lestvico po 100 mL). Vanjo dodamo magnet, ki bo služil kot vir mešanja. Mešanje (močno do zmerno) in gretje (~ 60C) priključimo na termo-mikserju. Dodamo približno 50 g modre galice in počakamo nekaj minut, dokler se popolnoma ne raztopi. Izklopimo gretje. Nato dodamo Al folijo (~ 4g) in mešamo. Po tem dodamo žličko kuhinjske sol in s tem začnemo kemijsko reakcijo. Burno spremljamo reakcijo in opazimo, da prihaja do spremembe barve Al folije, ki se takoj po dodatku soli obarva rumenozeleno, na kar raztopino prehaja iz živo modre barve v temnejšo suspenzijo. Kmalu zatem opažamo tvorbo oborine, ki je bakreno rjave barve. Z vrha čaše opazimo izhajanje mehurčkov (vodik) in kondenzacijo vodnih kapljic. Ob dotiku opazimo tudi, da se je čaša precej segrela, kar nakazuje na to, da gre kot posledica sproščanja toplote za eksotermno reakcijo.

5. VARNOSTNI UKREPI:

– očala

– gumijaste rokavice

– modra galica: zdravju škodljivo, jedko, okolju nevarno; H stavki: H302-H318-H410, P stavki: P264 – P273 – P280 – P301 + P312 – P305 + P351 + P338 – P391

Ob rokovanju z modro galico sem previden, da ne pride v stik s kožo, zato nosim zaščitne rokavice in očala.

6. Razlaga eksperimenta z opažanji in kemijskimi reakcijami

Naš izhodni reagent – modra galica (CuSO₄ x 5H₂O) – je kemijsko gledano bakrova sol, ki vsebuje vezano vodo, torej gre za t.i. hidrat. Za nekatere kovine je značilno, da so njihove spojine izrazito živih barv, kar je v kemiji neke vrste redkost. Sol je izrazite modre barve in taka je ostala tudi vodna raztopina. Kljub relativno dobri topnosti modre galice, smo suspenzijo pogreli do 60C, da smo pospešili raztapljanje. Ko nismo zapazili vidnih delcev, smo bili prepričani, da smo dobili homogeno raztopino, zatorej smo gretje ugasnili.

Zatem smo v reakcijsko zmes dodali t.i. Alu-folijo, ki v grobem predstavlja elementarni aluminj – element s kovinskimi lastnostmi kot ga najbolje poznamo. Kljub temu da smo pričakovali, da bo reakcija potekla, se ni zgodilo popolnoma nič! Zakaj je temu tako? Alu-folija res večinoma predstavlja aluminij (Al), ki pa zelo hitro oksidira, tako da je na zunanji površini prisoten njegov oksid – Al₂O₃. Ta v tem primeru ni reaktiven in zato ne opazimo vidne spremembe. Še vedno opazujemo vodno raztopino modre galice in Al-folije, ki plava na površini.

Po dodatku NaCl smo opazili prve spremembe –  raztopina je začela postajati zelene barve, saj je prišlo do tvorbe bakrovega koordinacijskega kompleksa z NaCl, kar ilustrira spodnja rekacija:

CuSO₄ + 4Na­Cl ⇆ Na₂[CuCl₄] + Na₂SO₄

Z dodatkom soli smo »uničili« zgornjo plast aluminijevega (III) oksida, kar se odraža v burnem poteku reakcije.

Pri tem potekata naslednji 2 ((1) in (2)) reakciji:

• 2Al(s) + 3CuCl₄^2-(aq) → 2AlCl₄⁺(aq) + 4Cl^–(aq) + 3Cu(s)

Pri tej reakciji bakrov klorid reagira z aluminijem in pri tem dobimo elementarni baker, ki je bakrene barve (rjavordeče), medtem ko se aluminij pri reakciji porablja. Alu-folija izginja – na površini opazimo, da se vedno bolj spreminja v bakreno barvo. Raztopina še vedno ostaja temno zelene barve. V kolikor bi čakali še dlje – da bi reakcija potekla popolnoma do konca – bi po nekaj več časa dobili brezbarvno suspenzijo bakrenih delcev, ki bi se posedli na dno.

Poenostavljena zapisa reakcije:

CuSO₄ (aq) + Al(s) → Al₂(SO4)₃ + Cu(s)

Tip reakcije, ki smo ga izvedli je t.i. redoks reakcija, kjer potekajo elektronski prenosi in se menjajo oksidacijska stanja. V našem primeru smo imeli 2 kovini: baker in aluminij. V začetnem stanju so bili bakrovi ioni v obliki ionov – oksidacijsko stanje +2, a so prejeli 2 elektrona in prešli v stanje 0, elementarno stanje. Obratna zgodba je pri aluminiju, ki je iz elementarnega stanja (0) prešel v oksidacijsko stanje +3. To ponazarja spodnja reakcija:

3Cu²⁺ + 2Al → 3Cu + 2Al³⁺

Opazili smo tudi, da pri reakciji nastajajo mehurčki, kar nakazuje na sproščanje plina.

• 2Al + 6H₂O → 2Al(OH)₃ + 3H₂

Aluminij reagira z vodo in pri tem nastaja plin vodik, ki ga opazimo v obliki mehurčkov.

Sama reakcija poteka intenzivno in pri njej se sprošča precej toplote, kar se opazi ob dotiku čaše, ki se je konkretno segrela na visoko temperaturo. Gre za eksotermno reakcijo, kjer je reakcijska entalpija negativne vrednosti.

Končni produkt reakcije je bila suspenzija, ki je vsebovala baker, še nekaj nezreagiranega aluminija in temno zeleno raztopino. S filtracijo skozi lij, kamor smo namestili navaden papir, smo se znebili tekočine in dobili izključno pretežno baker in še čisto malo nezreagiranega aluminija. Tega smo prenesli na urno steklo.

Zmagovalec dvoboja kovin:  BAKER!

7. Uspešno smo izvedli kemijsko reakcijo, kjer smo s pomočjo aluminija dobili baker. Seveda se ni dobesedno Al-folija spremenila v baker, ampak je iz bakrovih ionov nastal baker, iz Al-folije pa aluminij v 3+ obliki. Pri tem smo spoznali osnovna načela redoks reakcij. To so reakcije, kjer zaradi elektronskih prenosov prihaja do spremembe oksidacijskih stanj. Videli smo tudi, da kovino pogosto oksidirajo z zunanjo atmosfero in so prevlečene s kovinskimi oksidi. A že tako enostaven korak – samo dodatek žličke soli je reakcijo hitro pospešil. Tako kot v kuhinji, kjer žlička soli precej izboljša občutek v naših brbončicah!

Celoten eksperiment mi je bil zelo zanimiv, delal sem ga prvič, prav tako sem nekatere pripomočke kot so modra galica in magnetno mešalo uporabljal prvič. Skozi celoten eksperiment sem bil zelo živčen ali bo reakcija uspela ali ne.

8. Viri:

Borba kovin. Dostopano dne 08.06.2024 na povezavi: “Battle of metals” experiment | MEL Chemistry (melscience.com).

Priprava bakra iz Al-folije: Videoposnetek. Dostopano dne 08.06.2024 na povezavi: Make Copper Metal from Aluminum Foil – Our #1 Home Chemistry Experiment (youtube.com).

Vpliv bakrovih ionov na reaktivnost aluminija. Dostopano dne 08.06.2024 na povezavi: Science made alive: Chemistry/Experiments (homescience.net).