Kiedyś w laboratorium (18.)

Na zajęciach z chemii fizycznej w zeszłym roku, badaliśmy ruchliwość koloidu w polu elektrycznym:

Był to koloid jodku srebra. Należało nalać go do rurki tak, aby roztwór podzielił się na dwie wyraźnie odgraniczone warstwy - z koloidem i bez. Po włączeniu prądu cząstki koloidu zaczęły migrować zgodnie z ładunkiem potencjału na granicy faz, co dało się zauważyć jako zmiana poziomów. Na trzecim zdjęciu pierwsze cząstki koloidu dotarły już do elektrody.

ps. oczywiście "laboratorium" - nie wiem jak mogłem strzelić takiego babola z "laroratorium"

Ostatnio w laboratorium (17.)

Na ostatniej przed świętami pracowni z chemii proekologicznej, analizowaliśmy kawałki tworzyw sztucznych, aby móc poznać z jakim konkretnie tworzywem mieliśmy do czynienia. Kawałkami tymi były: pocięta folia z opakowania loda, pocięte opakowanie kremu (z etykiety wyczytałem "do rąk i do stóp"), kawałki miękkiej rurki, kawałki uszczelki, kawałki niebieskiej zakrętki od butelki wody mineralnej i kawałek zielonego plastiku z jakiegoś opakowania z gwintem.
Jednym ze sposobów rozróżnienia tworzyw, było poznanie ich gęstości metodą flotacyjną - przez sprawdzenie pływalności w różnych roztworach. Najpierw więc dzieliliśmy je na te, które pływały w widzie i te które tonęły; z tych pierwszych na te które pływały z 30% etanolu i te które tonęły, zaś z tych pierwszych sprawdzaliśmy jeszcze pływalność w 58% etanolu. I tutaj kawałeczek zielonego plastiku po wrzuceniu do roztworu opadł na dno, potem zaczął wynurzać się aż wreszcie pozostał swobodnie zawieszony mniej więcej pośrodku.:

Znaczyłoby to, że roztwór miał akurat taką samą gęstość jak ten plastik (ok. 0,88g/ml). Z drugiej strony materiał był nieprzezroczysty i zabarwiony, musiał więc zawierać wypełniacze i pigmenty, które nieco go dociążyły. A skoro tak, to bez nich pływałby.

Inne próby dotyczyły rozpuszczalności lub nie w acetonie a nasam koniec została nam próba spalania. Niektóre materiały można dosyć łatwo rozróżnić po tym jak się palą. Poliolefiny (polietylen, polibutylen) zapalają się łatwo, słabo kopcą, kapią i po zgaszeniu pachną podobnie do świecy ze stearyny. Tak też zachował się nasz kawałek zielonego plastiku:

 PCW zapala się trudno i kopci, gaśnie po wyjęciu z płomienia i wydziela nieprzyjemny, ostry zapach będący głównie wynikiem wydzielania się chlorowodoru. Polistyren pali się łatwo i silnie kopci. Jeszcze nie podsumowałem notatek i nie zrobiłem sprawozdania, więc na razie nie podam co było czym, a sam już dziś nie pamiętam.

A aspekt proekologiczny? Jeśli będziemy wiedzieli z jakiego plastiku są odpady, będziemy wiedzieli co można zakompostować, co przetopić a co wyrzucić na śmietnisko. Nie wiem jedynie czy w sortowniach stosują takie proste metody - ja bym wolał jakiś spektroskop.

Kiedyś w laboratorium (16.)

Gdy będąc jeszcze w technikum robiliśmy preparat drożdży w różnych roztworach, zwrócił moją uwagę interesujący artefakt - pęcherzyk powietrza między szkiełkami. Wyglądał jak słonecznik, toteż zrobiłem mu zdjęcie:

Otrzymywanie biodiesla

W tym roku (już czwartym) jedną z moich pracowni jest Chemia Proekologiczna, prowadzona przez
dr Teodozję Lipińską. Określenie przedmiotu jest może trochę niezgrabne ale określa jego zakres nieco lepiej niż będące kalkami z angielskiego określenia Zielona Chemia czy Chemia Zrównoważona. Najogólniej mówiąc chodzi tu o takie przeprowadzane procesów chemicznych, aby przyniosło to dla środowiska jak najmniejsze skutki negatywne, co obejmuje metody syntezy z małą ilością odpadów, metody z użyciem małej ilości rozpuszczalników organicznych lub bez nich i procesy zużywające mało energii. Wliczają się tu także wynalazki mające zmniejszyć zanieczyszczenia z innych źródeł, jak katalizatory do spalin czy metody odsiarczania gazu i ropy.

Jednym z takich procesów chemicznych, przynoszącym korzyść dla środowiska, jest przerób olejów roślinnych na paliwo właściwościach podobnych do olejów napędowych. Oleje otrzymuje się z roślin, toteż przy ich produkcji nie trzeba wydobywać kopalin, zatem biodiesel można zaliczyć do odnawialnych źródeł energii. Ponieważ ze spalania takiego paliwa nie dorzucamy do atmosfery nowego dwutlenku węgla, a jedynie odpowiednik tego pochłoniętego dawniej przez olejodajne rośliny, stosowanie paliw odnawialnych powinno przyczynić się do ograniczenia emisji tego gazu.
Jednak czy oleje roślinne rzeczywiście nadają się do takich celów?

Olej, chemicznie rzecz biorąc, jest mieszaniną estrów gliceryny z kwasami tłuszczowymi. Gliceryna posiada trzy grupy wodorotlenowe z którymi może związać trzy łańcuchy kwasów. Natomiast same kwasy tłuszczowe najogólniej można nazwać długimi węglowodorami z grupą karboksylową:

 Jeśli więc wyższe kwasy tłuszczowe nie wiele różnią się od węglowodorów, z których składa się ropa i olej napędowy, to powinny być palne. I rzeczywiście, oleje i łoje zwierzęce przez wiele wieków używano w celach oświetleniowych, w tanich lampkach i kagankach. Mało kto wie, że pierwszy model silnika spalinowego Diesla działał na olej arachidowy. Niedługo po tym wprowadzono specjalny model silników przeznaczonych do spalania oleju. Oleje mineralne zaczęto stosować dopiero potem. Mieszanka powietrzno-olejowa zapala się w tym silniku w fazie silnego sprężenia.
 Problemem dla takiego stosowania jest jednak ich niedostateczna palność, do czego przyczynia się między innymi przyczepiona do kwasów tłuszczowych gliceryna. Z drugiej strony same wolne kwasy tłuszczowe często krzepną już w stosunkowo wysokich temperaturach, czego przykładem kwas stearynowy używany do wyrobu świec. Należałoby zatem z jednej strony oswobodzić kwasy, a z drugiej nadać im formę płynną.
Pierwszym kto wpadł na pomysł co też należy zrobić był G.Chavanne z Belgii, który w 1937 roku otrzymał patent na metodę zamiany oleju w płynne paliwo pędne.
Pomysł był w zasadzie bardzo prosty - gliceryna przeszkadza, więc usuńmy ją. Wolne grupy karboksylowe za sprawą oddziaływań pomiędzy sobą (głównie wiązania wodorowe) podwyższają temperaturę krzepnięcia, zatem przyłączmy do nich coś, co temu zapobiegnie. Na przykład cząsteczkę alkoholu. Cała tajemnica polega zatem na zamianie jednych estrów (glicerynowych) na inne, na przykład metylowe lub etylowe. Proces tego typu, a więc zamiany podstawników w estrze nazywamy transestyfikacją.

Odpadem jest tutaj gliceryna. Wodorotlenek sodu lub potasu katalizuje reakcję.

Tak więc: surowcem naszym był olej rzepakowy:

Olej rzepakowy przed reakcją

Do kolby na 250 ml wlaliśmy olej, metanol i suchy wodorotlenek potasu. Ponieważ potaż jest bardzo żrący każdy musiał mieć założone okulary ochronne. Zanim zdążyliśmy go wsypać zaczął nadżerać kartkę na której był odważany:

Wodorotlenek potasu

Następnie zamknęliśmy kolbę korkiem szklanym, nałożyliśmy dodatkowe zabezpieczenie i wytrząsaliśmy na zmianę przez pół godziny:

Wytrząsanie

Wytrząsanie musiało być intensywne, tak aby kontakt między nierozpuszczalnym wodorotlenkiem a mieszaniną alkoholu z olejem był jak najlepszy. Od tego etapu głównie zależało to jak dobrze będzie zachodziła reakcja, dlatego trzęśliśmy aż do omdlenia rąk. Następnie wlaliśmy mieszaninę do dużego rozdzielacza i odczekaliśmy aż cięższa gliceryna zbierze się przy dnie:

Powolny rozdział. Na granicy faz ciemna warstewka zawieszonych kropel gliceryny

Ostrożnie oddzieliliśmy glicerynę, zlewając do innego naczynia. Nasz produkt nadal zawierał glicerynę, nie przereagowany metanol, a ponadto zawieszony wodorotlenek a może nawet odrobinę mydła, jakie mogło zacząć powstawać w takich warunkach. Ponieważ biodiesel nie miesza się z wodą, należało dokonać ekstrakcji rozpuszczalnych zanieczyszczeń. W tym celu zanurzyliśmy rozdzielacz w zlewce ciepłej wody i dolaliśmy do mieszaniny wody destylowanej, lekko mieszając. Woda opadła na dno, zabarwiając się na mleczny kolor pochodzący zapewne od drobnych kropelek produktu. Tuż przy granicy faz zbierała się warstewka przypominająca zwarzoną śmietankę, podejrzewam że były to cząstki wolnych, nasyconych kwasów tłuszczowych, w tej temperaturze przyjmujących postać stałą. Kwasy te, częściowo rozpuszczalne w wodzie, mogły działać jak emulgatory, dlatego podczas ekstrakcji nie wytrząsaliśmy biodiesla z dodawaną wodą, aby nie musieć długo czekać na rozdział.

