Dziś w laboratorium (23.)

Dziś w laboratorium w ramach seminarium magisterskiego prezentowałem grupie przebieg wywiązywania i skraplania amoniaku. Aby tego dokonać należało użyć dość dużej ilości suchego lodu, ten zas szybko sublimował i należało go przetrzymać w naczyniu Dewara. Gdy po wyjęciu kostki zajrzałem do srebrzystego wnętrza, nie mogłem się powstrzymać przed zrobieniem zdjęcia:

Naczynie Dewara jest właściwie szklaną powłoczką. To jak szklana butelka której ścianki są wewnątrz puste, a w tej przestrzeni panuje techniczna próżnia. Ciepło słabo rozchodzi się w próżni, właściwie tylko przez promieniowanie podczerwone - a te z kolei jest odbijane przez srebrzystą powłoczkę. Zatem naczynie dobrze izoluje swe wnętrze od zmian temperatury, o czym mógł się przekonać każdy użytkownik termosu, będącego przecież domowym naczyniem Dewara.

Opis skraplania amoniaku (i zdjęcia) oraz po co mieliśmy to robić dodam za parę dni, jak tylko mi się zechce.

Kiedyś w laboratorium (22.)

Na pierwszym roku studiów, na przedmiocie chemia nieorganiczna, omawialiśmy reakcje związków fluorowców. Oto co się stało, gdy wrzuciłem grudkę jodanu sodowego do próbówki z kwasem siarkowym:

Powstały jod spienił się po wpływem pary wodnej i wypełzł z próbówki.

-----
Ps. To mój setny opublikowany post. Oby tak dalej.

Chromatograficzne oznaczanie zawartości kofeiny w herbacie

W ostatnim czasie trochę nie bardzo miałem czas na wpisy na blogu, zwłaszcza że te dopiero przygotowywane są dłuższe i wymagają większej pracy, dlatego aby nie zaniedbać tego miejsca całkowicie, przedstawię coś wygrzebanego z archiwum notatek.

Kofeina jest naturalnym alkaloidem zawierającym azot, o właściwościach lekko zasadowych, wstępującym w wielu roślinach, głównie w krzewie kawowym i krzewie herbacianym. Napoje otrzymywane z tych roślin nie miały by dla nas wielkiej wartości gdyby nie ów związek, a to z powodu pobudzających właściwości. Kofeina zmniejsza poczucie zmęczenia, rozszerza naczynia krwionośne, pobudza wydzielanie soków żołądkowych i moczu, zwiększa wydzielanie neuroprzekaźników dając krótkotrwały efekt "jasności umysłu"; niestety jak wszystkie substancje wpływające na percepcję prowadzi do fizycznego uzależnienia, choć lekkiego. Dlatego też ludzkość spożywa ją tonami.

W ćwiczeniu jakie wykonywaliśmy na zajęciach chodziło wprawdzie o oznaczenie ilości kofeiny w herbacie, ale główną sprawą na jaką zwracano naszą uwagę, był sposób przygotowania próbki - konkretnie zaś technika SPE.

W procesie analitycznym samo badanie i interpretacja wyników stanowią dosyć krótki etap, natomiast przygotowanie próbki tak, aby można było ją zbadać niejednokrotnie okazuje się najbardziej czasochłonną częścią. W dodatku musi być to etap wykonany dokładnie, bo choćby sprzęt pomiarowy był supernowoczesny, to wynik oparty o badanie złej próbki nadaje się tylko do kosza. Dlatego też sposoby przygotowania próbek to dziedzina równie szeroka i dynamiczna jak metody analityczne. Jednym z tych sposobów jest ekstrakcja do fazy stałej czyli właśnie SPE.
W pewnym stopniu można zaliczać SPE do chromatografii, gdyż i tutaj i tu używa się kolumny wypełnionej adsorbentem, różnica jest jednak taka iż w chromatografii stosujemy ciągły przepływ rozpuszczalnika, chcąc uzyskać ruch w kolumnie, z różnymi prędkościami, składników analitu; natomiast w SPE chodzi o to, aby to co zostanie wchłonięte, pozostawało na adsorbencie tak długo jak to nam będzie potrzebne. Właściwie jest to technika mająca pomóc oddzielić to co nas interesuje od tego co nam przeszkadza, a często też mogąca zagęścić składnik występujący w śladowych ilościach.

