Weird Science

Kolorowy cylinder - błękit bromotymolowy i dwutlenek węgla

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (4/2023):

Ilustracja

Ples M., Kolo­rowy cylin­der, Che­mia w Szkole, 4 (2023), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 47-48

Nauka przez doświad­cze­nie od wie­ków była pod­sta­wową metodą poznaw­czą, dzięki której ludz­kość zdo­by­wała wie­dzę o świe­cie. Obser­wa­cje, próby, błędy i odkry­cia sta­no­wiły klu­czowe ele­menty tego fascy­nu­jącego pro­cesu. W dzi­siej­szych cza­sach, gdzie nauka roz­wija się w zastra­sza­jącym tem­pie, wciąż ist­nieje wyraźna potrzeba kła­dze­nia naci­sku na pozy­ski­wa­nie wie­dzy w dro­dze doświad­czeń. Poka­zowe eks­pe­ry­menty, zapro­jek­to­wane w celu demon­stra­cji kon­kret­nych zja­wisk, mogą nie tylko zain­te­re­so­wać poten­cjal­nych poszu­ki­wa­czy wie­dzy, ale rów­nież uka­zać głęb­sze pra­wi­dło­wo­ści tkwiące w bada­nych zja­wi­skach.

Wraz z postępem tech­no­lo­gicz­nym i możl­i­wo­ściami zaa­wan­so­wa­nych narzędzi nau­ko­wych, wiele badań prze­su­nęło się w stronę skom­pli­ko­wa­nych symu­la­cji i eks­pe­ry­men­tów, które są poza zasięgiem więk­szo­ści ludzi. Jed­nak poka­zowe eks­pe­ry­menty pozo­stają klu­czo­wym narzędziem, pozwa­la­jącym na prze­ka­za­nie wie­dzy i wyja­śnie­nie zło­żo­nych zja­wisk w zro­zu­miały spo­sób. Ich pro­stota, a zara­zem efek­tow­ność, spra­wia, że są one dosko­na­łym narzędziem edu­ka­cyj­nym, wzbu­dza­jącym zain­te­re­so­wa­nie i cie­ka­wość.

Nauka przez doświad­cze­nie jest jed­nym z naj­bar­dziej war­to­ścio­wych i natu­ral­nych spo­so­bów zdo­by­wa­nia wie­dzy. Doświad­cze­nia i eks­pe­ry­menty (warto sobie uzmy­sło­wić jakie różn­ice występują między tymi dwoma ter­mi­nami) sta­no­wią cenny ele­ment pro­cesu edu­ka­cyj­nego, umożl­i­wia­jąc zro­zu­mie­nie skom­pli­ko­wa­nych zja­wisk w przy­stępny spo­sób. Klu­czem do mak­sy­mal­nego wyko­rzy­sta­nia tego podej­ścia jest zdol­ność dostrze­ga­nia nie tylko samych efek­tów, ale także głęb­szych pra­wi­dło­wo­ści, które spra­wiają, że nauka staje się fascy­nu­jącą podróżą, w której możemy pozna­wać ota­cza­jący nas świat.

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Pre­zen­to­wane w tym arty­kule doświad­cze­nie jest pro­ste do prze­pro­wa­dze­nia, zapew­nia nie­sa­mo­wity efekt wizu­alny, a jed­no­cze­śnie w cie­kawy spo­sób wpro­wa­dza w zagad­nie­nia odczynu śro­do­wi­ska.

Czego potrze­bu­jemy?

Potrze­bu­jemy dibro­mo­ty­mo­lo­sul­fo­fta­le­iny C27H28Br2O5S (Rys.1). Związek ten jest ina­czej nazy­wany błęki­tem bro­mo­ty­mo­lo­wym [1].

Ilustracja
Rys.1 – Wzór struk­tu­ralny błękitu bro­mo­ty­mo­lo­wego

W warun­kach nor­mal­nych ma on zwy­kle postać czer­wono-poma­rańczo­wego proszku (Fot.1), bar­dzo słabo nie­roz­pusz­czal­nego w wodzie, nato­miast całk­iem dobrze w alko­holu ety­lo­wym C2H5OH. Alko­ho­lowy roz­twór tej sub­stan­cji jest czer­wony. W śro­do­wi­sku kwa­śnym przy­biera barwę żółtą, w zasa­do­wym błękitną, a w śro­do­wi­sku obo­jęt­nym zie­loną [2] [3].

Fot.1 – Błękit bro­mo­ty­mo­lowy

Kolejną potrzebną sub­stan­cją jest zesta­lony dwu­tle­nek węgla CO2, czyli suchy lód. W zwy­kłych warun­kach CO2 zestala się w tem­pe­ra­tu­rze −78,5°C, a w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej nieu­stan­nie sub­li­muje.

Przy­datny będzie także wodo­ro­tle­nek sodu NaOH, w postaci sta­łej lub w roz­cieńczo­nym roz­two­rze.