Ekstrakcja z wodą. Resztki gliceryny zebrały się w rurce rozdzielacza

Po trzech ekstrakcjach uznaliśmy że już wystarczy, choć produkt wciąż był jeszcze dosyć alkaliczny (pH 8) co świadczyło o nie w pełni usuniętym wodorotlenku. Zawiesina wolnych kwasów i być może drobnych kropelek wody sprawiły, że otrzymany produkt był dosyć mętny:

Za tydzień postaram się zrobić zdjęcie produktu po odstaniu się, powinien być bardziej klarowny.

Czy tak otrzymany ester jest lepszym paliwem? W porównaniu z olejem rzepakowym na pewno. Olej ten jest wprawdzie najlepiej dostępnym z uwagi na ogromny areał upraw i najbardziej korzystny stosunek wydajności oleistej do powierzchni uprawy, ale wadą jest dosyć duża lepkość, kilkukrotnie większa niż równie wydajnych olejów mineralnych. W instalacjach wykorzystujących go jako materiał pędny, stosuje się wstępne ogrzewanie, mające go rozrzedzić i ułatwić rozpylenie przy wtrysku. Czasem rozrzedza się go dodając lekkie oleje mineralne lub tworząc mikroemulsję z metanolem. Inną wadą rzepaku jest skłonność do utleniania się i tworzenia nierozpuszczalnych wytrąceń, mogących osadzać się w zakamarkach silnika. Próby wlania oleju do nieprzystosowanego samochodu mogą skończyć się uszkodzeniem instalacji.

Rzepakowy biodiesel jest mniej lepki, przez co zmniejsza się ryzyko zatkania filtrów bądź osadzania częściowo spalonych resztek w silniku. Ponieważ ma właściwości smarne, silnik nie zaciera się i ma dłuższą żywotność. Z drugiej strony w porównaniu z olejami mineralnymi o tej samej liczbie cetanowej, biodiesel ma wyższą temperaturę zapłonu i nieco niższą wartość opałową. W efekcie mogą pojawiać się problemy z rozruchem, gdy silnik nie jest nagrzany, a zużycie paliwa może być nieco większe. Estry metylowe mogą ponadto rozpuszczać lub zmiękczać niektóre tworzywa sztuczne, toteż w przystosowanych samochodach stosuje się inne materiały uszczelek i złączy.
Wydawałoby się, że produkcja takiego paliwa, stosunkowo prosta i tania, powinna być dobrym sposobem odciążenia budżetu. Olej spożywczy jest znacznie tańszy od mineralnego, i mimo nieco droższej metody produkcji różnica w akcyzie powoduje, że produkt wychodzi nieco tańszy od zwykłego paliwa. Z tego co się orientuję prawo zezwala rolnikom produkcję takiego paliwa na własny użytek, po zarejestrowaniu i dla stosunkowo niedużych ilości. Problemem domowych instalacji jest jednak przede wszystkim właściwe oczyszczenie produktu. Resztki gliceryny, metanolu a zwłaszcza stałego wodorotlenku, zwiększają korozyjność i zmniejszają stabilność paliwa. Gliceryna dodatkowo wywołuje niemiły zapach spalin, przypominający palony olej.

Warto zwrócić uwagę na skład spalin z silnika napędzanego takim paliwem. Badania stwierdziły, że są one zdecydowanie mniej toksyczne, zawierając do 30% mniej cząstek stałych, znacznie mniej wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (WWA) o dobrze potwierdzonej rakotwórczości, oraz prawie w ogóle nie zawierają dwutlenku siarki z uwagi na praktycznie śladowe zasiarczenie - co ma spory wpływ na powstawanie i szkodliwość smogu miejskiego. Z drugiej strony podczas spalania powstaje więcej tlenków azotu. Ponadto odmiany słabo oczyszczone, zawierające domieszki gliceryny i etanolu,  dają spaliny z rakotwórczą akroleiną i drażniącym aldehydem octowym. Ostatecznie jednak uznano, że ogólna zawartość szkodliwych związków jest znacząco mniejsza, niż w przypadku olejów napędowych. Efekty cytotoksyczne są w tym przypadku aż cztery razy mniejsze[1]

Teoretycznie takie odnawialne paliwo, powinno przynosić ogólnoświatowe zyski dla środowiska - do atmosfery nie jest uwalniany nowy dwutlenek węgla, nie są uwalniane tlenki siarki i wreszcie jest co zrobić z zanieczyszczonymi, zużytymi tłuszczami. Teoretycznie, bo jak wiadomo, ze wszystkim można przesadzić. Najlepiej widać to w Malezji i Indonezji, gdzie głównym surowcem do biodiesla jest palma olejowa.
Paliwo jest szybko zużywane na krajowym rynku a przede wszystkim eksportowane do Europy, będąc stosunkowo tanie. Ponieważ popyt szybko rośnie, wzrasta też powierzchnia upraw, zaś zarządzający niespecjalnie przejmują się rozwojem zrównoważonym. W efekcie bywa że dziewicze puszcze wycina się po to, aby posadzić w tym miejscu monokulturę palmy olejowej, przez co cały proceder zaczyna przynosić środowisku więcej szkody niż pożytku. W tym roku Amerykańska Agencja Ochrony Środowiska uznała, że z tego powodu, olej palmowy nie powinien być zaliczany do ekologicznych paliw odnawialnych[2]
Popyt na malezyjskie biopaliwa, wraz z wysokimi cenami ropy spowodował, że w wyniku eksportowania większości oleju za granicę, zaczęło go brakować na rynku krajowym, choć jest tu głównym olejem spożywczym[3] Dyskusyjną kwestią jest to na ile zamiana zbiorów rolniczych na paliwa wpływa na globalny wzrost cen żywności, szacuje się że proceder ten odpowiada za jedną trzecią wzrostu cen kukurydzy w USA. Wszystko to pokazuje, że co za dużo, to nie zdrowo i nawet najświetniejsza technologia, wprowadzana bez rozmysłu, może przynieść negatywne skutki.

Plantacja palmy olejowej na Jawie. W tle lasy tropikalne

Dodatkowym problemem jaki pojawia się w tym procesie, jest gliceryna, powstająca jako odpad. Szacunkowo z każdej tony oleju powstaje 100 kg gliceryny, z którą trzeba coś zrobić. Część można oczyścić i przetworzyć na kosmetyki lub farmaceutyki, ale popyt na taki surowiec jest ograniczony, stąd próby wykorzystania jej jako surowca w przemyśle chemicznym. Głównym procesem jest konwersja do epichlorohydryny, będącej głównym surowcem do wytwarzania żywic epoksydowych.  Powtórna estryfikacja kwasem octowym daje produkt, mogący służyć do zmniejszenia lepkości paliw. Utleniając, można zamienić ją na kwas cytrynowy. Najciekawszym jednak pomysłem jest bezpośrednia konwersja do metanolu - powstały alkohol można by zawrócić do procesu i zwiększyć samowystarczalność instalacji produkcyjnej[4].

I tak minęła mi pierwsza proekologiczna pracownia.
------
[1] Kimberly J. Swanson , ¹ Michael C. Madden , ² i Andrew J. Ghio ² Biodiesel Exhaust: The Need for Health Effects Research, Environ Health Perspect v.115 (4), kwiecień 2007 PMC1852688
[2]  http://thehill.com/blogs/e2-wire/e2-wire/206781-epa-palm-oil-based-fuels-flunk-the-climate-test
[3]  http://www.abc.net.au/news/2007-07-19/biofuel-demand-makes-fried-food-expensive-in/2506908
[4]  http://www.greencarcongress.com/2008/11/new-process-for.html

Kiedyś w laboratorium (15.)

Na zakończenie września, tuż przed rozpoczęciem zajęć, podam tu taką ciekawostkę. Jednym z kryteriów rozróżniania pierwiastków jest ich reaktywność. Najbardziej reaktywne metale, jak potas czy sód, to takie, które zapalają się w suchym powietrzu tworząc nadtlenki, i gwałtownie reagują z wodą (cez reaguje wręcz wybuchowo); mniej reaktywne, jak lit czy wapń, to takie które utleniają się na powietrzu ale nie gwałtownie i reagują z wodą na zimno, następną klasą są te które reagują tylko z wodą, potem te które reagują z gorącą wodą lub parą i następnie te które z wodą nie reagują.
Podręczniki zazwyczaj umieszczają magnez w tej czwartej klasie, to jest wśród metali reagujących z wodą gorącą lub z parą wodną. Co więcej temperatura spalania się magnezu jest tak wysoka, iż rozkłada wodę i powstający tlen zużywa na dalsze palenie się, dlatego magnez może płonąć pod wodą. Tak piszą we wszystkich podręcznikach szkolnych, dlatego na studiach byłem zaskoczony gdy podczas prób reaktywności metali na zajęciach z chemii nieorganicznej, okazało się, że nie jest to taka prosta sprawa. Gdy bowiem wrzuciłem kawałki odtłuszczonej wstążki magnezowej do wody z fenoloftaleiną, wokół nich pojawiło się wyraźne różowe zabarwienie:

Różowe zabarwienie świadczy o zasadowym odczynie, a więc reakcji z wodą:

Mg + 2 H₂O → Mg(OH)₂ + H2

Powstający wodorotlenek jest wprawdzie słabo rozpuszczalny w wodzie, ale najwyraźniej wystarcza aby podwyższyć pH powyżej 8 i zabarwić wskaźnik. Co do wodoru - zdjęcie robiłem jakieś pół godziny po wrzuceniu magnezu i kilka bąbelków widać ale małych, dlatego bez wskaźnika reakcja byłaby niezauważalna. Stąd zapewne błędne przekonanie, że do reakcji magnezu trzeba wodę podgrzać - wtedy reakcja przyspiesza i jest zauważalna. 

Ale co innego pisać o reakcji niezauważalnej a co innego o braku reakcji. W książkach dla studentów ta różnica jest uwzględniona. Ciekawe ile jeszcze takich zbytnich uproszczeń pojawia się w książkach dla gimnazjalistów i licealistów?

Kiedyś w laboratorium (14.)

Gdy mieliśmy zajęcia z radiochemii, prowadzący pokazał nam pouczającą rzecz - sprawdził stopień zjonizowania wykrywany w pomieszczeniu - wynosił ok. 2 miliremów/h. Po czym wziął opakowanie soli dla nadciśnieniowców, o zawartości sodu obniżonej przez dodatek potasu - i tutaj czujnik pokazał prawie 6 mR/h:

Zatem sól jest promieniotwórcza bardziej niż tło. Z czego to wynika? Oczywiście z dodatku potasu.
Naturalny potas zawiera 0,012% izotopu K-40, będącego izotopem nietrwałym. Rozpada się z wydzieleniem cząstek beta z okresem półtrwania  1,27 mld lat zamieniając się w argon. Sól zawierająca większą ilość potasu jest też bardziej promieniotwórcza, zbyt jednak mało aby nam przez samo to tylko  zaszkodziła (na pewno nam zaszkodzi jeśli będziemy jej nadużywali).
Ta właściwość dosyć przecież pospolitego pierwiastka jest używana w radiodatowaniu skał i skamielin - jeśli wiemy jaka powinna być zawartość potasu w skale, to znając różnicę między ilością teoretyczną a rzeczywistą i wiedząc ile argonu nagromadziło się wewnątrz ziaren mineralnych, możemy policzyć wiek próbki w zakresie setek milionów - miliardów lat.

ps. a za niedługo zdaję egzamin licencjacki i będę składał papiery na magisterkę.
ps2. - postanowiłem trochę uporządkować posty i te ze stałego cyklu kiedyś w laboratorium ponumerowałem
ps3. - egzamin zaliczyłem, papiery złożyłem. A że link dawany w komentarzu jest ciekawy, wkleję go w formie aktywnej:
 http://xkcd.com/radiation/
infografika porównująca dawki promieniowania z różnych źródeł. Dawka dla zamieszkania 50 mil od elektrowni węglowej jest większa niż dla zamieszkania 50 mil od elektrowni jądrowej.

Smocza krew

Nie miałem ostatnio zbyt dużo okazji aby pisać, stąd trochę zaległości na blogu. Aby się rozruszać skrobnę dziś notkę na temat ciekawego związku chemicznego - kompleksu, z powodu intensywnie czerwonej barwy nazywanego smoczą krwią. A przy okazji będzie też coś niecoś o tym dlaczego musztarda jest ostra, z czego robi się sztuczną krew i jaki ma to związek z chorobami płuc.

Chodzi tu po prostu o tiocyjanian żelaza III. Cyjanki i ich związki już omawiałem, żelazocyjanki też, więc będzie to w sumie trzeci wpis krążący wokół prostych nieorganicznych pseudohalogenów.
W anionie cyjankowym, jak wiadomo, mamy do czynienia z  węglem i azotem połączonymi silnym wiązaniem potrójnym. Na węglu pozostaje możliwość wytworzenia jednego wiązania chemicznego, zaś na azocie wolna para elektronowa umożliwia tworzenie związków kompleksowych.
Natomiast w tiocyjanianach do jonu dołączona została siarka, co skutkuje dwiema możliwymi strukturami elektronowymi:

Podobny związek może tworzyć tlen, są to cyjaniany i izocyjaniany.
Najprostszy sposób otrzymania tiocyjanianów to stapianie cyjanków z siarką, lub reakcja ich roztworów z tiosiarczanem sodu. Tak też postąpił Buchholz w 1798 roku. Wkrótce też stwierdzono że ten nowy związek w połączeniu z solami żelaza daje połączenie o intensywnie czerwonym kolorze, toteż przez analogię do cyjanków, nazwanych od koloru błękitu pruskiego, nowy związek nazwano rodankiem (od greckiego rhodon - czyli róża). W warunkach kwaśnych tworzy łatwo lotny tiocyjan, zaliczany do grupy pseudohalogenów - ma bowiem właściwości podobne do fluorowców: tworzy aniony jednoujemne, tworzy dimery jak Cl2 [tiocyjanogen (SCN)2] , jest lotny, po rozpuszczeniu w wodzie daje kwas, z metalami ciężkimi i srebrem daje nierozpuszczalne osady, roztwarzające się w nadmiarze odczynnika, w solach tworzy strukturę krystaliczną regularną. W zasadzie najbardziej jest podobny do jodu.

A jak rzecz się ma z tytułowym związkiem? Oczywiście jony żelaza tworzą z jonami tiocyjanianowymi sole, rzecz jest jednak bardziej skomplikowana jeśli zauważyć, że reakcję przeprowadza się w wodzie. Sposób rozpisywania dysocjacji soli, jakiego uczą w szkołach, jest bowiem dosyć mocno uproszczony - sole w takim zapisie rozpadają się na wolne jony tak, jakby rzecz zachodziła w próżni.

FeCl₃ + → Fe³⁺  + 3 Cl⁻

W rzeczywistości czynnikiem wywołującym dysocjację jest woda, która oddziałując na sieć krystaliczną związku prowokuje jej pękanie. Cząsteczki wody, choć elektrycznie obojętne, mają jednak ładunek rozłożony nierównomiernie stając się dipolem z nieco bardziej ujemnym tlenem i nieco bardziej dodatnimi wodorami. Skoro tak, to mogą być przyciągane jednym lub drugim końcem przez posiadające ładunek kationy lub aniony, w efekcie jon zostaje szczelnie otoczony przez 4-8 cząsteczek wody

Ponieważ ładunek kationu nadal występuje, a tylko rozłożył się na większą powierzchnię, do tej warstewki mogą przyłączać się kolejne, coraz bardziej nietrwałe i ruchliwe, aż do 4-5 warstw nazywanych łącznie otoczką solwatacyjną. W przypadku kationów żelaza połączenie z najbliższymi cząsteczkami wody przybiera formę kompleksu, zaś przenoszenie ładunku między cząsteczkami rozpuszczalnika i kationu skutkuje pomarańczową barwą roztworu *. Co to zaś ma do rodanku żelaza?
Gdy zmieszamy związek żelaza III z solą tiocyjanianową, kolejne aniony zastępują cząsteczki zsolwatowanej wody, tworząc  skomplikowane kompleksy o barwie znacznie bardziej intensywnej, głównie Fe[(SCN)(H2O)5] ²⁺ i Fe[(SCN)3(H2O)3 ]⁰  grupujące się w wielocząsteczkowe agregaty.
Już dla niedużych stężeń roztwór przybiera kolor świeżej krwi:

Stąd zwyczajowa nazwa. Zresztą używa się takich roztworów (po dodaniu zagęstników) do produkcji sztucznej krwi o dużej trwałości. Barwa jest zauważalna jeszcze przy stężeniu 0,00001 % stąd jej wykorzystanie do bardzo czułego oznaczania obecności żelaza

Tiocyjaniany występują w naturze stosunkowo pospolicie. Jak to już opisywałem przy cyjankach, powstają w organizmie jako produkt naturalnej detoksykacji cyjanków, będąc od nich blisko 100 razy mniej toksyczne. Już w 1824 roku stwierdzono jego obecność w ślinie, zauważając że zmieszana z solami żelaza daje w kwaśnym środowisku różowe zabarwienie. Dosyć duże ilości tiocyjanianów zawierają rośliny z rodziny kapustowatych (dawniej Krzyżowe), a więc kapusta, gorczyca, rzeżucha, rzodkiewnik, rzodkiew, chrzan, wasabi i wiele innych, stanowiąc składnik olejków nadających im ostry, piekący smak. Produkowane przez nie glikozydy tiocyjanogenne głównie synigryna i sinalbina pod wpływem enzymów rozkładają się z wydzieleniem izotiocyjanianu allilu (CH2CHCH2NCS), nazywanego olejkiem gorczycowym, o bardziej intensywnym smaku. Rozkład zachodzi po uszkodzeniu rośliny co wraz z właściwościami drażniącymi wskazuje, że związki te są obroną przed roślinożercami. Powstają też podczas przetwarzania roślin, podpowiadając za smak musztardy, tartego chrzanu i kaparów. Mają też wyraźne właściwości przeciwbakteryjne i owadobójcze - olejek gorczycowy może być używane jako insektycyd.