Na przykład mamy do czynienia ze ściekami, w których chcemy oznaczyć benzen. Ścieki zawierają całe mnóstwo składników o różnorodnych właściwościach, przez co niektóre czułe detektory mogą zostać całkiem zdezorientowane, należy zatem oddzielić to co niepotrzebne, a więc sole, białka, aminokwasy, kwasy organiczne, alkohole i cokolwiek innego, od frakcji właściwej, zawierającej niepolarne rozpuszczalniki organiczne. Przepuśćmy więc nasz roztwór przez jakiś niepolarny adsorbent, który będzie takie rozpuszczalniki dobrze pochłaniał. Niepolarne substancje zostaną pochłonięte, zaś polarne będzie można wypłukać czystą wodą. Teraz przepłuczmy nasz absorbent czymś, co może wypłukać niepolarne substancje, na przykład heksanem, a otrzymamy roztwór zdecydowanie prostszy w analizie, bo zawierający wyodrębnione ze ścieków same tylko substancje niepolarne, w tym nasz benzen. Jeśli w dodatku przedtem występował w próbce w niewielkich ilościach, to po wymyciu z adsorbenta niewielką ilością rozpuszczalnika zdecydowanie się zatęży. Odwrotnym przypadkiem jest przepuszczanie próbki przez adsorbent, na którym zatrzymają się przeszkadzające zanieczyszczenia.
I to jest w zasadzie cała istota techniki.

Przemywania dokonuje się zazwyczaj w krótkich, szerokich kolumienkach, przypominających strzykawki, często przepływ przyśpiesza się podłączając wylot kolumienki pod niższe ciśnienie

W techniczne szczegóły nie będę się tu na razie wdawał, czas bowiem przejść do opisu ćwiczenia.

Na początek wzięliśmy kilka torebek herbaty ekspresowej (chyba "Minutki") i po rozerwaniu odmierzyliśmy dokładnie 0,85 g, po czym wsypaliśmy do kolby. Zaraz potem wsypaliśmy tam 2 g tlenku magnezu:

I dolaliśmy gorącej wody. Wyciąg należało zaparzać przez kwadrans. Po co tlenek magnezu? Zmieszany z wodą częściowo reagował dając wodorotlenek, i nadając roztworowi łagodnie zasadowy odczyn. W normalnej sytuacji kofeina tworzy z garbnikami herbacianymi mało rozpuszczalne połączenia, więcej jest ich w herbacie zielonej stąd też może mieć ona słabsze działanie pobudzające niż czarna. Zasadowe środowisko powoduje rozpad tych połączeń i większy stopień ekstrahowania z fusów. Ponadto w takich warunkach kofeina nie przechodzi  formę jonową, co ma znaczenie dla dalszego przebiegu ćwiczenia. Gdy nasza herbatka była już gotowa, należało ją przesączyć, oddzielając fusy i tlenek magnezu.
użyta kolumienka zawierała jako adsorbent żel krzemionkowy C-18, to jest z przyłączonymi do powierzchni osiemnastowęglowymi łańcuchami węglowodorowymi. Takie wypełnienie jest zatem bardzo niepolarne. Kofeina w formie niejonowej jest bardzo słabo polarna, mimo całkiem sporego momentu dipolowego, dlatego jest pochłaniana. Zanim jednak przepuściliśmy przez kolumienkę nasz roztwór, przepłukaliśmy ją metanolem, aby dotychczas suchy adsorbent był gotowy do pracy, zaś łańcuchy C-18 mogły się rozprostować.

Nabralliśmy 2 ml naparu i przepuściliśmy przez kolumienkę, której wypełnienie zabarwiło się na brązowo:

Gdy już wszystko zostało wchłonięte, przepłukaliśmy kolumienkę metanolem z wodą amoniakalną, aby wypłukać to co nie potrzebne, a na sam koniec wysuszyliśmy złoże, to jest, pozwoliliśmy aby podciśnienie zassało przezeń powietrze.
Tak więc potrzebną frakcję substancji niepolarnych - w tym kofeiny - mieliśmy już wchłoniętą. I czym ją teraz wypłukać? Moglibyśmy użyć rozpuszczalnika organicznego, ale ten wypłukałby nam wszystko co tam jest, a już po brązowym kolorze wypełnienia można było poznać, że oprócz kofeiny jest tam wiele innych związków. Przypomnę teraz że kofeina,, jak wszystkie alkaloidy, zawiera azot o właściwościach zasadowych - a więc mogący przyjmować proton. Po przyjęciu protonu alkaloid przechodzi w formę jonową z ładunkiem dodatnim. A taka forma jest dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo adsorbowania na podłożach niepolarnych.
Zatem przepłukaliśmy naszą kolumienkę mieszaniną wody, metanolu i kwasu octowego, uzyskując żółtawy roztwór, zawierający kofeinę i niezbyt dużą ilość przeszkadzających zanieczyszczeń. Najwyraźniej niektóre garbniki mają na tyle zbliżone właściwości aby przechodzić przez kolejne etapy w podobny sposób.

Dalsza analiza została przeprowadzona za pomocą chromatografii cieczowej - szerzej opisuję ją w tym wpisie . Najpierw na kolumnę nastrzyknięto próbkę wzorca kofeiny, o stężeniu 0,05 µg/ml, otrzymując chromatogram z pikiem o czasie retencji 14,293 minuty. Potem wstrzyknęliśmy próbkę z przygotowanego przez nas roztworu, uzyskując podobny pik o tym samym czasie retencji, muszący być analizowanym związkiem. Pola pod pikami wynosiły 1 224 259 jednostek względnych dla wzorca i 731 882 dla próbki analizowanej. Detektor fotometryczny mierzył absorpcję w ultrafiolecie dla fali 272 nm.
Znając masę próbki, stężenia wzorców i wiedząc jaki procent pierwotnej próbki stanowiła ta ostateczna, można było wyliczyć zawartość kofeiny w herbacie na 5% suchej masy, co stanowi dość dużą wartość (źródła podają zwykle, że dla herbaty zawartość nie przekracza 4,5%), choć oczywiście w normalnym przypadka nie cała ilość przechodzi do naparu.
Nie taka zła ta herbata

Ostatnio w laboratorium (21.)

Jakoś tak wyszło że ostatnimi zajęciami laboratoryjnymi przed sesją egzaminacyjną, były te z chemii instrumentalnej. Nasze zadanie polegało na przygotowaniu roztworów wyciągów roślinnych do badania zawartości polifenoli, w układzie chromatografu cieczowego z detektorem elektrochemicznym.
Ponieważ polifenole łatwo się utleniają, a zwłaszcza w podwyższonej temperaturze, nie mogliśmy zrobić naparu, dlatego zalaliśmy wybrane zioła metanolem i włożyliśmy do płuczki ultradźwiękowej, aby się wyekstrahowały:

W takim urządzeniu próbki poddawane są działaniu ultradźwięków wywołujących we wnętrzu szybkie fluktuacje ciśnienia. Powodują one zniszczenie struktur biologicznych i ułatwiają wnikanie rozpuszczalnika wgłąb cząstek stałych, z tego też powodu ostrzeżono nas abyśmy podczas wkładania próbek do działającej płuczki, nie włożyli tam przypadkiem palca.
Po takim dokładnym przewibrowaniu przesączyliśmy nasze roztwory, mające już zielonkawy kolor, i przelaliśmy do wyparki:

Wyparka to kolba kulista połączona z pompką próżniową i chłodnicą wykraplającą opary. Obrót kolby, rozprowadzający roztwór po ściankach, łaźnia ogrzewająca i wreszcie obniżone ciśnienie sprzyjają szybkiemu odparowywaniu rozpuszczalnika, toteż całe urządzenie jest używane do zagęszczania rozcieńczonych próbek. W naszym przypadku każdy roztwór nabrał zdecydowanie wyraźniejszych kolorków:

W naszym przypadku użytymi ziołami były, od lewej: dziurawiec, liść poziomki i szałwia. Zawartości polifenoli już nie pamiętam, ale nie stwierdziliśmy jakiś nadzwyczajnych odstępstw.

Katalityczna synteza kwasu adypinowego

Na jednych z ostatnich w tym semestrze zajęć z Chemii Proekologicznej, u prof. Lipińskiej, zajmowaliśmy się syntezą kwasu adypinowego.

Kwas adypinowy jest organicznym kwasem, zawierającym dwie grupy karboksylowe na końcach czterowęglowego łańcucha węglowodorowego. W niewielkich ilościach występuje w roślinach i mógłby być otrzymywany z buraków cukrowych, gdyby się to opłacało Jako słaby kwas bywa dodawany do żywności jako E 355, czasem też jako składnik roztworów buforowych, jednak głównym zastosowaniem jest produkcja Nylonu i innych podobnych polimerów. Z tego powodu rocznie na świecie produkuje się go 2,5 mln ton.

