LÁTVÁNYOS KÉMIAI KÍSÉRLETEK Kutatók éjszakája

1. LÁTVÁNYOS KÉMIAI KÍSÉRLETEKKutatók éjszakája Műszaki Anyagtudomány Kar Kémia Intézet 2009. szeptember 25.

2. Halmazállapot változások GŐZ/GÁZ szublimáció kondenzáció kondenzáció forrás fagyás SZILÁRD FOLYADÉK olvadás • Párolgás • Szublimáció

3. Folyékony levegő A levegő nagy nyomásra összesűrítve, majd kis fúvókán kitágítva erősen lehűl és -200°C-on valamennyi összetevője folyékony állapotba kerül. A folyékony levegő frakcionált desztillációjával a levegő összetevői forráspontjuk alapján elkülöníthetők. Ezt az eljárást alkalmazzák nitrogén, oxigén és nemesgázok előállítására.

4. Jód szublimációja A jódkristályok enyhe melegítés hatására szublimálódnak. A jód gőz hideg felületeken apró, csillogó jódkristályok formájában rakódik le. Szublimálás során a gőztér parciális nyomása a kristályos anyag olvadáspontja előtti hőmérsékleten éri a külső légköri nyomást.

5. Diszperz rendszerek csoportosítása ~1 nm ~500 nm Részecskeméret növekszik A diszperzitás foka növekszik

6. Variációk habokra

7. Variációk habokra Mosószer-hab A mosószer (tenzid) habosításához oxigén gázt állítunk elő hidrogén-peroxidból. Hidrogén-peroxid bomlásakor oxigén gáz keletkezik. 2H2O2 2H2O + O2 A fejlődő O2 gáz óriási mennyiségű habot fúj. Az oxigén képződését a kálium-jodid katalizálja. H2O2(aq) + I-(aq) = OI-(aq) + H2O(f)      H2O2(aq) + OI-(aq) = H2O(f) + O2(g) + I-(aq)

8. Variációk habokra Mosószer-hab

9. Variációk habokra Tojáshab Kétszeresére hígított tojásfehérjéhez NaHCO3-ot adunk és lassan, keverés közben felfőzzük. A melegítést még forrás előtt be kell fejezni, hogy a fehérje ne csapódjon ki. Másik kisebb főzőpohárban feloldunk 3 kanál Al2(SO4)3-ot! A két oldatot összeöntjük. A reakció során felszabaduló szén-dioxid kemény habot fúj fel. Az aluminíum-ionok vizes oldatban savasan hidrolizálnak. Savas közegben a hidrogén karbonát-ionok bomlanak és széndioxid szabadul fel: Al3+ + 3H2O ⇌ Al(OH)3 + 3H+ 3H+ + 3HCO3- ⇌ 3H2CO3 ⇌ 3CO2 + 3H2O A habosításra ezt a módszert a tűzoltók is alkalmazzák nagyobb mennyiségben tűzoltáskor.

10. Variációk habokra Tojáshab

11. Variációk habokra Fekete kígyó NaHCO3-ot keverünk össze porcukorral, majd alkohollal egy pépes elegyet hozunk létre. Égő gyújtópálcával meggyújtjuk az alkoholt! Fekete színű kis „kígyók” bújnak elő a keverékből, amelyek különböző méretűre és vastagságúra növekednek. Miért? Az etil-alkohol égésekor hő szabadul fel, melynek hatására megindul a nátrium- hidrogén-karbonát bomlása és a cukor elszenesedése. A bomláskor felszabaduló CO2 gáz fújja fel a széntartalmú anyagot különböző kígyókhoz, sárkányhoz hasonló alakzatokra.

12. Variációk habokra „Füst”, melynek diszperziós közege gáz (a levegő), a diszperziós fázis pedig szilárd (pl. koromszemcsék).A városok szennyezett levegőjében a füst és a köd gyakran jelentkezik együtt. Ezt nevezik szmognak. Kedvezőtlen időjárási helyzetben súlyos problémákat okoz. A levegőszennyezettség, a nagyvárosok felett kialakult füstköd (szmog) kialakulásáért az indusztriális társadalmak ipari és háztartási füstkibocsátása, illetve a gépjárművek kipufogógáza, „füstje” felelős.

13. Egy „füstölgő” reakció Porcelántálban összekeverünk meghatározott mennyiségű ammónium-nitrátot, ammónium-kloridot és cinkport. 3-4 csepp víz hozzáadásával elindítjuk a reakciót. A reakció igen hevesen játszódik le, melyet láng, és füstképződés követ. Az ammónium-nitrát bomlását a kloridionok katalizálják. NH4NO3(sz) =N2O(g) + 2H2O(g) A reakció exoterm, a keverék felmelegszik. Az NH4NO3 olvadáspontja alacsony (170 0C), ezért hamarosan megolvad, majd megindul a cink oldódása és oxidációja is. Zn(sz) + NH4NO3(sz) = N2(g) + ZnO(sz) + 2H2O(g) ∆H=-466,5 kJ/mol A láng a viszonylag nagy reakcióhő miatt keletkezik, a szilárd cink-oxid egy részét a képződő gáz elfújja, ez okozza a fehér füstöt.

14. Egy füstölgő reakció

15. Kísérletek természetes indikátorokkal Kék vagy lila színű virág sósavgőztől piros lesz, ammónia gőzök hatására visszanyeri kék színét. A legtöbb kék, lila virág- és gyümölcsszínt hasonló szerkezetű vegyületek okozzák (antociánok). Ezek színe pH függő. Cianidin (vörös) Delfinidin (kék)

16. Indikátorok A vöröskáposzta levében a sejthártyák főzés hatására felszakadnak, így oldatba jut a növény jellemző színét adó antocián festékanyag. Ezek indikátor jellege abból adódik, hogy pH változással megváltozik az elektronszerkezetük, minek következtében más lesz a fénnyel szembeni viselkedésük.

17. Reakció indikátorral Vízzel félig telt üvegtálba kérgétől megtisztított káliumdarabkát teszünk. A kálium heves reakcióba lép a vízzel, a víz felszínén ide-oda szaladgál, meggyullad. A kálium, mint erősen pozitív fém a vizet hevesen bontja hidrogénfejlődés közben. A hidrogénbuborékok a fémet mozgatják a víz felszínén. A keletkező KOH-t fenolftalein indikátorral mutatjuk ki. 2 K + 2 H2O = 2 KOH + H2

18. Elektromos írás I. Mártsunk fenolftaleint tartalmazó NaCl-oldatba egy szűrőpapír lapot, majd helyezzük egy fémlemezre. A fémlemezt elektromos vezeték segítségével kössük össze a laposelem pozitív sarkával. A negatív sarkához, vezeték és krokodilcsipesz segítségével, egy szöget kapcsoljunk. A kísérlet sikere érdekében különösen figyeljünk az elektromos érintkezésekre. A vasszöget a nedves papírhoz érintjük, akkor az lila színű nyomot hagy. Ha lassan húzzuk, akkor akár írni is lehet vele. A keletkező hidroxid-ionok koncentrációjának növekedését jelző fenolftalein lila színe lesz a "tinta". Katód: 2H2O +2e- = H2 + OH- Anód: 2Cl- – 2e- = Cl2

19. Elektromos írás II. Az előző összeállításhoz képest az a különbség, hogy a szűrőpapírt keményítőt tartalmazó kálium-jodid oldatba mártjuk. A zsebtelep polaritását meg kell fordítanunk, mert most az anódon kiváló jód miatt fog az írás a papíron megjelenni. Katód: 2H2O +2e- = H2 + OH- Anód: 2I- – 2e- = l2

20. Elektromos írás III. KI-oldat, amiben K+, I-, H3O+ és OH- ionok vannak Elektronok ANÓD KATÓD A I- -ion az anódon leadja elektronját A H3O+ -ion a katódon felvesz egy elektront H2O + H2O ⇌ H3O+ + OH- H3O+ eltávozik OH- : felhalmozódik

21. Világító uborka Ha egy kovászos vagy sósvizes uborkába két elektródot szúrunk, majd fokozatosan egyre növekvő váltóáramot kapcsolunk rá egy transzformátor segítségével, akkor egy bizonyos értéknél a savanyított uborkában levő nátriumionok gerjesztődnek és nátriumlámpák jellegzetes sárga színét látjuk, az uborka elkezd világítani. Egyes atom-spektroszkópiai módszerek ugyanezen azelven alapulnak. Vigyázat! A nagy feszültségűelektromos áram veszélyes, csak megfelelő óvatossággal dolgozhatunk!

