Weird Science

Ile waży błękit?

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

Ilustracja

Ples M., Ile waży błękit?, Che­mia w Szkole, 2 (2023), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 43-44

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.1 – Krysz­tały siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.2 – Pomiar masy uwod­nio­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.3 – Pomiar masy wysu­szo­nego siar­czanu(VI) mie­dzi(II)

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:

CuSO4·5H2O (nie­bie­ski) → CuSO4 (biały) + 5H2O↑

Ula­tu­jąca z układu reak­cyj­nego woda powo­duje uby­tek masy. Drogą pro­stych obli­czeń możemy dojść wiel­ko­ści tej zmiany. Potrzebna nam będzie masa molowa hydratu i wody:

MCuSO­4·5H2O = 249,69g/mol
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).

Ilustracja:

Kliknij, aby powiększyć

Fot.4 – Zmiana barwy siar­czanu(VI) mie­dzi(II); A – sub­stan­cja bez­wodna (biała), B – sub­stan­cja uwod­niona (nie­bie­ska)

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:

Wszyst­kie foto­gra­fie i rysunki zostały wyko­nane przez autora

W powyższym tek­ście doko­nano nie­wiel­kich zmian edy­tor­skich w sto­sunku do wer­sji opu­bli­ko­wa­nej w  cza­so­pi­śmie, w celu uzu­pełn­ie­nia i lep­szego przy­sto­so­wa­nia do pre­zen­ta­cji na stro­nie inter­ne­to­wej.

Marek Ples

Aa