Niestety najpowszechniejsza metoda otrzymywania jest też bardzo kłopotliwa.

Podstawowym substratem jest tutaj cykloheksen - sześciowęglowy pierścień z jednym wiązaniem podwójnym. O jego otrzymywaniu już kiedyś pisałem. Rozerwanie tego wiązania i utlenienie węgli przy nim, da nam kwas adypinowy. Jednak z rozerwaniem wiązania, to nie jest taka prosta sprawa. Należy zastosować agresywne utleniacze - na przykład nadmanganian potasu ze stężonym kwasem siarkowym. Zaś metoda najpowszechniej stosowana polega na traktowaniu cykloheksenu stężonym kwasem azotowym.

Samo operowanie stężonym kwasem jest kłopotliwe, zaś w dodatku podczas reakcji powstają szkodliwe tlenki azotu, w tym podtlenek, będący gazem cieplarnianym. Stąd też biorą się próby stworzenia bardziej przyjaznej dla środowiska metody - jedną z nich zajmowaliśmy się na zajęciach.
W tej proekologicznej metodzie* do rozbicia wiązania cykloheksenu i utlenienia węgli wykorzystywany jest łatwo dostępny odczynnik - perhydrol czyli 30 % nadtlenek wodoru, zaś katalizatorem jest wanadan sodu. Jednakowoż taki układ wywołuje jeszcze dodatkową trudność - obie ciecze nie mieszają się ze sobą, a skoro tak, reakcja ograniczy się do wąskiej strefy kontaktu. Aby pokonać tą trudność stosujemy katalizator przejścia fazowego.

Katalizatory przejścia fazowego (PTC) są w większości czartorzędowymi aminami lub fosfinami, z przyłączonymi do atomu azotu lub fosforu długimi łańcuchami węglowodorowymi. Takie indywiduum dosyć chętnie rozpuszczałoby się w fazach oleistych, gdyby było elektrycznie obojętne, zwykle jednak samo w sobie jest dużym kationem organicznym. Dlatego przyłącza sobie z fazy wodnej jakiś anion i już może przejść do drugiej fazy. Jeśli ten anion zareaguje w drugiej fazie z innym substratem, na przykład jako nukleofil przyłączy się do benzenu i odłączy się od katalizatora, to ten, stając się naładowany, powróci do fazy wodnej dopóki nie znajdzie sobie nowego anionu.
W ten sposób katalizator cyklicznie zmieniając rozpuszczalność, przeciąga reagujące ze sobą cząsteczki z fazy do fazy. W tym przypadku był to związek CH3(C8H17)3N - nazywany Aliquat 336 - czyli sól tryoktylometyloamoniowa. Skoro zaś problem z głowy, opiszę pokrótce co też takiego wykonywałem:

Cykloheksen, mający postać bezbarwnej, oleistej cieczy, wlałem do kolby kulistej. Dodałem perhydrol i wanadan sodu - bezbarwny, nie interesujący proszek - do tego kroplę roztworu katalizatora PTC i mieszadełko magnetyczne i połączyłem kolbę z chłodnicą zwrotną. Całość ogrzewałem na łaźni olejowej na mieszadle grzejnym w temperaturze ponad 200 st. C:

Jeśli chodzi o sam proces, reakcja przebiegała bardzo spokojnie, choć obawiałem się, że z powodu nadtlenku może się zawartość kolby nagle zapienić. Jedynie co pewien czas zaglądaliśmy, czy warstwa organiczna jest jeszcze widoczna. Gdy ostatecznie z warstwy cykloheksenu został pierścień przy ściankach:

ogrzewanie przerwałem. Teraz należało ostrożnie oddzielić pipetą warstwę wodną od organicznej, ale starając się przy tym nie zaciągać stałego katalizatora z dna. Kwas adypinowy powinien wykrystalizować w niskiej temperaturze, toteż wziąłem z zamrażalnika lód, ściereczkę i młotek i naprodukowałem mieszaniny ochładzającej:

I rzeczywiście, już po chwili zawartość chłodzonej zlewki zgęstniała od drobnych kryształków produktu:

które pozostawało teraz jedynie odsączyć i wysuszyć. I tak oto powstał nam kwas adypinowy:

Proekologicznym aspektem jest oczywiście ograniczenie szkodliwych reagentów. Wydajność była wysoka, ale już nie pamiętam dokładnie jaka.

.--------
*  Sato K, Aoki M, & Noyori R (1998). A "Green" route to adipic acid: direct oxidation of cyclohexenes with 30 percent hydrogen peroxide Science (New York, N.Y.), 281 (5383), 1646-7 PMID: 9733504

Kiedyś w laboratorium (20.)

W zeszłym roku na zajęciach z chromatografii zajęliśmy się między innymi analizą cukrów. Na płytki nanosiliśmy po kropli cukrów: rybozy, mannozy, laktozy, glukozy i kroplę analizowanej mieszaniny X. Niektóre płytki były wcześniej modyfikowane przez nasycenie kwasami organicznymi. O ile dobrze pamiętam użytym roztworem rozdzielającym była mieszanina octanu etylu i izopropanolu z wodą. Następnie płytki wysuszyliśmy i spryskaliśmy wywoływaczem - kwaśnym acetonowym roztworem difenyloaminy. I wtedy okazało się, że ćwiczenie nie wyszło - plamki ledwie drgnęły. Jako tako wyszła tylko jedna płytka rozdzielana w jednym układzie, została jednak źle spryskana i po wywołaniu zamiast plamek ujrzeliśmy marmurkowaty deseń:

Bywa i tak.

Kiedyś w laboratorium (19.)

W zeszłym roku miałem krótko zajęcia ze spektroskopii w podczerwieni. Zależnie od długości fali promieniowania, otrzymywane są różne widma. W spektroskopii podczerwonej badamy pasma adsorpcyjne, to jest zakresy podczerwieni pochłaniane przez daną substancję. Odpowiadają one odpowiednim grupom w cząsteczce - wiązaniom podwójnym, grupom karbonylowym, aminowym, laktamowym itd. Szerokość, natężenie i położenie pasma pozwala nam dużo powiedzieć na temat budowy cząsteczki. W zasadzie w dużym stopniu widma danego związku są unikalne i wyłącznie dla niego przeznaczone - ale niestety nie zawsze się to udaje.

Aby uzyskać widmo należy przemiatając całe spektrum prześwietlać próbkę związku. Gdy mamy ją w postaci płytki kryształu lub jednolitej masy, nie jest to znów takie trudne, zwykle jednak mamy do dyspozycji drobne kryształki. Najczęstszym sposobem jest zmieszanie naszego związku z dobrze utartym bromkiem potasu, który to dobrze przepuszcza podczerwień. Otrzymany proszek wsypuje się do prasy, opuszcza stempel i pod bardzo wysokim ciśnieniem prasuje "pastylkę". Chlorki, bromki i jodki sodu i potasu pod wysokim ciśnieniem stają się nieco plastyczne - czego spektakularny przykład stanowią wysady solne, a więc maczugowate porcie soli kamiennej, wypchnięte z warstwicowych pokładów przez jakieś osłabienie czy niespoistość warstw. W tym przypadku plastyczność powoduje, iż otrzymujemy półprzezroczystą masę, na tyle trwałą aby nadawała się do badań.
Jedną taką pastylkę robiłem własnoręcznie, gdy zaś wyjąłem podkładkę ze stempla, stwierdziłem że masa została w intrygujący sposób wypchnięta przez szczelinę przy stemplu:

Ekstrakcja nadkrytycznym CO2 i kilka eksplozji

Na jednej z ostatnich pracowni Chemii proekologicznej zajmowaliśmy się rzeczą wprawdzie z punktu widzenia chemii niespecjalnie interesującą, ale jak się okazało w wykonaniu niechcący efektowną - mianowicie ekstrakcją nadkrytycznym dwutlenkiem węgla. Było też trochę wybuchów.

Stan nadkrytyczny to dosyć specyficzny stan. Coś jakby ciecz ale nie ciecz; a trochę jakby gaz ale też nie zupełnie. Aby rzecz objaśnić należy zacząć od kwestii stanów skupienia materii.
To w jakim stanie występuje materia jest wynikiem kompromisu pomiędzy energią atomów, chcącą wyrwać je daleko w przestrzeń, a oddziaływaniami pomiędzy nimi, niejako sklejającymi je ze sobą. W ciele stałym wiązania chemiczne, siły Van deer Walsa i inne podobne utrzymują cząsteczki ciała blisko siebie, z możliwością ruchu ograniczoną do drgania w miejscu, lub co najwyżej obrotu czy poślizgu dla ciał plastycznych, podobnie jak to obserwuje się w bardzo ciasnym tłumie.
Jeśli jednak nadamy tym cząsteczkom odpowiednio dużo energii, będą mogły wyrwać się ze ścisku, tworząc strukturę mniej uporządkowaną, w ramach której będą mogły przesuwać się w sposób bliżej nieokreślony, wciąż jednak będą ze sobą oddziaływały, nie pozwalając całej masie odfrunąć w siną dal. W takim stanie nasza materia nazywana jest cieczą - w stałej temperaturze ma określoną objętość, którą niechętnie zmienia, kształt określony naczyniem, lepkość i napięcie powierzchniowe.
Jeśli podgrzejemy naszą materię jeszcze bardziej cząsteczki uwolnią się z wzajemnych ograniczeń, i gdyby nic ich nie ograniczało, rozpierzchłyby się na wszystkie strony, jak spłoszone konie. To oczywiście gaz., który możemy sprężać i rozprężać.

Ten ładny i prosty obraz, przekazywany w szkołach nieco się komplikuje, jeśli uświadomimy sobie jak przejścia między fazami wyglądają w skali mikro. W ciele stałym oddziaływania między cząsteczkami utrzymują je w miejscu, jednak zgodnie z rozkładem Maxwella nawet poniżej temperatury topnienia pewna ilość cząstek ma wystarczającą energię aby móc przełamać ograniczenia, i jeśli akurat będą to cząstki na powierzchni to nam odgazują lub odtopią się. Z drugiej strony w tej porcji po wielu zderzeniach może znaleźć się nieco takich cząstek, które zderzywszy się w powierzchnią ponownie zostają złapane. W istocie pewna ilość cząstek przechodzi nieustannie z fazy do fazy, osiągając jakiś stan równowagi, zależny od warunków. Tymi warunkami są przede wszystkim temperatura i ciśnienie.
Temperatura warunkuje średnią ilość energii przypadającej na ogół cząsteczek w fazie, natomiast ciśnienie warunkuje liczbę cząsteczek zderzających się z fazą. Podwyższenie temperatury pozwala części cząstek oderwać się z fazy; podwyższenie ciśnienia powoduje ze odparowane cząstki częściej są wpychane z powrotem, zaś te które mogłyby odparować, przez zderzenia z innymi cząstkami mogą utracić nadmiar energii. Obie te siły wywołują więc przeciwstawne skutki. To jaka faza jest możliwa zależy od warunków.
Pod normalnym ciśnieniem lód może być trwały w temperaturach ujemnych skali Celciusza, w temperaturze zera stopni bez dodawania i ujmowania energii pozostaje w równowadze z fazą ciekłą; powyżej niej lód nie może być trwały i w całości przechodzi w ciecz trwałą aż do temperatury 100 stopni, powyżej której musi przejść w parę. Zmiany ciśnienia przy stałej temperaturze przesuwają te granice - pod odpowiednio niskim ciśnieniem woda wrze w temperaturze 70 czy 50 stopni, toteż w wysokich górach trudno zaparzyć mocną kawę bez ciśnieniowego samowaru. Dla odmiany pod wysokim ciśnieniem woda pozostaje płynna w temperaturze 120-150 stopni. W przypadku topnienia/krzepnięcia zwykle zmiany temperatur wyglądają podobnie, jednak dla wody anomalne zachowanie lodu daje o sobie znać, gdyż wzrost ciśnienia nieco obniża temperaturę topnienia.
Dla odpowiednio niskiego ciśnienia woda ciekła nie może być trwała i w ujemnych temperaturach lód przechodzi bezpośrednio w parę. Niech rzecz objaśni taki fajny obrazek:

Skala nie zachowana. Linie określają warunki równowagi między fazami a więc i temperatury przemian faz. Zaznaczyłem warunki punktu potrójnego, w którym trzy fazy pozostają w równowadze.

A co oznacza punkt K?