22. Zöld láng Lángszínezést már a XVIII. század közepén alkalmaztak a nátrium- és a kálium sók megkülönböztetésére. A zöld láng különleges, a bór atom jelenlétére utalhat. Igaz, van más elem is, amely hasonló jelenséget válthat ki. Az ortobórsav (H3BO3) alkohollal könnyen képez észtereket. Az egyensúly jobbra tolható néhány csepp tömény kénsavval. A kénsav a folyamatot katalizálja, és dehidratáló szerepe van. H3BO3 + 3 CH3OH = B(OCH3)3 + 3 H2O A keletkező észter illékony és a metil-alkohollal együtt meggyújtható. A láng a bórra jellemző zöld színű lesz.

23. Villogó alkoholAlkoholok és mangán(VII)-oxid reakciója A kálium-permanganát (”hipermangán“) rendkívül erős oxidálószer. Tömény kénsav hatására olajos, zöld színű mangán(VII)-oxid képződik belőle, amely a szerves anyagokat spontán meggyújtja. A kísérletben a tömény kénsavra óvatosan metanolt rétegezünk és ebbe szórunk néhány kristály kálium-permanganátot. A képződő mangán(VII)-oxid a két réteg határfelületén villanások kíséretében oxidálja az alkoholt: 2 KMnO4 + H2SO4= K2SO4 + Mn2O7 + H2O Mn2O7 + CH3OH = 2 MnO2 + CO2 + 2 H2O

24. Lumineszcencia Az élő szervezeteken belüli fénysugárzással járó reakciók esetében biolumineszcenciáról beszélünk. Ezen alapul sok alacsonyabb rendű élőlény fénykibocsátása. Ismerünk lumineszkáló baktériumokat, gombákat, egysejtűeket, hidrákat, férgeket, szivacsokat, korallokat, medúzákat, rákokat, kagylókat, csigákat, tintahalakat, soklábúakat és rovarokat. világító szemű béka kristálymedúza Tengeri „kopoltyús” csiga szentjánosbogár

25. Kétszínű kemilumineszcenciás reakció Magyarázat: A piros fény a pirogallol és a formaldehid oxidációja közben képződő atomos oxigénnek tulajdonítható. A kék fény a luminol oxidációját kíséri, az oxidálószer a hidrogén-peroxid. A képződő hő elősegíti a luminol átalakulását. A luminol fénykibocsájtása a következő átalakulással magyarázható:

26. Reakciót kísérő hőváltozások Endoterm reakció: Szilárd, kristályos bárium-hidroxid és szilárd ammónium-nitrát reakciója során erős lehűlést tapasztalunk, a levegő páratartalma ráfagy a lombik falára. Ba(OH)2.8H2O(sz) + 2NH4NO3(sz) = Ba(NO3)2(sz)+2NH3(aq)+10 H2O(f) ∆H = + 63,6 kJ/mol A mérések szerint -20°C-os hőmérséklet is elérhető így. Az önként végbemenő folyamat csökkenő szabadenergia változását az entrópia növekedése ellenére az entalpia nagy negatív értéke biztosítja.

27. Reakciót kísérő hőváltozások Endoterm reakció:

28. Vulkán a tanteremben Kiindulási anyagunkban egy molekulán belül van az oxidálószer és a redukálószer, így az átalakulás nem egyszerû hőbomlás, hanem redoxifolyamat is. A nitrogénatom oxidációs száma  -3-ról 0-ra nőtt, vagyis oxidálódott, a brómatomé pedig  +6-ról  +3-ra csökkent, vagyis redukálódott. A végtermék, a laza szerkezetû, zöld anyag, a dikróm-trioxid. A bomlás exoterm folyamat, ezért szikrázás közben megy végbe, a képődő víz gőz állapotban eltávozik. (NH4)2Cr2O7 = N2+Cr2O3+4H2O

29. Exoterm reakciókTermit reakció Vas(III)-oxid és finom alumínium por keverékét konzerdobozba tesszük, majd ennek közepébe gyújtókeveréket szórunk. A gyújtókeveréket Mg-szalaggal meggyújtjuk. 2 Al + Fe2O3 = Al2O3 + 2 Fe A reakció igen heves, magas láng csap ki, a hőmérséklet kb. 2500 °C.

