Chemia jako nauka przyrodnicza powinna opierać się na obserwacjach zjawisk oraz wyciąganiu wniosków. Z uwagi na zagrożenie epidemiologiczne związane z koronawirusem (SARS-CoV-2), zdarza się, że prace laboratoryjne w wielu szkołach zostały ograniczone do minimum, a często nie odbywają się wcale. Ponadto, z uwagi na napięty do granic możliwości program szkolny, bardzo często nie ma możliwości powtórzenia eksperymentu, dlatego dane doświadczenie nauczyciel pokazuje tylko raz, a Ty prawdopodobnie chciałbyś/chciałabyś zobaczyć takowe ponownie w celu łatwiejszego zrozumienia towarzyszących jemu procesów. Jest na to pewien sposób 🙂

W naszych mieszkaniach znajdują liczne substancje chemiczne, które możemy wykorzystać podczas domowych eksperymentów. Bardzo często jednak nie dysponujemy danym odczynnikiem, a jest on niezbędny do przeprowadzenia wielu doświadczeń opisanych w podstawie programowej. Możemy oczywiście dokonać zakupu brakującego reagenta, jednak ja mam dla Ciebie inną, zdecydowanie ambitną propozycję… Taką substancję można „wyprodukować” samodzielnie, korzystając z tego, czym dysponujemy w domu. Przy okazji możesz zaobserwować wiele interesujących zjawisk fizykochemicznych…

Jeśli masz duszę odkrywcy, a chemia jest również Twoją pasją, zapraszam Cię do zapoznania się z opisem syntezy odczynnika, jakim jest etanian miedzi(II). Związek ten można wykorzystać jako wyjściowy reagent stanowiący zamiennik siarczanu(VI) miedzi(II) do wykonania próby Trommera, biuretowej, czy reakcji odróżniającej alkohole mono- oraz polihydroksylowe oraz do przeprowadzenia wielu innych reakcji chemicznych.

Podstawy chemiczne reakcji miedzi z wodą utlenioną w środowisku wodnego roztworu kwasu octowego

Świeżo otrzymana miedź jest metalem o barwie różowej, jednak w miarę upływu czasu, z uwagi na pokrywanie jej powierzchni bardzo cienką warstwą różnych produktów utleniania miedzi, pojawia się zabarwienie różowo-brązowe, czarne (tlenek CuO), a niekiedy i zielone (patyna [Cu(OH)]₂CO₃).

Miedź jest metalem mało aktywnym. Potencjał standardowy redoks dla reakcji połówkowej Cu → Cu²⁺ + 2ē ma wartość +0,34 V, czyli większą niż dla reakcji połówkowej

2H⁺ + 2ē → H₂ (potencjał standardowy redoks 0 V).

Oznacza to, że jony wodorowe (H⁺) są zbyt słabym utleniaczem, aby móc utlenić miedź do jonów Cu²⁺. W konsekwencji reakcja miedzi (Cu) z kwasem octowym (CH₃COOH) nie przebiegnie. Można jednak temu zaradzić, wprowadzając do wyżej opisanej mieszaniny dostatecznie silny utleniacz. Może nim być tlen, jednak w naszym przypadku wykorzystamy łatwo dostępną wodę utlenioną, czyli 3-procentowy wodny roztwór nadtlenku wodoru (H₂O₂). W środowisku kwasowym potencjał standardowy redoks reakcji połówkowej

H₂O₂ + 2H⁺ + 2ē → 2H₂O

ma wartość +1,76 V. Ponieważ wartość 1,76 V jest większa, niż 0,34 V, oznacza to, że w środowisku kwasowym nadtlenek wodoru jest na tyle silnym utleniaczem, że ma możliwość utlenienia miedzi do dwudodatnich jonów. Źródłem jonów wodorowych warunkujących kwasowe środowisko reakcji w naszym układzie jest kwas octowy, który pomimo, że jest słabym elektrolitem (K_a = 1,8·10^–5), to jednak pewna liczba jego cząsteczek ulega dysocjacji elektrolitycznej zgodnie z równaniem:

CH₃COOH + H₂O ⇄ CH₃COO^– + H₃O⁺

Jak widzisz, w wodnym roztworze kwasu octowego ustala się stan równowagi dynamicznej, co przedstawiono za pomocą dwóch strzałek (⇄) w zapisie równania dysocjacji kwasu. Ponieważ jony wodorowe pochodzące z dysocjacji kwasu octowego zużywają się podczas reakcji utleniania miedzi:

Cu + H₂O₂ + 2H⁺ → Cu²⁺ + 2H₂O

to zgodnie z regułą przekory Le Chateliera-Brauna równowaga procesu dysocjacji kwasu octowego przesuwa się w prawo, w kierunku tworzenia kolejnych jonów wodorowych oraz anionów octanowych. Ostatecznie, sumaryczne równanie procesu utleniania miedzi nadtlenkiem wodoru w wodnym roztworze kwasu octowego przyjmuje postać:

Cu + H₂O₂ + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Cu + 2H₂O

Objawem przebiegającej reakcji chemicznej podczas prowadzonego eksperymentu jest między innym pojawienie się niebieskiego zabarwienia roztworu, czego przyczyną jest pojawienie się jonów Cu²⁺. Ponadto w miarę postępu tworzenia się roztworu octanu miedzi(II) możemy zaobserwować również pojawienie się pęcherzyków bezbarwnego gazu, jakim jest tlen. Jego cząsteczki pochodzą z reakcji rozkładu nadtlenku wodoru:

2H₂O₂ → 2H₂O + O₂↑

Zwróć uwagę, że nie użyłem słów „bezwonny gaz” w odniesieniu do tlenu, ponieważ z uwagi na wyczuwalny jednocześnie charakterystyczny zapach octu byłaby to obserwacja nieprawidłowa.

Gdy już znane Ci są podstawy teoretyczne procesów, jakie przebiegają podczas utleniania miedzi za pomocą nadtlenku wodoru w środowisku kwasowym, teraz przejdziemy do części eksperymentalnej…

Jeśli nie masz możliwości przeprowadzenia opisanych niżej czynności w warunkach domowych, to mimo wszystko zachęcam do dalszej lektury tego artykułu, ponieważ omówione zostały kolejne istotne zagadnienia, z jakimi możesz zetknąć się na maturze z chemii.

Na początek musisz pamiętać o przestrzeganiu poniższych zasad:

1. Wybierz miejsce, w którym przeprowadzisz wszelkie czynności laboratoryjne.

2. Dobrze, jeśli będziesz mieć jakąś większych wymiarów stabilną podkładkę na stół.

3. Zarówno podkładka jak i wybrane miejsce musi znajdować się z dala od żywności.

4. Na każdym etapie eksperymentu stosuj rękawiczki ochronne. Mają one na celu nie tylko ochronę Twoich dłoni, ale i reagenta jakim jest drucik miedziany, który mógłby zostać przez Ciebie zanieczyszczony – chociażby lipidami, jakie znajdują się na Twoich dłoniach.

Odczynniki

Do przeprowadzenia eksperymentu potrzebne będą następujące odczynniki:

1. Ocet spożywczy (wodny roztwór kwasu octowego) – do kupienia w każdym sklepie spożywczym.

2. Woda utleniona, którą kupisz w każdej aptece, bez recepty.

3. Woda destylowana/dejonizowana, do kupienia w supermarkecie. Posłuży do przepłukania naczyń.

4. Drucik miedziany o długości 20-30 cm oraz średnicy 2,5-4 milimetrów. Można go nabyć w dowolnej długości w dowolnym sklepie z materiałami budowlanymi, oraz w sklepach elektrotechnicznych.