Zastanówmy się nad warunkami panującymi na linii ciecz/gaz. W takich warunkach ciało stałe przechodzi w ciecz lub odwrotnie, pozostając w równowadze. W miarę podwyższania temperatury rosnąć musi też ciśnienie, stąd krzywa wzrasta. Wzrost temperatury za sprawą rozszerzalności cieplnej powoduje, że ciecz staje się coraz mniej gęsta. Wzrost ciśnienia niespecjalnie wpływa na gęstość cieczy ale zwiększa gęstość gazu. Pamiętając o tym poruszajmy się po krzywej w górę.
Coraz mniej gęsta ciecz przechodzi w coraz gęstszy gaz aż wreszcie dochodzimy do punktu - nazywanego krytycznym - gdy obie gęstości się zrównują. Zanika różnica między jedną fazą a drugą, zanika granica pomiędzy nimi zaś ciśnieniowy pojemnik zaczyna wypełniać substancja o własnościach pośrednich - gęstość mniejsza od cieczy ale większa od gazu, lepkość mniejsza od cieczy ale większa od gazu. Brak napięcia powierzchniowego. Czasem dla odróżnienia od cieczy, nazywa się takie substancje płynami.

Płyny nadkrytyczne dzięki możliwości bardzo płynnych zmian właściwości okazują się bardzo przydatne. Przykładowo woda w takim stanie zachowuje zdolność rozpuszczania polarnych substancji, ale za sprawą mniejszej gęstości i braku napięcia powierzchniowego łatwiej wnika w drobne pory ziaren nierozpuszczalnych i znacznie łatwiej rozpuszcza substancje. A po zmniejszeniu ciśnienia łagodnie, bez pienienia, zamienia się w parę. Dlatego ciecze nadkrytyczne są bardzo ciekawymi rozpuszczalnikami.
Akurat woda jest w tym celu rzadko stosowana ze względu na ekstremalne warunki nadkrytyczne - temperatura prawie 300 st.C i ciśnienie 22 MPa. Jest jednak inna substancja, łatwo dostępne i nietoksyczna, dla której warunki te są dogodniejsze - dwutlenek węgla.

Dwutlenek węgla pod ciśnieniem atmosferycznym zamienia się w ciało stałe dopiero w -78 st. C, bez skraplania. Sublimuje dosyć szybko bez topnienia, skąd popularna nazwa "suchy lód". Dopiero w podwyższonym ciśnieniu może zamieniać się w ciecz. W jego przypadku warunki stanu krytycznego to 30 st.C i ciśnienie 7 MPa. Jeszcze łagodniejsze są warunki dla propanu i butanu, ale stosowanie ich ogranicza palność.
Nadkrytyczny CO2 może zastępować rozpuszczalniki organiczne, jak heksan, chlorek metylenu czy aceton, wówczas gdy pragnie się uniknąć zanieczyszczenia produktu finalnego ich śladami. Zresztą w ogóle dąży się teraz w przemyśle do ograniczania stosowania tych często bardzo toksycznych rozpuszczalników. Jednym z ciekawszych zastosowań jest bezwodne pranie delikatnych tkanin - po przepuszczeniu płynu przez tkaninę, zmniejszenie ciśnienia oddziela gaz od wypłukanych stałych zanieczyszczeń.
Na skalę przemysłową ekstrakcja płynowa jest wykorzystywana do dekofeinizacji kawy - czyli wypłukania kofeiny. Wypłukana kofeina może być stosowana w medycynie, zaś przepłukana kawa jest potem sprzedawana jako bezkofeinowa. Dotychczas używane metody wymagały użycia rozpuszczalników organicznych, zaś te polegające na powolnej ekstrakcji wodą, wpływały na aromat. Inny proces to wyodrębnianie ekstraktu z szyszek chmielowych, służącego do produkcji piwa i leków. Mieszanka tlenu i wody nadkrytycznej może służyć do zgazowywania biomasy i utleniania odpadów.

No dobrze, już wszystko wyjaśniłem, ale co ja właściwie robiłem na zajęciach?

Warunki nadkrytycznie dwutlenku węgla są na tyle łagodne, że na niewielką skalę można wytworzyć je w przeciętnie zasobnej sprzętowo pracowni chemicznej a nawet w domu. Wystarczy plastikowa próbówka z mocnym korkiem i suchy lód. Stały dwutlenek stopniowo paruje, podwyższając ciśnienie wewnątrz wystarczająco, aby po niewielkim ogrzaniu przeprowadzić się w płyn. Ten zaś płyn może na niewielką skalę wystarczać, aby przeprowadzić krótką ekstrakcję. Tak przynajmniej rzecz wygląda w teorii, natomiast praktyka okazała się nieprzewidywalna.

