Ile waży błękit?
Poniższy artykuł został opublikowany pierwotnie w czasopiśmie dla nauczycieli Chemia w Szkole (2/2023):

Czy barwa może mieć jakiś ciężar? Dziwne to pytanie; nie jest więc dla czytelnika zapewne zdziwieniem, że odpowiedź może nie być oczywista.
Zastanówmy się czym jest barwa. W ściśle fizycznym znaczeniu barwa jest reprezentacją długości fali promieniowania elektromagnetycznego z zakresu widzialnego. Człowiek widzi światło w zakresie długości fal mniej więcej 380-780 nanometrów, przy czym najkrótsze długości fal są przez nas dostrzegane jako światło niebieskie i fioletowe, najdłuższe zaś jako czerwone (reszta barw ma długości fali pośrednie między tymi dwiema). W tym sensie zastanawianie się nad ciężarem barwy jest bezsensowne, ponieważ fotony nie wykazują masy spoczynkowej, a tym bardziej nie posiada jej fala elektromagnetyczna.
Mimo wszystko chemik potrafiłby jednak wygrać zakład, że uda mu się zważyć kolor niebieski. W tym celu wykorzystamy właściwości pentahydratu siarczanu(VI) miedzi(II).
Siny kamień
Siarczan(VI) miedzi(II) jest solą często i powszechnie wykorzystywaną w laboratoriach chemicznych i przemyśle [1]. Można ją stosować na przykład jako donor jonów miedzi dwuwartościowej w próbie Fehlinga i innych reakcjach charakterystycznych. Substancja ta w normalnych warunkach formuje piękne, duże kryształy o barwie niebieskiej (Fot.1).
Siarczan ten bywa z racji swojej barwy nazywany sinym lub niebieskim kamieniem, występuje też w naturze jako minerał chalkantyt. Z czasów alchemików pochodzi także jego inna nazwa, a mianowicie witriol [2]. Witriolami nazywano wiele różnych substancji, i ciekawostką może być fakt, że nazwa ta jest w istocie alchemicznym akronimem łacińskim, który brzmi:
"Visita Interiora Terrae Rectificando Invenies Occultum Lapidem",
co mogę przetłumaczyć jako:
"Zwiedź wnętrze Ziemi, dzięki oczyszczeniu znajdziesz tam ukryty kamień".
Jest to oczywiste nawiązanie do poszukiwań kamienia filozoficznego, na czym wielu alchemików strawiło swe życia. Było to oczywiście z góry skazane na porażkę, należy jednak oddać niektórym alchemikom szacunek, ponieważ w czasie swoich prac odkryli oni wiele praw i substancji, co położyło kamień węgielny pod rozwój nowej, prawdziwej nauki, którą nazywamy dziś chemią.
Siarczan(VI) miedzi(II) nie jest silną trucizną, ale wykazuje działanie toksyczne. Należy zachować ostrożność i przedsięwziąć odpowiednie środki bezpieczeństwa. Przy ogrzewaniu substancji trzeba uważać, ponieważ oparzenia termiczne są bolesne i goją się dosyć długo.
Ważymy!
Do przeprowadzenia doświadczenia potrzebujemy właściwie tylko siarczanu(VI) miedzi(II) w postaci pentahydratu CuSO4·5H2O. Kryształy sproszkujmy, ucierając je w moździeżu. Otrzymany proszek ma nieco jaśniejszy kolor niż kryształy, jednak z całą pewnością w dalszym ciągu jest niebieski. Następnie musimy wyznaczyć masę posiadanej substancji, dokonując ważenia (Fot.2).
Możemy zauważyć, że użyłem 10,04 grama CuSO4·5H2O w postaci niebieskiego proszku. Wykorzystaniu substancji sproszkowanej przyspiesza proces odwadniania.
Teraz musimy ogrzewać substancję do temperatury około 200°C przez kilkanaście minut. W tym czasie dochodzi do wyraźnie widocznej zmiany: znika błękitna barwa substancji, a proszek staje się teraz biały. Podczas ogrzewania warto kilkukrotnie przemieszać substancję. Po całkowitej zmianie barwy na białą studzimy substancję dosyć szybko do temperatury pokojowej, w miarę możliwości izolując ją od wpływu wilgoci atmosferycznej. Dokonujemy ponownego ważenia (Fot.3).