W ostateczności możesz po prostu zdjąć izolację ze starego (nieużywanego) przewodu zasilającego. Tutaj jednak zalecam ostrożność z kilu przyczyn. Po pierwsze istnieje ryzyko skaleczenia się. Po drugie miedź znajdująca się w takim przewodzie może mieć domieszki aluminium. Ponadto zdarza się, że niektóre przewody zasilające między warstwami izolacji mogą zawierać wodorotlenek glinu (biały proszek). Związek ten dodaje się, w celu obniżenia palności przewodu elektrycznego w razie wybuchu ewentualnego pożaru. No i na koniec – na powierzchni miedzi mogą pozostać bardzo cienkie, niewidoczne gołym okiem fragmenty izolacji, które skutecznie separują metal od roztworu. W konsekwencji utrudnia to, a zdarza się, że wręcz uniemożliwia przebieg reakcji chemicznej.

PAMIĘTAJ !

Ocet, woda utleniona oraz miedź i woda destylowana nie są klasyfikowane jako substancje niebezpieczne, ale powstały roztwór zawierający octan miedzi(II) już tak – wszak zawiera on sól metalu ciężkiego! Dlatego koniecznie pamiętaj o tym, aby podczas eksperymentu nie spożywać żadnych pokarmów oraz bezwzględnie zakładaj rękawiczki ochronne !

Sprzęt

1. Szklany słoik o pojemności 300 – 500 ml z nakrętką.

2. Podkładka na blat, w celu jego ochrony przed ewentualnym zalaniem.

3. Ręcznik papierowy/papier toaletowy, aby przetrzeć ewentualne zalania.

Przebieg doświadczenia

Pamiętaj o założeniu rękawiczek – miedź nie jest toksyczna, lecz chodzi o to, aby podczas dotykania jej nie natłuścić powierzchni metalu, która będzie wtedy słabiej podatna na reakcję chemiczną. Drucik miedziany przecieramy zwilżonym wodą destylowaną ręcznikiem papierowym i płuczemy obficie wodą destylowaną. Następnie formujemy go w taki sposób, aby zajmował możliwie najmniej miejsca w obrębie naczynia. Ponadto warto jest pozostawić dłuższy prosty odcinek drucika, aby sięgał niemalże do wylotu ze słoika. Pozwoli to bez większych problemów usunąć go po zakończeniu reakcji chemicznej.

Drucik wprowadzamy do pustego słoika i wlewamy ocet spożywczy w takiej ilości, aby powierzchnia lustra roztworu znajdowała się około 0,5  cm do 1 cm nad ułożonym na dnie naczynia drucikiem. Następnie do takiego układu dodajemy 20-25 ml wody utlenionej. Objętość taka odpowiada pojemności jednego kieliszka. Zawartość naczynia mieszamy, przykrywamy nakrętką i lekko zakręcamy, tak aby nie poczuć oporu. Układ przed oraz po zmieszaniu wszystkich składników  znajduje się na poniższej fotografii.

Już po kilkunastu minutach możemy zaobserwować bladoniebieskie zabarwienie roztworu w obszarze, gdzie znajduje się miedź, a po około 2,5 godzinach zawartość słoika wygląda następująco:

Zwróć uwagę na to, gdzie pojawiło się niebieskie zabarwienie roztworu, które nadają obecne w nim hydratowane jony miedzi(II). Kolor ten widoczny jest wyłącznie w obszarze znajdującym się w stosunkowo bliskiej odległości od miedzi, natomiast w górnej części roztworu zabarwienie jest praktycznie niewidoczne. To, co widzisz jest przykładem zjawiska dyfuzji, czyli samorzutnego mieszania się różnych drobin. Ponadto można zaobserwować wspomniane wcześniej pęcherzyki bezbarwnego gazu (tlen).

Przy okazji prowadzonego doświadczenia, przed dodaniem kolejnej porcji wody utlenionej postanowiłem zbadać sumaryczny efekt cieplny procesów przebiegających w naczyniu po 3 godzinach od momentu rozpoczęcia reakcji chemicznej. W tym celu wykorzystałem widoczny na poniższej fotografii termometr laboratoryjny.