Aby w ogóle moć przeprowadzać doświadczenie, trzeba było najpierw zdobyć suchy lód. Uniwersytet nie przechowywał go w żadnej chłodni, trzeba było więc wytworzyć go na miejscu. Udaliśmy się więc do składziku z butlami sprężonego gazu, na wylot założyliśmy drewnianą skrzynkę ze szczelinami uszczelnionymi tkaniną i odkręciliśmy na ful:

Sprężony dwutlenek podczas gwałtownego rozprężania ochładzał się wystarczająco, aby zestalić się w skrzynce:

 Suchy lód należało teraz ostrożnie wyskrobać i rozdrobnić metalową łyżką. Konsystencją przypominał zbity śnieg. W kontakcie z powietrzem sublimował wytwarzając mgiełkę. Drobne kawałki upadające na płytki stołu śmigały nad powierzchnią jak małe poduszkowce, utrzymywane nad powierzchnią przez wydzielany gaz.

Należało też utrzeć na drobno kawałek skórki od pomarańczy. Naszym zadaniem było przeprowadzić ekstrakcję olejków eterycznych. Dzięki niskiej temperaturze powinniśmy wyodrębnić składniki łatwo lotne, ulatujące podczas innych metod.:

Teraz wystarczyło włożyć skórkę do małego, metalowego koszyczka, ten do plastikowej, wytrzymałej próbówki i napchać suchego lodu aż pod sam koreczek. A potem szczelnie zatkać. I tu pojawił się problem - ciśnienie wewnątrz było na tyle duże, że żadem koreczek sam z siebie nie mógł tego wytrzymać. Musieliśmy więc przytrzymywać całość w czymś w rodzaju niedużego imadełka, ściskającego z obu stron:

Po czym taki zestaw zanurzaliśmy w plastikowej zlewce wypełnionej ciepłą wodą. Tam stopniowo rosło ciśnienie zaś suchy lód wydawał się topnieć:

W jego miejsce pojawiało się coś w rodzaju "płynnej mgły" przez którą widać było koszyczek ze skórkami:

był to znak że ekstrakcja się zaczęła, doświadczenie się udało a próbówkę należy wyjąć aby odlać wyekstrahowany olejek. I wówczas zazwyczaj następowała eksplozja...

Niestety mimo imadełka wszelkie możliwe koreczki z czasem ześlizgiwały się z nasadki, dosyć zresztą luźno chodzącej, zaś nadkrytyczny płyn w kawałkami pomarańczy strzelał w wodę, rozpryskując ją po całym wyciągu. Kawałki stałego dwutlenku, powstające przy tak nagłej dekompresji, burzyły wodę białą mgłą. Zaś doświadczenie należało zaczynać od nowa.
Ponieważ jednak chemicy zasadniczo lubią wybuchy zabawy było co nie miara. Jeśli dobrze pamiętam na 12 prób tylko dwa razy udało się w porę wyjąć próbówkę, bardzo łagodnie rozszczelnić, wyjąć koszyczek i wypłukać ekstrakt chlorkiem metylenu. Tak powstały roztwór miał pójść do badań na GC-MS. Z racji pasji fotograficznej raz dostałem rykoszetem w nos. Ponieważ jak dotyczczas nie mieliśmy wybuchów na zajęciach, to teraz jak sądzę zużyliśmy cały przypadający na przeciętnego pechowca zapas na ładnych kilka lat.

To było dwa tygodnie temu. Zaś tydzień temu było jeszcze ciekawiej. Ja sam co prawda robiłem pewną ciekawą syntezę w mikrofalach, ale druga grupa robiła obok to właśnie ćwiczenie. Ponieważ imadełko nie bardzo już się nadawało do użytku, próbówka była ściskana łapą laboratoryjną. W związku z tym była położona poziomo, z wylotem głębiej zanurzonym pod wodę, zaś kolejne  wywalenia korka były w związku z tym bardziej efektowne.
Postanowiłem nakręcić jeden taki przypadek i gdy koledzy włożyli następną próbkę podszedłem bliżej i włączyłem w aparacie opcję filmowania. Tym razem wynik doświadczenia zaskoczył wszystkich:
Zlewka wyskoczyła z pod wyciągu upadając mi na nogę, zaś ramię łapy odpadło całkiem i brzęknęło o szybę dygestorium. Z wrażenia wyłączyłem filmowanie nieco za wcześnie. Jaka szkoda że nie sfotografowałem miny kolegów.

 Takiej zabawy jeszcze nie mieliśmy.

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.