Pamiętajmy, że błękit bro­mo­ty­mo­lowy jest tok­syczny i rako­twór­czy, a na skórze pozo­sta­wia trudne do usu­nięcia plamy. Zesta­lony dwu­tle­nek węgla CO2 zacho­wuje bar­dzo niską tem­pe­ra­turę - należy zacho­wać bezw­zględną ostrożn­ość! Dłuższy kon­takt ze skórą może spo­wo­do­wać dot­kliwe odm­ro­że­nia. Wodo­ro­tle­nek sodu NaOH jest żrący.

Pokaz

Przy­go­to­wa­nie doświad­cze­nia nie jest skom­pli­ko­wane. Do cylin­dra mia­ro­wego, na przy­kład o pojem­no­ści 100cm3, należy wlać wodę desty­lo­waną do około 3/4 objęto­ści i bar­dzo deli­kat­nie zal­ka­li­zo­wać ją nie­wiel­kim dodat­kiem wodo­ro­tlenku sodu - wystar­czy kilka mili­gra­mów lub kilka kro­pli roz­tworu. Po doda­niu kilku kro­pli alko­ho­lo­wego roz­tworu błękitu bro­mo­ty­mo­lo­wego ciecz przyj­muje barwę ciem­no­nie­bie­ską (Fot.2).

Fot.2 – Zasa­dowy roz­twór błękitu bro­mo­ty­mo­lo­wego

Następ­nie do roz­tworu należy wrzu­cić nie­wielki frag­ment suchego lodu. Woda ma tem­pe­ra­turę równą około 20°C, jest więc o pra­wie sto stopni cie­plej­sza niż suchy lód! Nic więc dziw­nego, że w kon­tak­cie z nią ten ostatni inten­syw­nie sub­li­muje. Niska tem­pe­ra­tura powo­duje skro­ple­nie pary wod­nej z powie­trza, co obja­wia się pow­sta­niem mgły.

Po chwili roz­twór przyj­muje kolor zie­lony (Fot.3), a następ­nie żółty (Fot.4), co w połącze­niu z odgło­sem bul­go­ta­nia, widocz­nymi pęche­rzy­kami gazu i pow­sta­jącą mgłą daje nie­sa­mo­wity efekt.

Fot.3 – Zie­lony roz­twór

Fot.4 – Żółty roz­twór

Niek­tórzy eks­pe­ry­men­ta­to­rzy mogą mieć pro­blem ze zdo­by­ciem suchego lodu. Mimo jego braku nie musimy jed­nak rezy­gno­wać z doświad­cze­nia! Przez roz­twór można prze­pusz­czać stru­mień gazo­wego dwu­tlenku węgla CO2, co da ten sam efekt barwny (oczy­wi­ście oprócz pow­sta­nia mgły). Skąd wziąć ten gaz? Możl­i­wo­ści jest wiele, ale doświad­cze­nie możemy wyko­rzy­stać choćby do udo­wod­nie­nia, że w wydy­cha­nym przez nas powie­trzu jest obecna sto­sun­kowo duża ilość tej sub­stan­cji, ponie­waż nie­bie­ski roz­twór (bar­dzo deli­kat­nie zal­ka­li­zo­wany, zbyt duża ilość zasady unie­możl­iwi obser­wa­cję efektu) widoczny na Fot.5, zmie­nia barwę pod­czas wdmu­chi­wa­nia do niego powie­trza z naszych płuc przy pomocy słomki (Fot.6).

Fot.5 – Nie­bie­ski roz­twór barw­nika

Fot.6 – Zmiana barwy w wyniku kon­taktu z wydy­cha­nym powie­trzem

Wyja­śnie­nie

Błękit bro­mo­ty­mo­lowy C27H28Br2O5S jest barw­ni­kiem, che­micz­nym wskaźn­i­kiem pH. Jego barwa zależy od odczynu śro­do­wi­ska, w którym się znaj­duje.

Roz­twór użyty w doświad­cze­niu ma począt­kowo odczyn lekko zasa­dowy, co obja­wia się nie­bie­skim zabar­wie­niem.

Pod­czas sub­li­ma­cji CO2 jego część roz­pusz­cza się w wodzie. Pow­stają wtedy jony węgla­nowe CO32-, wodo­ro­węgla­nowe HCO3- i oczy­wi­ście wodo­rowe H+. Z tego powodu pH roz­tworu obniża się, dzięki czemu wskaźnik przy­biera naj­pierw barwę zie­loną w śro­do­wi­sku obo­jęt­nym, a następ­nie żółtą w kwa­so­wym.

W doświad­cze­niu można wyko­rzy­stać także inne wskaźn­iki kwa­sowo-zasa­dowe, uzy­sku­jąc inne przej­ścia barwne.

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.

Uzu­pełn­ie­nie autora

Efekt doświad­cze­nia można zoba­czyć na fil­mie:

Marek Ples

Aa