Jak widzimy, temperatura otoczenia wynosiła 25 ^oC. Po umieszczeniu termometru w roztworze i odczekaniu kilkunastu minut, odczytałem kolejne wskazanie temperatury – około 27,5 ^oC, co oznacza, że przebiegający w naczyniu proces jest egzotermiczny.

Po około trzech godzinach, jakie upłynęły od zmieszania reagentów dodajemy jeszcze nieco wody utlenionej (około 10 ml) i mieszamy zawartość słoiczka.

Po 24 godzinach od momentu rozpoczęcia reakcji chemicznej roztwór jest już intensywnie niebieski, ale dodajemy jeszcze nieco wody utlenionej, żeby zwiększyć stopień przereagowania pozostałych dwóch substratów. Reakcję można uznać za zakończoną po około 48 godzinach od jej rozpoczęcia. Faza wodna przyjmuje wtedy intensywnie niebieskie zabarwienie:

Pozostały po reakcji, usunięty z roztworu drucik miedziany płuczemy wodą destylowaną i suszymy, aby mógł zostać przez nas wykorzystany do kolejnych eksperymentów. Tak wygląda on po 48-godzinnej kąpieli w roztworze kwasu octowego z wodą utlenioną. Zwróć uwagę, że obszar drucika, który nie był zanurzony w  roztworze pozostał nienaruszony:

Jeśli porównasz wygląd drucika – przed reakcją oraz po jej zakończeniu, z pewnością zauważysz, że zniknął z niego widoczny miejscami czarny nalot, który stanowił amfoteryczny tlenek miedzi(II). Przyczyną tego zjawiska jest reakcja chemiczna:

CuO + 2CH₃COOH → (CH₃COO)₂Cu + H₂O

Jak widzisz, właśnie udowodniliśmy, że nie tylko mocne, ale i słabe kwasy reagują z tlenkami amfoterycznymi… Uzyskany po zakończeniu doświadczenia roztwór jest lekko zakwaszony kwasem octowym, który użyty został w nadmiarze. W wodnym (ale niezakwaszonym) roztworze octanu miedzi(II) przebiega proces hydrolizy kationowo-anionowej, ponieważ jest to sól słabego kwasu i słabej zasady. Lekko kwasowe środowisko natomiast uniemożliwia tworzenie się ewentualnych śladów wodorotlenku miedzi(II) oraz produktu jego rozkładu (CuO). Ma to swoje uzasadnienie, jeśli roztwór chcemy przechowywać przez długi okres czasu (mój nadaje się do pracy od około 3 lat). Pamiętajmy jednak, że do próby Trommera potrzebne jest środowisko silnie zasadowe, a takie możemy uzyskać bez najmniejszych problemów…

Na zakończenie artykułu podpowiem, do czego można wykorzystać uzyskany roztwór? Stosujemy go:

– do otrzymania wodorotlenku miedzi(II) oraz tlenku miedzi(II),

– w reakcji odróżniającej alkohol monohydroksylowy (np. etanol) od polihydroksylowego (np. gliceryna),

– do przeprowadzenia próby Trommera z udziałem glukozy lub fruktozy,

– do przeprowadzenia próby biuretowej z białkiem jaja kurzego (lub żelatyny spożywczej),

– do badania aktywności chemicznej metali (wypieranie miedzi za pomocą bardziej aktywnego chemicznie metalu),

Jak widzisz, jeden dodatkowy odczynnik daje olbrzymie możliwości do przeprowadzenia kolejnych doświadczeń chemicznych, które pozwolą dokonać wielu interesujących obserwacji oraz wyciągnąć na ich podstawie stosowne wnioski, co jest niezbędne podczas nauki przedmiotów przyrodniczych.

Spodobał Ci się ten artykuł? Polub mój fanpage na Facebooku oraz na Instagramie, aby nie ominęły Cię żadne nowości.

© dr inż. Rafał Szczypiński, wszelkie prawa zastrzeżone