Εργαστηριακές δραστηριότητες Χημείας (ΙΙ)

Στο πλαίσιο μιας σειράς επιμορφωτικών συναντήσεων με θέμα την εργαστηριακή διδασκαλία του μαθήματος της Χημείας στη βαθμίδα του Γυμνασίου και του Λυκείου, στο Ε.Κ.Φ.Ε Κορινθίας υλοποιήθηκε ένα σύνολο εργαστηριακών δραστηριοτήτων που περιγράφονται αναλυτικά στη συνέχεια.

 

ΙΙ. Εντυπωσιακές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής

Οι οξειδοαναγωγικές αντιδράσεις συχνά συνοδεύονται από εντυπωσιακές μεταβολές στο χρώμα ενός διαλύματος. Μάλιστα καθώς οι αντιδράσεις μπορούν να συμβούν μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα, οι δραματικές και διαδοχικές αλλαγές στο χρώμα του διαλύματος μπορούν να ενεργοποιήσουν το ενδιαφέρον τον μαθητών. Στη συνέχεια περιγράφονται τρεις τέτοιες χαρακτηριστικές εργαστηριακές δραστηριότητες επίδειξης που υλοποιήθηκαν στο Ε.Κ.Φ.Ε. στο πλαίσιο των επιμορφωτικών συναντήσεων Χημείας.

α. Αντίδραση “Χημικός Χαμαιλέων”

Πρόκειται για μια από τις πιο διαδεδομένες δραστηριότητες επίδειξης μεταβολής του χρώματος ενός διαλύματος KMnO₄ που σχετίζεται με τις διάφορες φάσεις οξείδωσης του μαγγανίου. Για την υλοποίηση της αντίδρασης απαιτείται η ανάμειξη διαλύματος KMnO₄ και αλκαλικού διαλύματος ζάχαρης. Κατά την ανάμειξη των δύο παραπάνω διαλυμάτων, το KMnO₄ ανάγεται (κερδίζει ηλεκτρόνια), ενώ η ζάχαρη οξειδώνεται (χάνει ηλεκτρόνια). Αυτό συμβαίνει σε δύο στάδια: Αρχικά τα υπερμαγγανικά ιόντα (μωβ στο διάλυμα) ανάγονται προκειμένου να σχηματίσουν μαγγανικά ιόντα (πράσινα στο διάλυμα,) σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση:

MnO₄^– _(aq)+ e^– → MnO₄^2- _(aq)

Καθώς η αντίδραση προχωρά, τα δύο ιόντα είναι ταυτόχρονα παρόντα στο διάλυμα με αποτέλεσμα το χρώμα του διαλύματος να φαίνεται μπλε. Σταδιακά όμως τα μαγγανικά ιόντα υπερισχύουν, έχοντας ως αποτέλεσμα τη μεταβολή του χρώματος του διαλύματος σε πράσινο. Στη συνέχεια τα ιόντα αυτά ανάγονται περαιτέρω σχηματίζοντας διοξείδιο του μαγγανίου σύμφωνα με την παρακάτω αντίδραση:

MnO₄^2- _(aq) + 2 H₂O _(l)+ 2 e^– → MnO_2(aq) + 4 OH^–_(aq)

Η παρουσία του MnO₂ στο διάλυμα κάνει το διάλυμα να φαίνεται πορτοκαλοκίτρινο. Αν όμως το διάλυμα αφεθεί να ηρεμήσει για αρκετή ώρα το MnO₂ θα καθιζήσει, αφήνοντας το διάλυμα διάφανο.

 

Υλικά

• 2mg KMnO₄
• 6g ζάχαρης
• 10g NaOH
• απιονισμένο νερό

 

Εκτέλεση

Αρχικά παρασκευάζουμε τα δύο διαλύματα που περιγράφονται παρακάτω:

Διάλυμα 1

Διαλύουμε ίχνη στερεού KMnO₄ σε 500ml απιονισμένο νερό. Ρυθμίζουμε την ποσότητα του στερεού ώστε το χρώμα του διαλύματος να μην είναι έντονα μωβ και να μπορούν να παρατηρηθούν οι χρωματικές μεταβολές.

Διάλυμα 2

Διαλύουμε τη ζάχαρη και το καυστικό νάτριο σε 750ml νερό.