Waga wskazuje teraz 6,44 grama. W czasie ogrzewania znikła barwa niebieska, zaś masa próbki zmalała o 3,60g (10,04g – 6,44g). Stąd możemy wyciągnąć wniosek, że właśnie tyle waży kolor niebieski. Czy słusznie?
Wyjaśnienie
Siarczan(VI) miedzi(II) CuSO4 w zwykłych warunkach występuje pod postacią hydratu, czyli soli uwodnionej. W takich substancjach cząsteczki wody zostają zamknięte w obrębie sieci krystalicznej innego związku. Hydraty mają to do siebie, że na jedną cząsteczkę soli przypada ściśle określona ilość cząsteczek wody, w przypadku omawianego siarczanu jest ich pięć. Jest to więc pentahydrat o wzorze CuSO4·5H2O [3].
W wyniku ogrzewania hydrat traci wodę, która wyparowuje; w temperaturze 197°C sól staje się bezwodna i zmienia kolor na biały:
Ulatująca z układu reakcyjnego woda powoduje ubytek masy. Drogą prostych obliczeń możemy dojść wielkości tej zmiany. Potrzebna nam będzie masa molowa hydratu i wody:
MH2O=18g/mol
Znając zależności molowe wynikające z równania reakcji, a także ilość wziętego do doświadczenia hydratu, możemy sformułować poniższą proporcję (w przeliczeniu na mol):
249,69g CuSO4·5H2O –- 5*18g H2O | (dane z równania reakcji) |
10,04g CuSO4·5H2O –- xg H2O | (ile było w rzeczywistości) |
Wynika stąd równanie pozwalające na wyliczenie ilości wody, jaka powinna odparować w tym doświadczeniu:
xg H2O = 3,62g
W ten sposób wyznaczyliśmy ilość wody, jaka odparowała w trakcie prażenia hydratu. Otrzymany wynik jest bardzo zbliżony do uzyskanego empirycznie dzięki ważeniu (3,60g). W ten sposób możemy stwierdzić z całą pewnością, że zważyliśmy nie sam kolor niebieski, lecz wodę - na skutek ogrzewania usunęliśmy ją z sieci krystalicznej, co pociągnęło za sobą zmianę barwy.
Trzeba też wspomnieć, że możliwy jest proces odwrotny: otrzymana sól bezwodna jest bardzo higroskopijna i łatwo chłonie wilgoć nawet z powietrza. Efektem tego jest fakt, że wystawiony na kontakt z powietrzem biały CuSO4 (Fot.4A) po pewnym czasie przejdzie w CuSO4·5H2O, a niebieska barwa zostanie przywrócona (Fot.4B).
Warto zauważyć, że proces odwadniania hydratu jest endoergiczny (endotermiczny) ponieważ w jego czasie musimy dostarczać do układu energię na sposób ciepła. Prawa termodynamiki wymagają aby proces odwrotny – to znaczy uwodnienie pociągające za sobą zmianę barwy na niebieską – był egzoergiczny (egzotermiczny). I rzeczywiście, jeśli doprowadzimy do nagłego uwodnienia, np. zalewając sól bezwodną niewielką ilością wody, to substancja zauważalnie ogrzeje się.
Literatura:
- [1] Bacon G.E., Titterton D.H., Neutron-diffraction studies of CuSO4·5H2O and CuSO4·5D2O, Zeitschrift für Kristallographie, 1975, 141(5-6), str. 330-341 powrót
- [2] Doroszewski W., Witriol, w: Słownik języka polskiego PWN, PWN, Warszawa, 1958-1969 powrót
- [3] Kokkoros P.A., Rentzeperis P.J., The crystal structure of the anhydrous sulphates of copper and zinc, Acta Crystallographica, 1958, 11(5), str. 361-364 powrót
Wszystkie fotografie i rysunki zostały wykonane przez autora
Marek Ples