Kwestia właściwości bakteriobójczych izotiocyjanianu jest ciekawa, gdyż mechanizm ten jest wykorzystywany przez zwierzęta. Aniony SCN- wydzielane przez błony śluzowe dróg oddechowych, pod wpływem enzymu laktoperoksydazy, łączą się z nadtlenkami powstającymi jako uboczny skutek oddychania, tworząc hypotiocyjanian (OSCN) który atakuje bakterie prowadząc do ich śmierci. Równocześnie nie atakuje własnych komórek organizmu zwierzęcego, w przeciwieństwie do nadtlenków mających podobne właściwości. Hypotiocyjanian, wraz z lizozymem stanowi podstawowy czynnik broniący błony śluzowe przez zakażeniami, toteż występuje także w łzach, ślinie, wydzielinie z nosa i mleku. Największe poziomy tego związku stwierdzono w tzw. "siarze" - pierwszych porcjach mleka matki, pojawiających się niedługo po porodzie, której składniki mają zastępować niedojrzałą obronę układu pokarmowego dziecka. Z tego powodu mleko matki i mleko krowie dosłownie prosto z sutka, jest w zasadzie sterylne.
Jeśli u kogoś system ten szwankuje, staje się podatny na zakażenia płuc - takimi osobami są na przykład chorzy na mukowiscydozę. Genetyczne zmiany powodujące wydzielanie nadmiernej ilości gęstego śluzu, wywołują także zaburzenie mechanizmu izotiocyjanianowego, stąd częste zakażenia gronkowcem złocistym i innymi chorobami. Te zaburzenia może łagodzić suplementacja izotiocyjanianu i laktoperoksydazy. Nie znalazłem natomiast nic o tym, czy podobne złagodzenie braku odporności może dawać dieta bogata w rodanki.

Oprócz tych pozytywnych skutków, powodujących że rośliny zawierające rodanki powinny być spożywane, istnieje też pewien skutek negatywny. Tiocyjanian jest na tyle podobny do jodu, że organizm może pomylić obie te substancje. Gdy w diecie pojawia się zbyt dużo rodanków, są one wychwytywane przez tarczycę. Gdy tarczyca uzna że jest odpowiednio nasycona, przestaje wchłaniać jod. Jednak z rodanków nie da się wytworzyć hormonów tarczycowych więc w organizmie pojawia się niedobór, rekompensowany przez powiększenie organu. Jeśli więc u jakiejś osoby już zachodziła niedoczynność tarczycy, albo też jej dieta była uboga w jod, to zjadanie dużej ilości kapusty, gorczycy czy rzodkiewki może u niej spowodować powstanie wola. O produktach mających takie działanie mówi się, że są wolotwórcze.

Na koniec powrócę jeszcze do głównego tematu posta - do smoczej krwi. Reakcja powstawania kompleksu jest na tyle czuła, że używa się jej w analityce. Jedną z metod analizy strąceniowej jest oznaczanie chlorków metodą Volharda - do roztworu o nieznanym stężeniu chlorków dodaje się nadmiar soli srebra. Pozostała nie strącona ilość srebra jest odmiareczkowana przy pomocy rodanku amonu wobec dodatku soli żelaza. Dopóki w roztworze jest jeszcze srebro, tworzy z rodankiem biały osad. Gdy wytrąci się całe, kolejne porcje odczynnika reagują z żelazem dając nasz kompleks o wyraźnym zabarwieniu. Odejmując odmiareczkowany nadmiar od całkowitej ilości srebra w dodanym na początku roztworze, otrzymujemy ilość chlorków w roztworze badanym.

Podczas pierwszych lekcji analityki, gdzie omawialiśmy między innymi tą reakcję, dokonałem przypadkowego odkrycia - kropla roztworu barwnika, kapnięta na kartkę papieru zeszytowego, odbarwiła się całkowicie w ciągu kilku sekund. Zaciekawiony wydarłem z zeszytu pasek papieru i wrzuciłem do próbówki pełnej roztworu (nie tej ze zdjęcia) stwierdzając że kilka centymetrów kwadratowych kartki wystarczy aby odbarwić ok 10 ml roztworu. Nie bardzo wiedziałem jednak na czym polega reakcja. Albo zachodziła adsorpcja barwnika przez włókna papieru lub drobinki wypełniacza - co mogłem odrzucić, bo papier się nie barwił. Mogło być też, że wspomniane agregaty cząstek kompleksu ulegały rozbiciu po adsorpcji na papierze i na tyle osłabła ich barwa, że przestała być widoczna - co jednak odrzuciłem, bo reakcja zachodziła też w wodzie w której moczył się papier. Musiała być to zatem reakcja z czymś rozpuszczalnym. Początkowo obstawiałem, że może być to klej użyty do wzmocnienia masy papierowej, zważywszy że używa się w tym celu głównie dekstryn podobnych co skrobii, a skrobia może kompleksować jod, do którego rodanki są bardzo podobne. Inną możliwością było natomiast, że żelazo zawarte w kompleksie zostało przez coś zredukowane, dając nietrwały i bezbarwny kompleks rodanku żelaza II. Aby to sprawdzić na kolejnych zajęciach kapnąłem kroplę wody chlorowej na to miejsce zeszytu, gdzie wcześniej robiłem próby z kompleksem, i na powrót pojawiło się słabe, różowe zabarwienie - co mogłoby potwierdzać teorię, choć woda chlorowa jako agresywny odczynnik mogla oddziaływać też na kompleks rodanko-dekstrynowy. Niestety nie miałem jak dotąd okazji aby tę kwestię dokładniej przebadać, choć jak teraz sądzę czynnikiem sprawczym jest tutaj ditionian, dodawany jako reduktor do masy papierowej aby wolniej żółkła.
-------
* żeby nie wdawać się w poboczne wątki - pomarańczowy kolor to wynik kompleksów częściowo zhydrolizowanych, zamiast jednej-trzech cząsteczek wody zawierających aniony OH-, pełny akwajon jest słabo liliowy lub bezbarwny co można zauważyć w roztworach silnie kwaśnych gdzie hydroliza zostaje odwrócona - więcej na tej stronie.
Nieco informacji o związku:
http://www.md-institute.com/cms/ressorts/hygiene-antiseptik/Anorganische-Thiocyanate.pdf

Kiedyś w laboratorium (13.)

Będąc jeszcze w technikum miałem krótko przedmiot bioanalitykę, gdzie między innymi omawialiśmy analizy mikrobiologiczne. Teraz więc przedstawię przykład jednego z takich badań, pozwalającego odróżnić odmiany gronkowców:

Podłoże Chapmana. Od lewej: czyste, gronkowce mannitol + i mannitol -

Podłoże Chapmana to pożywka składająca się z agaru, hydrolizatów białkowych, mannitolu, i czerwieni fenolowej, wobec stosunkowo wysokiego stężenia soli (rzędu 8-10%). Sól hamuje rozwój bakterii innych niż gronkowce Gram+, więc wzrost lub jego brak na tym podłożu jest próbą wykluczającą, natomiast użyte dodatkowe składniki mają wykrywać różnice między szczepami. Jeśli dany szczep może metabolizować mannitol - alkohol cukrowy otrzymywany z mannozy - to wytwarza kwaśne metabolity, które zakwaszają podłoże. Użyty wskaźnik czerwień fenolowa, będący sulfonową pochodną fenoloftaleiny, w warunkach obojętnych ma różowo-czerwony kolor, po zakwaszeniu poniżej pH 4,8 staje się żółta - szczepy dające tą reakcję określamy jako Mannitol +. Natomiast w przypadku szczepów nie mogących przetwarzać mannitolu (Mannitol - ) podłoże teoretycznie nie powinno zmienić barwy, jak jednak widać słabo malinowy kolor zamienił się w nieco chłodniejszy odcień purpury. Źródła do których zaglądałem nic o tym nie wspominają ale najwyraźniej jest to skutek metabolizowania aminokwasów z dodanych hydrolizatów, z których powstaje amoniak zwiększający pH podłoża.

Do bakterii mannitolo-dodatnich zalicza się Gronkowiec Złocisty, będący najczęstszą przyczyną groźnych infekcji. Bakterie tego typu uważa się zasadniczo za bardziej zjadliwe.

Kiedyś w laboratorium (12.)

Trochę ostatnio mało mam czasu na pisanie, choć w zanadrzu czekają do dokończenia dwa dłuższe wpisy, dlatego dziś tylko taka migawka.

Na laboratorium z biochemii omawialiśmy tłuszcze i tłuszczowce i wykonywaliśmy próby na ich poszczególne składowe. Była więc próba na glicerynę, na nienasycone kwasy tłuszczowe, test zmydlania (czyli robienie mydełka ze smalcu) i wreszcie wykrywanie cholesterolu, czyli próba Salkowskiego. Próbkę badanego tłuszczu należało rozpuścić w chloroformie (w naszym przypadku dla pewności wzięliśmy chloroformowy roztwór cholesterolu), a następnie ostrożnie wkroplić do próbówki stężony kwas siarkowy tak, aby jako bardziej gęsty utworzył warstwę na dnie. Na granicy faz powino pojawiś się brunatno-czerwone zabarwienie. I rzeczywiście tak było:

Reakcja polega na odwodnieniu, przez protonowanie, cholesterolu zawierającego jedną grupę hydroksylową. Tworzący się nietrwały karbokation utlenia się, dimeryzuje i zostaje zsulfonowany, tworząc czerwono zabarwiony sulfonian bicholestadienu

Test opracował Ernst Leopold Salkowski, niemiecki biochemik z Królewca (dziś noszącego okropne miano Kalingradu).

