Weird Science

Piroforyczne żelazo

Poniższy arty­kuł został opu­bli­ko­wany pier­wot­nie w cza­so­pi­śmie dla nau­czy­cieli Che­mia w Szkole (1/2024):

Ilustracja

Ples M., Piro­fo­ryczne żelazo, Che­mia w Szkole, 1 (2024), Agen­cja AS Józef Szew­czyk, str. 48-49

Jak zapa­lić żelazo?

Żelazo Fe jest meta­lem zna­nym od cza­sów sta­ro­żyt­nych. W sta­nie czy­stym jest lśniącym, sre­brzy­stym, dość twar­dym i sto­sun­kowo trud­no­to­pli­wym meta­lem. Jego tem­pe­ra­tura top­nie­nia wynosi 1534,85°C. Żelazo jest kru­che, dla­tego dziś sto­suje się naj­czę­ściej jego stopy z węglem C (żeliwo, stal), a także z innymi meta­lami. Stopy te są wytrzy­mal­sze mecha­nicz­nie niż czy­sty metal i mają inne korzystne cechy [1] [2]. Pier­wia­stek ten jest mikro­e­le­men­tem; ma duże zna­cze­nie bio­lo­giczne, ponie­waż wcho­dzi w skład hemo­glo­biny [3].

Pod względem che­micz­nym żelazo należy do sto­sun­kowo aktyw­nych metali i z łatwo­ścią rea­guje z kwa­sami two­rząc odpo­wied­nie sole. Utle­nia się też tle­nem atmos­fe­rycz­nym, nawet w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej.

Wiemy, że spa­la­nie jest formą gwałt­ow­nego utle­nia­nia. Czy uda nam się zapa­lić żelazo?

Ilustracja
ani­ma­cja: doda­tek autora

Spróbujmy

Weźmy jaki­kol­wiek żela­zny lub sta­lowy przed­miot i roz­grzejmy go sil­nie w pło­mie­niu pal­nika. Po pew­nym cza­sie na powierzchni metalu pow­sta­nie war­stewka tlenku, ale z pew­no­ścią nie uzy­skamy zapłonu. Jeśli jed­nak do pło­mie­nia wrzu­cimy szczyptę drob­nych opiłków sta­lo­wych, to w efek­cie zoba­czymy piękne, błysz­czące iskry. Są to gwałt­ow­nie spa­la­jące się dro­biny żelaza. W podobny spo­sób możemy zapa­lić wełnę (watę) żela­zną lub sta­lową, uży­waną m.in. do pole­ro­wa­nia pod­łóg lub przed­mio­tów wyko­na­nych z mosiądzu. Składa się ona z bar­dzo cien­kich dru­ci­ków, które można z łatwo­ścią zapa­lić uzy­sku­jąc piękny efekt sypiących się doo­koła iskier, przy czym wydziela się też dużo ener­gii na spo­sób cie­pła (Fot.1).

Fot.1 – Efekt pow­sta­jący pod­czas spa­la­nia wełny sta­lo­wej

Roz­drob­nie­nie powo­duje zwięk­sze­nie powierzchni dostępu tlenu z powie­trza, a także uła­twia roz­grza­nie się dro­bin do odpo­wied­niej tem­pe­ra­tury, by mogło dojść do gwałt­ow­nego utle­nia­nia. By spa­lić żelazo wystar­czy je więc sil­nie roz­drob­nić. Oka­zuje się jed­nak, że żelazo o odpo­wied­nio mocno roz­wi­niętej powierzchni jest piro­fo­ryczne, czyli zapala się samo­rzut­nie w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej.

Potrzebne mate­riały

Tym razem potrze­bu­jemy tylko jed­nego związku che­micz­nego. Jest to szcza­wian żelaza FeC2O4. Związek ten ma zwy­kle postać proszku o inten­syw­nej żółtej bar­wie (Fot.2).

Fot.2 – Szcza­wian żelaza

Szcza­wian żelaza można oczy­wi­ście kupić w skle­pie che­micz­nym, ale wła­sno­ręczna syn­teza tej soli jest na tyle nie­skom­pli­ko­wana, że warto ją prze­pro­wa­dzić w swo­jej pra­cowni. W celu prze­pro­wa­dze­nia syn­tezy szcza­wianu żelaza potrze­bu­jemy jedy­nie dwóch sub­stan­cji:

Kwas szcza­wiowy jest naj­prost­szym kwa­sem dikar­bok­sy­lo­wym, jego dihy­drat ma postać kry­sta­licz­nego proszku. Hep­ta­hy­drat siar­czanu(VI) żelaza(II) występuje pod posta­cią zie­lon­ka­wych krysz­ta­łów. Można zasto­so­wać też inne dobrze roz­pusz­czalne sole żelaza(II). Obie sub­stan­cje nie są sil­nie tok­syczne, mogą mieć jed­nak nie­ko­rzystne dzia­ła­nie na nasz orga­nizm, a kwas szcza­wiowy wyka­zuje dzia­ła­nie drażn­iące.