30. Reakció gumicukorral Melegítés hatására a nátrium-klorát oxigénfejlődés közben bomlik. A keletkező oxigén és glükóz reakciója során nagy mennyiségű hő szabadul fel.

31. A BZ-reakció kémiája ABelouszov-Zsabotyinszkij(BZ) folyamat nem más, mint savas közegben lejátszódó bromát-bromid reakció, melyben a brómtartalmú reakciópartnerek sorozatos, kételektronos oxidációs-redukciós lépésekben oxigént cserélnek. A folyamat végterméke az elemi bróm: BrO3- + Br - + 2 H+ —> HBrO2 + HOBr [R3] HBrO2 + Br - + H+ —> 2 HOBr [R2] HOBr + Br - + H+ —> Br2 + H2O [R1] „A” folyamat: BrO3- + 5 Br - + 6 H+ —> 3 Br2 + 3 H2O [A] = [R3]+[R2]+3[R1] -------------------------------------------------------------------------------- A „B” folyamat a Ce3+-ion savas oldatbeli oxidációja. BrO3- + HBrO2 + H+ —>2 BrO2 + H2O [R5] BrO2 + Ce3+ + H+ —> HBrO2 + Ce4+ [R6] 2 HBrO2 —> BrO3- + HOBr + H+ [R4] „B” folyamat: BrO3- + 4 Ce3+ + 5 H+ —> HOBr + 4 Ce4+ + 2 H2O [B] = 2[R5]+4[R6]+[R4] http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

32. A BZ-reakció kémiája Az „A” és „B” folyamat tulajdonképpen a bromát hatékony brómozó reagensekké (Br2 és HOBr) való átalakítása eltérő, alternatív utakon. Ezek a brómozó reagensek a malonsavat (MA) bróm-malonsavvá (BrMA) alakítják át: Br2 + MA —> BrMA + H+ + Br - [R8a] HOBr + MA —> BrMA + H2O [R8b] A „C” folyamatban a Ce4+ -ion (hipobrómossav jelenlétében) a következő sztöchiometriai egyenletek szerint oxidálja a szerves savakat és brómozott származékaikat : 6 Ce4+ + MA + 2 H2O + HOBr —> 6 Ce3+ + 3 CO2 + 7 H+ + Br - [R9] 4 Ce4+ + BrMA + 2 H2O + HOBr —> 4 Ce3+ + 3 CO2 + 6 H+ + 2Br - [R10] A MA (és BrMA) hatása kettős: fogyasztja a brómatomokat, de ugyanakkor bromidion-forrás. http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

33. A BZ-reakció kémiája Az FKN-mechanizmus szerint a BZ-reakció oszcillációs viselkedésének oka az "A" és "B" folyamatok közötti versenyben keresendő. Lényegében a bromidion és a brómossav (két aktív köztitermék) verseng a savas bromáttal való reakcióért. Így, amikor bromidion van feleslegben, a HBrO2 koncentrációja nagyon lecsökken, és a bromátionok a „A” folyamat szerint redukálódnak (a „termék” Br2); amikor pedig a HBrO2 van feleslegben, akkor a Br- koncentrációja csökken le az [R2] reakcióban, s így a bromátionok a „B” folyamat szerint redukálódnak (a „termék” HOBr). Kiinduláskor sok bromidion van jelen, ezért az„A” folyamatdominál, vagyis a koncentrációjuk csökken. Amint azonban a bromidionok koncentrációja egy kritikus érték alá csökken, a HBrO2 koncentrációja az autokatalitikus„B” folyamatbanexponenciálisan növekszik. A Br- koncentráció végül olyan kicsi lesz, hogy az „A” folyamat gyakorlatilag leáll. Rövidesen a „B” reakció is leáll, mert elfogy a redukált fémion. Eközben a fémion oxidált formája a szerves anyaggal reagálva(„C” folyamat)bromidionokat tesz szabaddá. Ha ezek koncentrációja a kritikus koncentráció fölé nő, akkor a „B” folyamat leáll, és újból az „A” folyamat lesz domináns.Így a ciklus elölről kezdődik. http://delfin.klte.hu/~gasparv/doktori/oszcillacio.html#FKN

34. KÖSZÖNJÜK A FIGYELMET! További jó szórakozást kívánunk! http://www.uni-miskolc.hu/home/web/wwwkoh/www/hun/kemiai_int/index.html