Στη συνέχεια, ρίχνουμε το διάλυμα ζάχαρης στο διάλυμα υπερμαγγανικού καλίου. Παρατηρούμε άμεσα την πρώτη χρωματική μεταβολή του διαλύματος KMnO4 από μωβ σε μπλε χρώμα. Σε σύντομο χρονικό διάστημα το χρώμα μεταβάλλεται ξανά από μπλε σε πράσινο, όμως χρειάζεται μερικά λεπτά για να πάρει το τελικό πορτοκαλοκίτρινο χρώμα του, όσο σχηματίζεται το ίζημα του MnO₂.

 

β. Αντίδραση “Φωτεινός Σηματοδότης”

Πρόκειται για μια εντυπωσιακή εργαστηριακή δραστηριότητα επίδειξης, που περιλαμβάνει τη δραματική μεταβολή του χρώματος διαλύματος ινδικής καρμίνης όταν μέσα σε αυτό διαλυθεί αλκαλικό διάλυμα γλυκόζης. Η ινδική καρμίνη είναι ένας δείκτης που μπορεί να υπάρξει σε μια οξειδωμένη, μια ενδιάμεση και μια ανηγμένη μορφή. Αρχικά το έντονο μπλε χρώμα του διαλύματος της ινδικής καρμίνης μετατρέπεται σε πράσινο χρώμα (οξειδωμένη μορφή), παρουσία αλκαλικού διαλύματος. Στη συνέχεια, η γλυκόζη ανάγει την ινδική καρμίνη μετατρέποντας το διάλυμα όσο αυτό αφήνεται να ηρεμήσει αρχικά σε κόκκινο (ενδιάμεση μορφή) και τελικά σε κίτρινο (ανηγμένη μορφή). Ωστόσο, όταν η φιάλη αντίδρασης ανακινείται ελαφρώς και η ανηγμένη ινδική καρμίνη επαναοξειδώνεται, η μεταβολή αντιστρέφεται. Το χρώμα του διαλύματος μετατρέπεται σε κόκκινο με την έναρξη της οξείδωσης και, εάν γίνει έντονη ανακίνηση, δημιουργείται εκ νέου ένα πλήρως οξειδωμένο πράσινο διάλυμα.

Υλικά

• Διάλυμα ΝαΟΗ 1M
• Διάλυμα γλυκόζης 2% w/v
• Ινδική καρμίνη

Εκτέλεση

Σε κωνική φιάλη τοποθετούμε μικρή ποσότητα ινδικής καρμίνης διαλυμένης σε 50ml νερό. Παράλληλα βάζουμε 20ml διαλύματος ΝαΟΗ 1Μ σε υδατόλουτρο. Ρίχνουμε το θερμό διάλυμα του καυστικού νατρίου στην κωνική φιάλη. Το βαθύ μπλε χρώμα του δείκτη γίνεται πράσινο εξαιτίας του αλκαλικού διαλύματος. Στη συνέχεια προσθέτουμε στην κωνική 40ml διαλύματος γλυκόζης. Το χρώμα του διαλύματος στην κωνική γίνεται σταδιακά κόκκινο, πορτοκαλί και τέλος κίτρινο, εξαιτίας του αναγωγικού παράγοντα (γλυκόζη). Αναδεύοντας ελαφρά τη φιάλη το διάλυμα επαναχρωματίζεται κόκκινο. Με βίαιη ανάδευση το διάλυμα χρωματίζεται πράσινο.

 

γ. Το κρασί – νερό: Αποχρωματισμός διαλύματος ΚΜnO₄

Τα διαλύματα υπερμαγγανικού κάλιου έχουν χρώμα βαθύ μωβ. Όμως σε όξινο περιβάλλον το ΚΜnO₄ δρα ως έντονα οξειδωτικό μέσο και το αποτέλεσμα της δράσης του είναι ο σχηματισμός ενώσεων δισθενούς Mn⁺² που είναι κατά κανόνα άχρωμες στο διάλυμα. Συνεπώς η προτεινόμενη εργαστηριακή δραστηριότητα αναφέρεται στον αποχρωματισμό όξινου διαλύματος υπερμαγγανικού καλίου παρουσία στερεού Na₂SO₃ σύμφωνα με την αντίδραση:

2 KMnO₄ + 5 Na₂SO₃ + 3 H₂SO₄ → 2MnSO₄ + 5 Na₂SO₄ + K₂SO₄ +3 H₂O

Πειραματική διαδικασία:

Αρχικά παρασκευάζουμε διάλυμα ΚΜnO₄ ρίχνοντας ίχνη στερεού υπερμαγγανικού σε 400ml απιονισμένο νερό. Φροντίζουμε το χρώμα του διαλύματος να είναι ανοιχτό φούξια. Μόλις το στερεό διαλυθεί πλήρως μεταφέρουμε το διάλυμα σε πλαστικό μπουκάλι αναψυκτικού, συνολικού όγκου 1,5L (Εικόνα 1).

Εικόνα 1: Διάλυμα ΚΜnO₄

Στη συνέχεια οξινίζουμε το διάλυμα προσθέτοντας στο μπουκάλι 2ml H₂SO₄ 1Μ (περίπου 20 σταγόνες) και αναδεύουμε. Βρέχουμε λίγο βαμβάκι, το σφηνώνουμε στο καπάκι και βάζουμε πάνω του αρκετή ποσότητα στερεού Na₂SO₃ (Εικόνα 2).

Εικόνα 2: Καπάκι αναψυκτικού

 

Τέλος κλείνουμε το καπάκι και αναποδογυρίζουμε το μπουκάλι παρατηρώντας το ΚΜnO4 να αποχρωματίζεται.

 

δ. Οξείδωση αιθανόλης

Οι πρωτοταγείς και δευτεροταγείς αλκοόλες οξειδώνονται σε αλδεΰδες και κετόνες αντίστοιχα. Για την οξείδωση τους αξιοποιούνται συνήθως διαλύματα οξειδωτικών, όπως για παράδειγμα διαλύματα ΚΜnO₄ ή K₂Cr₂O₇ , σε όξινο περιβάλλον.

 

1. Οξείδωση αιθανόλης με ισχυρό οξειδωτικό μέσο όξινο διάλυμα ΚΜnO₄

Σε θερμάντοχο σωλήνα ρίχνουμε περίπου 1ml αιθανόλης. Προσθέτουμε 5ml διαλύματος ΚΜnO₄ παρουσία H₂SO₄ (περίπου 10 σταγόνες πυκνού διαλύματος H₂SO₄). Με τη θέρμανση του σωλήνα παρατηρούμε αποχρωματισμό του διαλύματος, εξαιτίας του σχηματισμού της ένωσης ΜnSO₄ στο διάλυμα που είναι άχρωμη.

 

2. Οξείδωση αιθανόλης με οξειδωτικό μέσο όξινο διάλυμα K₂Cr₂O₇ (αλκοτέστ)

Ακολουθούμε ακριβώς την ίδια διαδικασία με πριν, μόνο που τώρα ως οξειδωτικό μέσο χρησιμοποιούμε διάλυμα K₂Cr₂O₇ , σε όξινο περιβάλλον. Η αιθανόλη οξειδώνεται , ενώ παράλληλα σχηματίζεται η ένωση Cr2(SO4)3 που έχει χαρακτηριστικό πράσινο χρώμα.

CH₃CH₂OH + K₂Cr₂O₇ + 4H₂SO₄ → 3CH₃CH═O + Cr₂(SO₄)₃ + K₂SO₄ +7H₂O

 

γ. Οξείδωση αιθανόλης παρουσία του ήπιου οξειδωτικού μέσου CuO

Σε αυτήν την περίπτωση ένα μεταλλικό χάλκινο έλασμα θερμαίνεται σε λύχνο Bunsen, οπότε και επικαλύπτεται με CuO παίρνοντας χαρακτηριστικό μαύρο χρώμα. Το θερμό έλασμα στερεώνεται σε μικρή απόσταση πάνω από ογκομετρικό δοχείο που περιέχει ποσότητα αιθανόλης. Οι ατμοί της αιθανόλης έχουν ως αποτέλεσμα το CuO να ανάγεται σε Cu και το έλασμα να αποκτά το αρχικό του χάλκινο χρώμα.

CH₃CH₂OH + CuO → CH₃CH═Ο + Cu +H₂O