Musimy przy­go­to­wać stężone roz­twory kwasu szcza­wio­wego i siar­czanu(VI) żelaza. Roz­twory następ­nie należy wymie­szać razem. Po pod­grza­niu reak­cja zacho­dzi wyraźnie szyb­ciej; ciecz męt­nieje, a na dno zaczyna opa­dać żółty osad trud­no­roz­pusz­czal­nego szcza­wianu żelaza. Reak­cję tę można zapi­sać jako:

C2O42- + Fe2+ → FeC2O4

Osad ten trzeba kil­ku­krot­nie prze­myć przez dekan­ta­cję, a potem odsączyć i dokład­nie wysu­szyć. Susze­nie warto pro­wa­dzić w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej, ponie­waż prze­sadne ogrza­nie może pro­wa­dzić do roz­kładu związku.

Pokaz

Do suchej pro­bówki wsy­pu­jemy nie­wielką ilość dokład­nie wysu­szo­nego szcza­wianu żelaza. Sub­stan­cji nie powinno być zbyt dużo – wystar­czy tyle, by wyso­kość usy­pa­nego proszku wynio­sła 1-2cm (Fot.3).

Fot.3 – Sub­stan­cja w pro­bówce

Naczy­nie następ­nie trzeba ogrze­wać za pomocą pal­nika spi­ry­tu­so­wego lub gazo­wego (Fot.4).

Fot.4 – Początek ogrze­wa­nia pal­ni­kiem

Już po chwili ogrze­wa­nia można zau­wa­żyć, że ze sta­łej sub­stan­cji zaczyna się ulat­niać m.in. para wodna, która ulega skro­ple­niu w gór­nej, a przez to chłod­niej­szej czę­ści pro­bówki. Naj­le­piej jest ogrzać deli­kat­nie także te rejony pro­bówki, by nie docho­dziło tam do zbie­ra­nia się więk­szych ilo­ści wody.

Ogrze­wa­nie pro­wa­dzimy do momentu kiedy cała zawar­tość pro­bówki zmieni się w szaro-czarny pro­szek (Fot.5).

Fot.5 – Zmiana barwy proszku

Wtedy pro­bówkę zaty­kamy zwit­kiem waty szkla­nej i jesz­cze cie­płą prze­no­simy nad nie­palną powierzch­nię (Fot.6A). Po zaciem­nie­niu pomiesz­cze­nia oraz otwar­ciu naczy­nia wysy­pu­jemy czarny pro­szek z pew­nej wyso­ko­ści. Sub­stan­cja w zetk­nięciu się z powie­trzem zapala się i two­rzy piękną kaskadę poma­rańczo­wo­bia­łych iskier (Fot.6B).

Fot.6 – Finał doświad­cze­nia; A- pro­szek gotowy do wysy­pa­nia z pro­bówki, B – samo­za­płon mie­sza­niny zawie­ra­jącej sil­nie roz­drob­nione żelazo

Wyja­śnie­nie

Szcza­wian żelaza jest trwały w tem­pe­ra­tu­rze poko­jo­wej, ale z łatwo­ścią ulega roz­kła­dowi w pod­wyższo­nej tem­pe­ra­tu­rze. Pod­czas roz­kładu szcza­wianu pow­staje woda, dwu­tle­nek węgla, bar­dzo drobny pro­szek żelaza i tle­nek żelaza (II). W tak wyso­kiej tem­pe­ra­tu­rze woda wypa­ro­wuje w postaci pary wod­nej, a w pro­bówce pozo­staje piro­fo­ryczna mie­sza­nina tlenku żelaza(II) i pier­wiast­ko­wego żelaza. Nie zapala się ona natych­miast, ponie­waż powie­trze z pro­bówki zostaje wyparte przez pow­sta­jący dwu­tle­nek węgla. Po wysy­pa­niu proszku docho­dzi do reak­cji opi­sa­nej rów­na­niem:

Fe + FeO +02 → Fe2O3

Żelazo wraz z tlen­kiem żelaza(II) utle­nia się do tlenku żelaza(III), dzięki czemu uzy­sku­jemy efek­towne iskry.

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