Cholesterol to naturalny steroid, stanowiący prekursor wielu hormonów i witaminy D oraz składnik błon komórkowych, mając wpływ na ich prawidłowe funkcjonowanie. Jest zatem związkiem potrzebnym i w niewielkich ilościach produkuje go wątroba i inne organy. W organizmie transportowany w formie lipoprotein, zawierających cholesterol, jego estry, i inne tłuszczowce. Wobec nadmiernej podaży z jedzeniem nadmiar lipoprotein może odkładać się w żyłach prowadząc do rozwoju miażdżycy.

Kiedyś w laboratorium... (11.)

Podczas praktyk zawodowych miałem parę chwil wolnego czasu aby móc się pobawić. Wycisnąłem torebkę czarnej herbaty do zagłębień porcelanowej płytki i dodałem do jednego zasady sodowej a do drugiego kwasu siarkowego:

Niestety wyciśnięty napar był dosyć mocny i dlatego różnica odcieni nie jest tak dobrze widoczna jak przy słabszym, co każdy ma możliwość obserwować zakwaszając herbatę cytryną.

W liściach herbaty zawarte są garbniki, będące polifenolami - najczęściej są to pochodne katechiny, w zielonych liściach występujące w słabo zabarwionej frakcji niskocząsteczkowej. Podczas fermentacji te drobne cząsteczki ulegają enzymatycznemu utlenieniu pod wpływem oksydazy polifenolowej do bardzo reaktywnych chinonów a następnie polimeryzacji tworząc duże agregaty o kolorze od żółtego do brązowego, odpowiadające za czarny kolor herbaty i odcienie jej naparów[1] Dodatkowo część chinonów, tworzy z pozostałymi fenolami kompleksy z przeniesieniem ładunku, często o żywej barwie o czym każdy mógł się przekonać podczas zbierania podgrzybków - sinoniebieski kolor uszkodzonego miąższu owocnika tego grzyba, z powodu którego czasem mówi się na nie "siniaki" to właśnie wynik powstawania barwnych kompleksów CT głównie dla kwasu kserokomowego (xerocomic acid).[2] Za brązowienie pieczarek odpowiada atromentyna. Spotykam się z błędnym twierdzeniem, że niebieszczenie grzybów jest oznaką ich halucynogenności.
 Podobna reakcja zachodzi po mechanicznym uszkodzeniu (krojenie, rozcieranie) w wielu owocach i warzywach - to właśnie tworzenie wielkocząsteczkowych polifenoli odpowiada za brązowienie jabłek, bananów, ziemniaków, a nawet krewetek i homarów[3] a nie, jak to się już spotkałem, utlenienie żelaza. Po zakwaszeniu lub sparzeniu enzym przestaje być aktywny i owoce nie ciemnieją. Garbniki te nadają herbacie właściwości przeciwbakteryjne, przeciwzapalne i ściągające.
Katechina i jej pochodne zawierają pierścienie aromatyczne z grupami hydroksylowymi - w takim układzie pojawia się równowaga między formą fenolową a chinonową, zależna od pH środowiska. W środowisku zasadowym garbniki oddają proton i przeważać zaczyna forma chinonowa o silniejszym zabarwieniu, w środowisku kwaśnym przeważa forma fenolowa o kolorze mniej intensywnym. W zasadzie można więc taki napar potraktować jako niezbyt precyzyjny wskaźnik kwasowości. Ot i cała tajemnica - niektórzy do dziś sądzą, że zakwaszona herbata robi się słabsza i dlatego jest jasna.

 Gdy do naparu dodałem stężonego kwasu, wytrącił mi się pomarańczowy osad - zapewne były to niezdysocjowane garbniki.

ps. Ponieważ zainteresowanie wpisem planowanym na krótką migawkę jest zaskakująco duże, dopisałem trochę jeszcze
-------
*  http://en.wikipedia.org/wiki/Polyphenol_oxidase
[1] Przemysław Dmowski, Maria Śmiechowska, Beata Deja Wpływ warunków zaparzania na zawartość garbników oraz wybranych parametrów barwny herbaty, Zeszyty Naukowe AM
[2]  Stephen F. Nelsen, Bluing Components and Other Pigments of Boletes,  fungimag.com
[3]  Brązowienie enzymatyczne, food-info.net

Kiedyś w laboratorium (10.)

Na zajęciach z biochemii przerabialiśmy cukry a tam porównywaliśmy reakcję różnych cukrów na odczynnik Fehlinga.

Odczynnik Fehlinga to roztwór soli miedzi II w winianie sodowo-potasowym. Przygotowanie odczynnika polega na zmieszaniu roztworu siarczanu miedzi z zasadowym roztworem winianu. Powstaje wówczas kompleks ditartratamiedzi :

 

 Ten w reakcji ze związkami o właściwościach redukujących łatwo redukuje się z wydzieleniem tlenku miedzi I Cu2O. Właściwym utleniaczem jest tutaj miedź II w środowisku zasadowym, zaś jej zakompleksowanie ma zapobiegać tworzeniu się słabo rozpuszczalnego wodorotlenku, z którym reakcja przebiega wolniej i który ma skłonność w gorącej wodzie rozkładać się do czarnego tlenku miedzi II CuO, mogąc tym samym zamaskować oczekiwany wynik.

Tymi związkami mogła być na przykład cukry zawierające wolną grupę aldehydową, utleniającą się do karboksylowej. Test wprowadził już w 1848 roku niemiecki chemik Hermann Fehling i do dziś jest używany do wykrywania glukozy w moczu.

W przypadku badań cukrów reakcji ulegają te dwucukry, w których wolna pozostaje któraś grupa aldehydowa. W tym konkretnym przypadku nalałem kolejno od lewej - wody (ślepa próba), glukozy, maltozy i sacharozy.

W próbówce z woda odczynnik nie zmienił koloru po ogrzewaniu, w tej z glukozą strącił się intensywnie pomarańczowy osad, w tej z maltozą też choć nieco mniej, a w tej z sacharozą...
Teoretycznie roztwór powinien pozostać bez zmian, bo sacharoza nie jest cukrem redukującym, jednak w rzeczywistości powstało nieco koloidalnego osadu, nadającego mu intrygujący kolor - niebieski z pomarańczowym poblaskiem, dobrze widocznym od strony oświetlonej i prawie zanikającym przy prześwietleniu. Najwidoczniej roztwór sacharozy stojący w pracowni był zanieczyszczony odrobiną innych cukrów, zapewne za sprawą użycia tej samej pipety do różnych próbek przez którąś z poprzednich grup.

Sama próba Fehlinga jest mało charakterystyczna, pozytywny wynik dają cukry redukujące, aldehydy z wyjątkiem aromatycznych a także kwas mrówkowy. Innym wariantem jest odczynnik Benedicta, gdzie miedź jest skompleksowana cytrynianem sodu.

Kiedyś w laboratorium... (9.)

Kiedy jeszcze uczyłem się w technikum, miałem przedmiot Bioanalitykę. Zajęcia prowadziła pani Skrobek, którą miło wspominam między innymi dlatego, że nie widziała przeszkód abym mógł robić na zajęciach zdjęcia. Jedne z zajęć poświęcone były podstawom histologii i wówczas nie omieszkałem sfotografować przez mikroskop pokazywanych preparatów tkankowych. Ten, który podaję poniżej, to preparat komórek rakowych:

Preparat był utrwalany i niestety dosyć stary, dlatego popękał. W każdym razie widać bardzo grubą błonę komórkową, i nieregularne jądro dzielące się równocześnie na kilka części. Taki wygląd mają komórki raka stodium szybkiego wzrostu.

Kiedyś w laboratorium (8.)

Fenoloftaleina jest powszechnie używana jako wskaźnik kwasowo-zasadowy, w warunkach zasadowych przy pH 8,2 z formy bezbarwnej zamieniający się w formę różowo-malinową. Nie każdy jednak wie, że w ekstremalnych warunkach może przejść w jeszcze inne formy. Pod wpływem bardzo silnych zasad odbarwia się, zaś w bardzo silnych kwasach staje się pomarańczowa, co pewnego razu sprawdziłem:

Fenoloftaleina w stężonym kwasie siarkowym

Wszystkie te przemiany wiążą się ze zmianami budowy cząsteczki. Związek formalnie rzecz biorąc jest pochodną bezwodnika ftalowego, który skondensował z dwiema cząsteczkami fenolu, W związku z tym jedna połowa pochodzącej od dwóch grup karboksylowych, grupy karbonylowej, zostaje zajęta, zaś pozostała część formalnie rzecz biorąc może być uznana za cykliczny ester. Decyduje to o właściwościach.
W warunkach silnie zasadowych pierścień estrowy hydrolizuje do reszty karboksylowej. Swoje wodory odszczepiają też dwie cząsteczki fenolu. Powstała struktura mezomeryczna adsorbuje część światła, pozostawiając intensywny kolor pomiędzy fioletem a różem.
Gdy związek znajdzie się w środowisku silnie kwaśnym, pierścień estrowy hydrolizuje do grupy karboksylowej, jednak fenole nie odszczepiają wodoru, przez co na zwornikowym atomie węgla powstaje niedomiar elektronów i cała cząsteczka staje się dosyć trwałym kationem trifenylometylowym, o barwie intensywnie pomarańczowej.

Jako ciekawostkę można dodać, że fenoloftaleina jest środkiem przeczyszczającym, stosowanym w medycynie od stu lat. Nie znalazłem informacji wedle jakiego mechanizmu działa, ale podejrzewam że oddziałuje tu forma anionowa, pojawiająca się przy obecności zasadowej żółci. Obecnie jednak wycofuje się ją, z powodu jak na razie niedostatecznie potwierdzonych, ale jednak istniejących podejrzeń o rakotwórczość.

