Железный век – Часть 3

Последний выпуск о металле номер один нашей цивилизации и его взаимоотношениях. Проведенные до сих пор эксперименты показали, что это интересный объект для исследования в домашней лаборатории. Сегодняшние эксперименты будут не менее интересными и позволят по-другому взглянуть на некоторые аспекты химии.

Одним из экспериментов в первой части статьи было окисление зеленоватого осадка гидроксида железа (II) до бурого гидроксида железа (III) раствором H₂O₂. Перекись водорода разлагается под воздействием многих факторов, в том числе соединения железа (в эксперименте были обнаружены пузырьки кислорода). Вы будете использовать этот эффект, чтобы показать…

… Как работает катализатор

конечно ускоряет течение реакции, но — стоит помнить — только тот, который может происходить в данных условиях (хотя иногда очень медленно, даже незаметно). Есть, правда, утверждение, что катализатор ускоряет реакцию, но сам в ней участия не принимает. Хм… зачем его вообще добавляют? Химия не волшебство (иногда мне так кажется, и “черное” вдобавок), и благодаря простому эксперименту вы увидите катализатор в действии.

Сначала подготовьте позицию. Вам понадобится поднос, чтобы не заливать стол, защитные перчатки и очки или козырек. Вы имеете дело с едким реагентом: пергидролем (30% раствор перекиси водорода H₂O₂) и раствор хлорида железа (III) FeCl₃. Действуйте с умом, особенно берегите глаза: обожженная пегидролом кожа рук регенерирует, а глаз нет. (1).

2. Испаритель слева содержит только воду, справа – воду с добавлением пергидроля. Вы вливаете раствор хлорида железа (III) в оба

3. Ход реакции, после ее завершения происходит регенерация катализатора

Налить в фарфоровый испаритель и добавить в два раза больше воды (реакция идет и с перекисью водорода, но в случае 3% раствора эффект плохо заметен). Вы получили примерно 10% раствор H₂O₂ (коммерческий пергидроль разбавляли водой 1:2). Налейте столько воды во второй испаритель, чтобы в каждом сосуде было одинаковое количество жидкости (это будет ваша система отсчета). Теперь добавьте 1-2 см к обоим отпаривателям.³ 10% раствор FeCl₃ и внимательно наблюдайте за ходом теста (2).

В контрольном испарителе жидкость имеет желтоватый цвет из-за гидратированных ионов Fe.³⁺. С другой стороны, в сосуде с перекисью водорода происходит много всего: содержимое буреет, газ выделяется интенсивно, а жидкость в испарителе сильно нагревается или даже кипит. Окончание реакции знаменуется прекращением газовыделения и изменением цвета содержимого на желтый, как и в контрольной системе (3). Вы были просто свидетелем работа каталитического нейтрализатора, а знаете ли вы, какие изменения произошли в сосуде?

Коричневый цвет происходит от соединений двухвалентного железа, которые образуются в результате реакции:

Газ, который интенсивно выбрасывается из испарителя, это, конечно, кислород (можно проверить, начнет ли гореть тлеющий факел над поверхностью жидкости). На следующем этапе кислород, высвобождающийся в вышеуказанной реакции, окисляет катионы Fe.²⁺:

Регенерированные ионы Fe³⁺ они снова принимают участие в первой реакции. Процесс заканчивается, когда вся перекись водорода израсходована, что вы заметите по возвращению желтоватого цвета к содержимому испарителя. Когда вы умножаете обе части первого уравнения на два и прибавляете его сбоку ко второму, а затем сокращаете одинаковые члены с противоположных сторон (как в обычном математическом уравнении), вы получаете уравнение реакции распределения H₂O₂. Обратите внимание, что в нем нет ионов железа, но чтобы указать их роль в превращении, наберите их над стрелкой:

Перекись водорода также самопроизвольно разлагается по приведенному выше уравнению (очевидно, без ионов железа), но процесс этот довольно медленный. Добавление катализатора меняет механизм реакции на более простой в реализации и, следовательно, ускоряет все превращение. Так почему же идея, что катализатор не участвует в реакции? Вероятно, потому, что он регенерируется в процессе и остается неизменным в смеси продуктов (в эксперименте желтая окраска ионов Fe(III) возникает как до, так и после реакции). Так что помните, что катализатор участвует в реакции и это активная часть.

За неприятности с Х.₂O₂

4. Каталаза разлагает перекись водорода (пробирка слева), добавление раствора ЭДТА разрушает фермент (пробирка справа)

Ферменты также являются катализаторами, но они действуют в клетках живых организмов. Природа использовала ионы железа в активных центрах ферментов, ускоряющих реакции окисления и восстановления. Это связано с уже упомянутыми легкими изменениями валентности железа (со II на III и наоборот). Одним из таких ферментов является каталаза, защищающая клетки от высокотоксичного продукта клеточных превращений кислорода – перекиси водорода. Вы можете легко получить каталазу: разомните картофель и залейте пюре водой. Дайте суспензии опуститься на дно и слейте надосадочную жидкость.

В пробирку насыпать 5 см.³ картофельного экстракта и добавить 1 см³ пероксид водорода. Содержимое очень пенится, может даже «вылезти» из пробирки, так что пробуйте на подносе. Каталаза — очень эффективный фермент, одна молекула каталазы может расщепить до нескольких миллионов молекул H за минуту.₂O₂.