Wczoraj w laboratorium (7.)

Na pierwszych zajęciach z biochemii przeprowadzaliśmy próby charakterystyczne na aminokwasy. Tu reakcja Adamkiewicza-Hopkinsa:



Próba wykrywa obecność tryptofanu, aminokwasu stanowiącego składową wielu białek, a dokładnie grupy indolowej. Gdy do mieszaniny tryptofanu z kwasem octowym wleje się ostrożnie stężonego kwasu siarkowego tak, aby utworzył warstwę na dnie, na granicy faz w silnie zakwaszonym środowisku aminokwas reaguje z grupą karbonylową tworząc barwny produkt kondensacji, koncentrujący się w warstwie granic faz i opisywany jako "wiśniowy pierścień". Wszystkie reakcje dla białek i aminokwasów omówię lepiej w osobnym wpisie, bo mi się trochę ich zdjęć nagromadziło.

Kiedyś w laboratorium... (6.)

Na zajęciach bardzo lubię po skończonych próbach mieszać ze sobą zawartości różnych próbówek, ot tak, zobaczyć co się stanie. Niekiedy uzyskuję w tej sposób bardzo niezwykłe efekty kolorystyczne, do czego przyczynia się wąski kształt próbówek, utrudniający zmieszanie się roztworów. Koledzy z roku mówią mi, że może kiedyś otrzymam całą tęczę. Na razie do tego daleko, ale co ładniejsze przypadki fotografuję.
Niestety większość Chemii to badania nie efektowne, przynajmniej dla nieobeznanych w temacie, z wykresami, tabelkami, przyrządami itp. Czasem jednak trafia się coś ładniejszego.
Poniżej próbówki z prób charakterystycznych na Kobalt:
O ile dobrze pamiętam, pierwsza od lewej zawierała kobalt potraktowany wodą utlenioną i podgrzany. Ciemny osad to tlenek. Następnych nie jestem pewien, ale środkowa z osadem o bardzo ładnym liliowo-wrzosowym kolorze, to węglan kobaltu.

Wczoraj w laboratorium... (5.)

Podczas zdawania szafki na pracowni, po wyciągnięciu całego sprzętu zauważyłem, że na dnie erlenmajerki wykrystalizowały resztki czegoś dawno zapomnianego, tworząc intrygujący wzór:
Aż szkoda było myć. Układ igiełek przypomina mi zdjęcie mikroskopowe strzępków grzyba pędzlaka. Co zaś przypomniało mi o pewnym konkursie na mikro i makrofotografię, na który można słać zdjęcia aż do kwietnia.
No ale na razie sesja.

Błąd na błędzie - czyli analiza nieznanego związku organicznego

Tyle już tu pisałem o tym, że ludzie popełniają błędy, że w historii chemii zdarzały się pomyłki i mistyfikacje, że należy odnośnie głośnych i nowych odkryć zachować ostrożność, a jak przyszło co do czego sam się przed nimi nie ustrzegłem. W zasadzie więc nie ma się czym chwalić, jednak po fakcie pomyślałem, że moja historia może zawierać w sobie pewien sens moralny, albo po prostu nauczkę co do tego, o czym analityk powinien pamiętać oraz - a również i zwykłym czytelnikom może być to przydatne - na co powinien najbardziej uważać. A uważać powinien na siebie.

Przedmiot analiza związków organicznych jaki mam w tym roku, idzie mi tak sobie. Sporo reakcji już pozapominałem, więc na kolokwiach raczej nie błyskam nadzwyczajnymi wynikami, w zasadzie jednak praktyka powinna mi iść dobrze. I tak mi się też wydawało, gdy bez większych problemów oznaczyłem tożsamość pierwszego nieznanego związku.
Była to substancja stała, drobnokrystaliczna i jasnofioletowa z ciemniejszymi grudkami, o wyraźnym, ostrym zapachu fenolu. Topiła się w zakresie 59,5-62 st. C; nie rozpuszczała się w wodzie i 5% roztworze wodorowęglanu sodu, natomiast rozpuszczała w 10% NaOH co zaliczało ją do grupy rozpuszczalności KW. 2. Spalała się żółtym, kopcącym płomieniem, gasnącym po wyjęciu, wydzielając przy tym opary które po ostrożnym wwachlowaniu dłonią pod nos okazały się bardzo ostre i kręciło mnie po nich jeszcze następnego dnia. Z heteroatomów wykryłem tylko brom. Pomyślałem zatem - pachnie fenolem, pali się jak związek nienasycony - a sprawdzajmyż czy to jakiś fenol. Rozmieszałem trochę z wodą w której odrobinkę się rozpuszczał i dodałem żelaza III. Roztwór zabarwił się butelkowo z fioletowawym odcieniem przy dnie - więc jakiś fenol to jest. Dla otrzymania pochodnej krystalicznej potraktowałem próbkę rozpuszczoną w alkoholu, nitrującą mieszaniną kwasu azotowego i azotanu III sodu. Po przekrystalizowaniu, odsączeniu, przemyciu i wysuszeniu, zbadałem że moja nitropochodna, mająca postać jasnopomarańczowego proszku, topi się w zakresie 98-104 st. C.
Potem zajrzałem do odkserowanych z podręcznika tabel fizykochemicznych, wyszukałem związek najbardziej pasujący a prowadzący potwierdził - był to para-bromofenol. Proste.

Teraz należało zająć się drugim związkiem. Była to ciecz, bezbarwna, wodnista o wyraźnym migdałowym zapachu - jak nic, myślę sobie, albo benzen albo alkilopochodna. Więc sprawdzam rozpuszczalność - w wodzie nie, w 5% NaOH nie, w 5% HCl nie, w stęż. H2SO4 tak z rozkładem, w steż. H3PO4 tak. Zatem moja substancja należy do grupy rozpuszczalności O1. To też pasuje - pomyślałem.
Zatem palność: pomarańczowy, nie gasnący płomień, tak silnie kopcący aż obawiałem się, że będę musiał myć dygestorium. Następnie przedestylowałem próbkę, mierząc temperaturę par - w pewnym momencie temperatura zaczęła utrzymywać się na stałym poziomie, odpowiadającym temperaturze wrzenia, która w tym przypadku wyniosła 173 st. C. Zdecydowanie za wysoko na benzen (80 °C) ale pozostawały jeszcze pochodne.

Następnie heteroatomy - po stopieniu próbki z sodem, i rozprowadzeniu w wodzie nie wykryłem siarki, azotu i halogenów. Więc heteroatomów raczej nie ma. Pasuje

I cóż? Swoją teorię już miałem i się jej uparcie trzymałem. Najpierw więc próba na grupę aromatyczną. Zmieszałem próbkę z chloroformem i nasypałem łopatką odrobinę bezwodnego chlorku glinu, tak aby osiadł na ściance - zauważyłem przy okazji, że pył bezwodnego związku osiadający na skórze daje przejściowe uczucie ciepła. Następnie przechyliłem próbówkę aby ciecz zwilżyła związek, i obserwując powstające zabarwienie byłem pewien, że mam związek aromatyczny:

Barwne związki

Próba ta opiera się na dosyć ciekawym mechanizmie:

Schemat reakcji

Najpierw chloroform reaguje z chlorkiem glinu będącym, jak powszechnie wiadomo, kwasem Lewisa. Ten przyłączył jeden chlor i utworzył z chloroformem nietrwałe połączenie o charakterze pary jonowej, gdzie na kompleksie nieorganicznym mamy ładunek ujemny a na części organicznej ładunek dodatni. Następny etap to substytucja elektrofilowa i przyłączenie reszty chloroformu do pierścienia aromatycznego. Jest to w zasadzie zwykła reakcja Friedla i Craftsa. Ponieważ w reszcie pochodnej od chloroformu nadal znajdują się atomy chloru, wobec nadmiaru chlorku glinu - a pamiętajmy że nasza reakcja zachodzi w grudkach związku zwilżonych naszą mieszaniną - reakcja się powtarza. W powyższym przykładzie benzen ulega zamianie w trifenylometan, ale jest na prawdę wiele innych możliwości, z polimerami włącznie. Całość tworzy związki o dużej ilości struktur mezomerycznych, które pochłaniają różne długości fal i odznaczają się silnym zabarwieniem. Tutaj pojawił się kolor fioletowy, więc związek aromatyczny to był.
Pasuje - myślę sobie zatem. Ponieważ temperatura wrzenia nie pasowała do benzenu, dla potwierdzenia że mam do czynienia z pochodną alkilową, wytrząsałem próbkę z zakwaszonym roztworem manganianu VII potasu, który mi się odbarwił, co uznałem za potwierdzenie koncepcji. Z temperatury wrzenia pasował p-cymen. Niestety w tym momencie skończyły mi się zajęcia i ostateczną identyfikację odłożyłem na później.

Na następnych zajęciach zabrałem się za otrzymywanie pochodnej krystalicznej. Dla związków aromatycznych taką wygodną jest pochodna benzoilowa, to jest z przyłączonymi resztami kwasu benzoesowego. Substratem w tej reakcji jest chlorek kwasowy, czyli chlorek benzoilu, związek o specyficznym, bardzo silnym zapachu, który pomimo przeprowadzania reakcji pod dygestorium, zasmrodził całą salę. Moją substancję, rozpuszczoną w alkoholu, zmieszałem z 10% wodorotlenkiem sodu, dodałem 1 ml chlorku benzoilu i wytrząsałem aż roztwór przestał śmierdzieć, co znamionowało koniec reakcji.

Benzoilowanie

Wytrącony osad odsączyłem na lejku Buchnera, przemyłem ostrożnie odrobiną wody dla wymycia kwasu benzoesowego, który też powstaje w tej reakcji, nabiłem nim kapilarkę i zacząłem mierzyć temperaturę topnienia. Mierzyłem i mierzyłem. Mierzyłem powoli i ostrożnie. Mierzyłem z uwagą i powagą. Mierzyłem aż się znudziłem a temperatura na termometrze sięgnęła 350 st. C. Dalej nie chciałem ogrzewać, bo się skala kończyła a obudowa zaczęła podejrzanie pachnąć spalenizną, zaś moja pochodna topić się nie chciała. Żaroodporna pochodna, coś takiego! Prowadzący też się zdumiał i po moich ostrożnych zapytaniach kazał sprawdzić inne grupy funkcyjne.
No cóż, może coś przeoczyłem. Najpierw więc grupa alkoholowa, bo może to alkohol benzylowy, on też powinien pachnąć migdałami. W tym momencie niektórzy czytelnicy mogą się już domyśleć co też takiego miałem w próbówce, ja jednak nie skojarzyłem, i brnąłem dalej w pochodne podstawionego grupami alkilowymi benzenu jak to sobie na początku założyłem.
Próba Lucasa pozwalała w zasadzie na odróżnienie od siebie alkoholi o różnej rzędowości i była raczej niemiarodajna, ale odczynnika cerowego nie miałem. Do odmierzonej ilości stężonego kwasu solnego wsypałem chlorek cynku i po rozpuszczeniu dodałem mój związek. Podręcznik podawał, że dla alkoholi III rzędowych natychmiast a dla II rzędowych po pewnym czasie, powinno pojawić się zmętnienie a nawet oddzielenie się warstewki żółtawego oleju chloropochodnej (a dla I rzędowych nic), dlatego gdy po zmieszaniu wszystkiego roztwór zabarwił się tak żółtawo, uznałem próbę za trafioną.

Próba Lucasa, wynik fałszywy

Tabele z podręcznika podawały, że zbliżoną temperaturę wrzenia ma furfurol, więc od razu zapytałem prowadzącego czy to to. Nie, to nie alkohol. Trudno.

Nie alkohol, więc najlepiej sprawdzić od razu grupę karbonylową. Podręcznik podawał tu przepis na próbę z dinitrofenylohydrazyną, gdzie należało roztwór alkoholowy odczynnika dodać do próbki i w razie czego powinien wytrącić się osad odpowiedniej pochodnej, zgodnie z równaniem:

Powstawanie dinitrofenylohydrazydów

Odsypałem sobie zatem łyżeczkę pomarańczowego związku, wsypałem do próbówki, dodałem badaną próbkę i po wymieszaniu otrzymałem klarowny, pomarańczowy roztwór. Osad niet.
Dla pewności, że nie ma żadnej pomyłki, zrobiłem jeszcze próbę Legala, ograniczoną raczej do metyloketonow. Podczas tej próby metyloketony, reagując z pentacyjanonitrozylożelazianem III sodu (nitroprusydkem wedle starej nomenklatury), tworząc podobno alfa-c-nitrozoketony, ale tej znalezionej na jednej ze stron informacji nie udało mi się potwierdzić. W każdym razie po reakcji w zasadowym roztworze i po zakwaszeniu go kwasem octowym, powinno powstać fioletowe lub czerwone zabarwienie.
I rzeczywiście, gdy wymieszałem co trzeba i chlupnąłem octem, roztwór zrobił się czerwony a warstwa organiczna w intrygujący sposób się wzburzyła przy dnie, tworząc efektowne warstwy:

Próba Legala

A zatem jakiś metyloketon. Zajrzałem do podręcznika i uznałem, że musi to być fenolo-metylo keton. Pełen nadziei zapytałem prowadzącego - pudło! Ponadto po przesłuchaniu mojej relacji kazał powtórzyć pierwszą próbę na grupę karbonylową, tylko porządnie, i to będzie moja pochodna krystaliczna. Zajrzałem jeszcze raz do podręcznika: "alkoholowy roztwór dinitrofenylo..." - ale co tu zmieni alkohol, myślę sobie, on raczej nie bierze udziału w reakcji. Dla spokojności sumienia chlupnąłem do próbówki z otrzymanym wcześniej klarownym roztworem trochę alkoholu i oczywiście wytrącił mi się ładny, pomarańczowy osad:

Ostateczna pochodna

Zajrzałem jeszcze że ta pochodna, jest używana dla potwierdzenia tożsamości aldehydów i złapałem się za głowę. Jak mogłem o tym zapomnieć?! Przecież używałem tego związku. I opisałem. No ale...
Na następnych zajęciach, bo tamte mi się kończyły, odsączyłem pochodną, wysuszyłem, zbadałem temperaturę topnienia (228-231 st. C ) i oczywiście wyszło mi że moją substancją był benzaldehyd.

Aldehyd benzoesowy jest taką właśnie cieczą, pochodną benzenu, o silnie migdałowym zapachu. Nic zresztą dziwnego bo występuje w migdałach wraz z kwasem migdałowym i cyjanowodorem, a wszystkie te produkty hydrolizy cyjanoglikozydów pachną migdałowo. Taka prosta sprawa a ja się tyle męczyłem.

Oczywiście teraz już mogę wskazać gdzie popełniłem błąd, a był już na samym początku. Skoro moja substancja należała do grupy rozpuszczalności O1 to nie mogła być zupełnie niepolarną alkilopochodną aromatyczną, bo te należą do grupy N, ale byłem tak przekonany, że po zapachu odgadłem związek, że nie zwróciłem na to uwagi. Wyszło, że to związek o charakterze obojętnym, więc pasowało. Dlatego po potwierdzeniu aromatyczności nie sprawdzałem dalej i zupełnie niepotrzebnie otrzymałem pochodną benzoilową. Dlaczego wyszła "żaroodporna" nie wiem. Potem na samym początku źle wykonałem próbę na grupę karbonylową bo uznałem, że rozpuszczenie w alkoholu nie ma znaczenia dla wyniku i biedziłem się co dalej. I tak na identyfikację prostego związku zużyłem trzy pracownie.

A teraz morał:
Nie myśl mój czytelniku analityku, żeś za mądry, że od razu wszystko wiesz. Owszem, intuicja się przydaje, ale co innego przeczucie a co innego zaślepienie na to, co nie pasuje. Lepiej dłużej po kolei, na wszelki wypadek posprawdzać inne rzeczy, niż dojść po mozołach do pewnego punktu, i stanąwszy na nim powiedzieć "jestem w kropce". Nie sądź żeś lepszy niż autorzy podręczników, nie myśl, żeś mądrzejszy i nieomylny, bo tylko głupi sądzi, że nie myli się nigdy.
A ma też ta rada odniesienie do innych spraw,
nie chemicznych i nie analitycznych,
czego spokojne rozważenie
zostawiam czytelnikom.

Analiza wody źródlanej "Cisowianka"

Czas chyba aby wrócić tu coś z tego, co wykonywałem na praktykach studenckich w sierpniu tego roku. Jak to już opisywałem, odbyłem je w Laboratorium Ochrony Środowiska Pracy w Siedlcach, a więc w mieście mojej uczelni. Nie miałem tam może jakiś specjalnie efektownych rzeczy do zrobienia, ale zebrałem co nieco materiałów, wartych do przedstawienia.

Podczas jednego z dni, gdy mój prowadzący był nieobecny, aby mieć jakieś zajęcie wykonałem analizę wody mineralnej. Była to akurat Cisowianka.

Cisowianka to, formalnie rzecz biorąc, woda źródlana, nisko zmineralizowana, pobierana z głębokości 100 metrów z pokładów w Drzewcach, koło Nałęczowa. Wprawdzie producent sprzedaje ją jako wodę mineralną, ale zawartość składników mineralnych to tylko 742 mg/l, tymczasem formalnie za mineralną uważa się taką, która zawiera przynajmniej 1g/l . Nazwa ujęcia nawiązuje do uzdrowiska "Cisy" opisanego przez Żeromskiego. Jest to zresztą zabawne, bo opis z Ludzi bezdomnych jest raczej nieprzychylny - Cisy to uzdrowisko wsteczne, prowadzone nieprzemyślane, z którego można było wyjechać bardziej chorym, niż się przyjechało. No cóż, widać nieznajomość literatury nie przeszkadza.

Niestety nie mogłem zrobić pełnej analizy jakościowej i ilościowej, dlatego poprzestałem na badaniu zawartości jonów wodorowęglanowych, wapniowych i magnezowych, a pozostałe składniki oznaczałem jakościowo.

Wodorowęglany:
Zawartość anionów wodorowęglanowych oznaczałem alkacymetrycznie, miareczkując próbkę wody mianowanym kwasem solnym, wobec oranżu metylowego jako wskaźnika.
Dla reakcji:

HCO-3 + H⁺ → CO₂↑ + H₂O

jeden mol kwasu reaguje z jednym molem anionów.

Napełniłem więc biuretę mianowanym roztworem HCl o stężeniu 1,02 mol/l, wlałem do kolbki jedną pipetę wody i dwie krople oranżu, po czym bardzo ostrożnie, mając na uwadze nieduże stężenie, po kropli dodawałem kwas aż do momentu, gdy żółty roztwór przybrał kolor pomarańczowy. W tym przypadku wystarczyło 0,85 ml. Dla tak małych ilości błąd oznaczenia może być duży, nie miałem jednak bardziej rozcieńczonego kwasu na podorędziu.
Po przeliczeniu uzyskałem zawartość wodorowęglanów 0,5289 mg/l, co wobec etykietowej 0,5426 mg/l nie było tak dużym błędem.

Wapń:
Oznaczanie wapnia przeprowadziłem kompleksometrycznie, przy pomocy mianowanego roztworu EDTA.

EDTA czyli kwas etylenodiaminotetraoctowy, jest znanym związkiem chelatującym, tworzącym kompleksy z szeregiem metali ciężkich, a nawet z takimi lekkimi jak magnez, wapń czy lit. Posiada aż sześć atomów zawierających wolne pary elektronowe i mogących w związku z tym tworzyć kompleks. Cząsteczka kwasu zwija się, niczym zaciskana pięść, "łapiąc" atom w klatkę. Jeden jon metalu jest kompleksowany przez jedną cząsteczkę EDTA.
Ale po czym wobec tego poznać, że wszystkie jony metalu zostały związane?
W analizie kompleksometrycznej używa się specjalnych wskaźników, które same mogą tworzyć związki kompleksowe, jednak ich trwałość jest mniejsza, niż trwałość kompleksu, jaki metal tworzy z EDTA. Gdy więc wolne jony zostaną związane, titrant zaczyna reagować z kompleksem wskaźnika - zachodzi zatem zjawisko wypierania:

WSK(M) + EDTA → WSK + EDTA(M)

Forma związana kompleksu powinna mieć inne zabarwienie niż forma uwolniona, jak zatem łatwo się domyśleć, po związaniu wszystkich jonów metalu, a więc w punkcie końcowym miareczkowania, barwa roztworu ulegnie zmianie.

W przypadku oznaczania wapnia obok magnezu należy silnie zalkalizować środowisko, dodając odpowiednią ilość wodorotlenku sodu, magnez będzie wówczas wiązany w formie wodorotlenku, zaś jego kompleks z EDTA będzie bardzo nietrwały, w związku z czym podczas miareczkowania zmianom stężenia będzie ulegał tylko wapń.

Wskaźnikiem użytym do tego oznaczania będzie Kalces, czyli sól sodowa kwasu kalkonokarboksylowego, który w punkcie końcowym zmienia kolor z różowo-fioletowego na niebieski. Filmu z miareczkowania kalcesem nie mam, ale są zdjęcia:

→ Kalces przed miareczkowaniem

Kalces po
→

Tak więc pobrałem dwie pipety badanej wody (podwójna ilość aby zeszło więcej titranta co zmniejsza błąd związany z niedokładnościami biurety), dodałem odpowiednią ilość NaOH, wlałem kilka kropel roztworu wskaźnika i jak się rzekło, miareczkowałem mianowanym roztworem EDTA dopóki nie nastąpiła zmiana zabarwienia.

Po przeliczeniu otrzymałem wynik 0,1242 g/l, co wobec
etykietowej 0,1313 g/l nie jest dużym błędem



Magnez:
Oznaczanie zawartości magnezu wykonuje się pośrednio. Zamiast tak dobierać warunki, aby wyeliminować wpływ wapnia, miareczkuje się po prostu sumę zawartości wapnia i magnezu. Ponieważ zawartość wapnia już poznaliśmy, przez odjęcie jednej wartości od drugiej uzyskamy zawartość samego magnezu.

Użytym przy tym wskaźnikiem jest Czerń eriochromowa T, związek organiczny o ciemnofioletowej barwie, tworzący z metalami kompleks koloru różowo-fioletowego, choć o bardziej soczystym odcieni niż kalces. W pobliżu punktu końcowego roztwór zabarwia się na fioletowo a za punkt końcowy uważa się zabarwienie niebieskie. I tu pomocny będzie film:


Nieco wcześniej napełniając biuretę zalałem fartuch roztworem EDTA, dlatego miareczkuję bez niego, nie zbyt może poprawnie.
Oznaczanie przeprowadza się w środowisku lekko zasadowego buforu amonowego. Po obliczeniach i odjęciu od otrzymanego wyniku oznaczonej wcześniej zawartości samego wapnia, otrzymałem zawartość magnezu 0,02433 g/l, wobec etykietowej 0,0225 g/l. Może gdybym używał bardziej rozcieńczonych titrantów udałoby się błąd zmniejszyć

A pozostałe jony? Chlorkowy oznaczyłem tylko jakościowo - do zakwaszonej kwasem azotowym V próbki dodałem azotanu srebra. Biały osad, rozpuszczający się w roztworze amoniaku i wytrącający się po ponownym lekkim zakwaszeniu, był oznaką jonów chlorkowych. W zasadzie mógłbym oznaczyć chlorki argentometrycznie metodą Mohra, ale brakło mi czasu. Sodu i potasu nie oznaczyłem, bo nie miałem drucika platynowego.

Kiedyś w laboratorium... (4.)

Chromatogram krążkowy podczas analizy aminokwasów:
Wywoływane roztworem ninhydryny. Wygląda jak horoskop.

Stapianie z sodem

Dziś krótko o jednej z ważniejszych a przy tym ciekawszych prób analitycznych w chemii związków organicznych, mianowicie o wykrywaniu heteroatomów przez stapianie związków z metalicznym sodem.

Związki organiczne, jak wiadomo, są zasadniczo związkami węgla czterowartościowego, często połączonego w łańcuch, z wodorem, tlenem i innymi pierwiastkami zależnie od posiadanych grup funkcyjnych i podstawników. Aby przynajmniej orientacyjnie stwierdzić, czy nie mamy tu do czynienia z takim właśnie przypadkiem, należy sprawdzić zawartość tych innych pierwiastków. Nie można tego zrobić bezpośrednio działając na substancję odczynnikami (to znaczy czasem można, ale nie z każdym związkiem się to udaje), najpierw więc należy ją rozłożyć, zaś zawarte pierwiastki przekształcić w łatwo wykrywalne związki nieorganiczne. Właśnie dlatego przeprowadzamy stapianie z metalicznym sodem( tzw. próba Lassaigne'a).

Kawałki sodu

Należy wziąć małą próbóweczkę i umieścić w niej niewielką (0,2 g lub 0,2 ml) ilość badanej substancji. Następnie wziąć kawałeczek metalicznego sodu mniej więcej wielkości ziarnka grochu, wcześniej odsączonego od resztek nafty czy oleju w których musiał być przechowywany z racji dużej reaktywności metalu, wrzucić do próbki substancji i ująwszy metalowymi szczypcami ostrożnie ogrzewać.

Stapia się

Sód powinien się stopić i zacząć dosyć gwałtownie reagować z naszą próbką, iskrząc i wydzielając dym. Może się też zdarzyć, że pary naszego związku zapalą się, dlatego całość wykonujemy pod wyciągiem, najlepiej w okularach ochronnych, pamiętając przy tym, aby wylot próbówki był skierowany do wnętrza dygestorium nie zaś na salę.
Gdy stop we wnętrzu przereaguje należy ogrzać całość mocniej, aż szkło rozgrzeje się do czerwoności. Czy nie pęknie? Właśnie że ma pęknąć.

Rozgrzaną do czerwoności próbówkę szybkim ruchem wprowadzany do uprzednio przygotowanej parowniczki z woda, w miarę możliwości pukając o nią dnem. Naczynie pęknie zaś stop zetknie się z wodą i gwałtownej reakcji ulegną resztki pozostałego jeszcze sodu. Rzecz najlepiej objaśni film wykonany pod czas tych czynności, co przysporzyło mi niemało trudności:

Jak widać substancja uległa zwęgleniu, jednak nie cały sód przereagował. Gdy próbówka pękła w wodzie, część zapalonego sodu pyprysnęła, co potwierdza zasadność prowadzenia reakcji pod wyciągiem. Skądinąd dobrze, że iskra nie trafiła w miseczkę z resztkami i papierkami do odsączenia nafty, boby się zrobił mały pożar.
Teraz należy tylko przesączyć zawartość parowniczki i tak otrzymany płyn poddać próbom analitycznym.

Azot zawarty w związkach (np. grupy aminowe, amidowe, azotanowe, nitrozowe itd.) ulega przemianie w cyjanek, który wykrywa się przy pomocy soli żelaza II, co już opisywałem w notce o błękicie pruskim. Siarka, na przykład z grup sulfonowych czy tiolowych, zamieni się w siarczki. Jeśli w związku zawarta była i siarka i azot, powstają jony tiocyjanianowe (rodanki), wykrywane żelazem III. Halogeny zamieniają się w odpowiednie chlorki, jodki i bromki.
Nie wiem jak jest z innymi, rzadszymi pierwiastkami. Podejrzewam, że fosfor zamienia się w fosforek sodu, który w wodzie daje gazowy fosfan, przez co w roztworze już się go nie wykryje.

------
Ps. - gdzieś tak w połowie listopada będę brał w kolejnej konferencji studenckiej, gdzie wygłoszę arcyciekawy jak mam nadzieję, referat o rodnikowej dekarboksylacji benzoesanu sodu w napojach, prowadzącej do powstawania rakotwórczego benzenu. Na razie więc trzymajcie kciuki, a potem dodam tu o tym dłuższy artykuł, który może uda się puścić w ramach Research Bloggingu