Перелив экстракт во вторую пробирку, добавьте 1-2 см³ раствор ЭДТА (натрия эдетовая кислота) и содержимое перемешивают. Если вы сейчас добавите порцию перекиси водорода, вы не увидите никакого разложения перекиси водорода. Причина – образование очень устойчивого комплекса иона железа с ЭДТА (этот реагент реагирует со многими ионами металлов, что используется для их определения и удаления из окружающей среды). Комбинация ионов Fe³⁺ с ЭДТА блокировал активный центр фермента и, следовательно, инактивировал каталазу (4).

Железное обручальное кольцо

В аналитической химии идентификация многих ионов основана на образовании труднорастворимых осадков. Однако беглый взгляд на таблицу растворимости покажет, что нитратный (V) и нитратный (III) анионы (соли первых называются просто нитратами, а вторых – нитритами) практически не образуют осадка.

На помощь в обнаружении этих ионов приходит сульфат железа (II) FeSO.₄. Подготовьте реагенты. Помимо этой соли вам понадобится концентрированный раствор серной кислоты (VI) H₂SO₄ и разбавленный 10-15% раствор этой кислоты (будьте осторожны при разбавлении, вливая, конечно, “кислоту в воду”). Кроме того, соли, содержащие обнаруженные анионы, например, KNO₃, NaNO₃, NaNO₂. Приготовьте концентрированный раствор FeSO.₄ и растворы солей обоих анионов (четверть чайной ложки соли растворить примерно в 50 см³ води).

5. Положительный результат кольцевого теста.

Реагенты готовы, пора экспериментировать. Налейте по 2-3 см в две пробирки³ раствор FeSO₄. Затем добавьте несколько капель концентрированного раствора Н.₂SO₄. С помощью пипетки соберите аликвоту раствора нитрита (например, NaNO₂) и влейте его так, чтобы он стекал по стенке пробирки (это важно!). Таким же образом влить часть раствора селитры (например, KNO₃). Если осторожно налить оба раствора, то на поверхности появятся коричневые круги (отсюда и общее название этого теста – кольцевая реакция) (5). Эффект интересный, но вы имеете право разочароваться, может быть, даже возмутиться (Это ведь аналитическая проба? Результаты одинаковы в обоих случаях!).

Однако проведите еще один эксперимент. На этот раз добавьте в пробирки с раствором соли железа (II) разбавленный раствор H.₂SO₄. После введения растворов нитратов и нитритов (как и раньше) вы заметите положительный результат только в одной пробирке – той, что с раствором NaNO.₂. На этот раз у вас, вероятно, нет никаких замечаний по поводу полезности кольцевого теста: реакция в слегка кислой среде позволяет четко различить два иона.

Механизм реакции основан на разложении обоих типов нитрат-ионов с выделением оксида азота (II) NO (при этом ион железа окисляется из двух- в трехзначный). Соединение иона Fe(II) с NO имеет коричневый цвет и придает кольцу окраску (делается, если тест сделан правильно, простым смешиванием растворов вы получите только темный цвет пробирки, но – вы признайтесь – будет не такой интересный эффект). Однако для разложения нитрат-ионов требуется сильнокислая реакционная среда, а для нитрита требуется лишь слабое подкисление, отсюда наблюдаемые различия в ходе теста.

Железо в секретной службе

Людям всегда было что скрывать. Создание журнала также повлекло за собой разработку методов защиты такой передаваемой информации – шифрование или сокрытие текста. Для последнего метода было изобретено множество симпатических чернил. Это вещества, из-за которых вы их сделали надпись не виднаоднако выявляется под влиянием, например, нагревания или обработки другим веществом (проявителем). Приготовление симпатичных чернил и их проявителя не является сложным делом. Достаточно найти реакцию, при которой образуется окрашенный продукт. Лучше всего, чтобы сами чернила были бесцветными, тогда сделанная ими надпись будет незаметна на подложке любого цвета.

Соединения железа также позволяют делать привлекательные чернила. После проведения ранее описанных испытаний в качестве симпатических чернил могут быть предложены растворы железа (III) и хлорида FeCl.₃, тиоцианид калия KNCS и ферроцианид калия K₄[Fe (CN)₆]. В реакции FeCl₃ с цианидом окрасится в красный, а с ферроцианидом – в синий цвет. Они лучше подходят в качестве чернил. растворы тиоцианата и ферроцианидапоскольку они бесцветны (в последнем случае раствор необходимо разбавлять). Надпись выполнена желтоватым раствором FeCl.₃ его видно на белой бумаге (если только карта тоже не желтая).

6. Двухцветная тушь хороша

7. Симпатические чернила салициловой кислоты

Приготовьте разведенные растворы всех солей и с помощью кисточки или спички напишите на карточках раствором цианида и ферроцианида. Используйте разные щетки для каждого, чтобы не загрязнить реагенты. При высыхании наденьте защитные перчатки и смочите вату раствором FeCl.₃. Раствор хлорида железа (III) коррозионный и оставляет желтые пятна, которые со временем становятся коричневыми. По этой причине избегайте окрашивания ею кожи и окружающей среды (выполняйте опыт на подносе). Используйте ватный тампон, чтобы коснуться листа бумаги, чтобы увлажнить его поверхность. Под воздействием разработчика появятся красные и синие буквы. Также можно писать обоими чернилами на одном листе бумаги, тогда раскрывшаяся надпись будет двухцветной (6). Салициловый спирт (2% раствор салициловой кислоты в спирте) также подходит в качестве синих чернил (7).

На этом заканчивается статья из трех частей о железе и его соединениях. Вы выяснили, что это важный элемент, а кроме того, он позволяет проводить множество интересных экспериментов. Впрочем, мы все же остановимся на «железной» теме, ведь через месяц вы встретите его злейшего врага — коррозия.

Смотрите также: