Хемилюминесценция: перекись водорода, едкий натр и хлор (синглетный кислород)
| Оглавление | Видео опыты по химии | Видео опыты по физике | На главную страницу |
|
Химия и Химики № 2 2013 Журнал Химиков-Энтузиастов |
Хемилюминесценция: перекись водорода, едкий натр и хлор (синглетный кислород) В.Н. Витер |
|
Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter
Если пропускать хлор через раствор, содержащий щелочь и перекись водорода, образуется неустойчивая форма кислорода - синглетный кислород, который быстро переходит в "обычный" (триплетный) кислород. Этот процесс происходит с выделением света.
Данный эксперимент известен уже давно, поэтому чтобы не изобретать велосипед, решил воспользоваться готовым описанием, взятом на сайте http://mattson.creighton.edu: Chemiluminescence and Singlet Oxygen.
Equipment: large test tube 15 cm length of latex tubing sintered glass gas dispersion tube or an 'air-stone' from an aquarium supply store (or simply a glass pipet) Chemicals: Cl2(g), 60-mL 10 mL of 30% hydrogen peroxide 10 mL 6 M NaOH(aq) In this experiment you will observe the production of 'singlet oxygen,' a high energy variant of O2(g) and observe the energy release associated with its conversion to normal 'triplet oxygen.' The conversion produces a chemiluminescent red glow (photochemical emission) with approximate wavelength of 630 nm. For a full discussion, please see Volume 1 of Chemical Demonstrations (Vol 1., Shakhashiri, University of Wisconsin Press, 1983.) Equip a 15 cm length of latex tubing with a sintered glass gas dispersion tube or an 'air-stone' from an aquarium supply store. Clamp a large test tube (15 x 180 mm) in a ring stand and fill with 10 mL of 30% hydrogen peroxide. Generate a syringeful of Cl2(g) and set it aside. Add 10 mL 6 M NaOH(aq) to the test tube containing the H2O2(aq). Hydrogen peroxide may start to decompose to O2(g) before you add the chlorine. If the reaction starts to proceed at too fast of a rate, it can be quenched by adding water from a squeeze bottle. Remove the latex cap from the syringe and equip the syringe with the latex tubing/gas dispersion apparatus as shown in Figure. To perform the demonstration, carefully bubble chlorine gas slowly through the solution. With the lights off (completely darkened room), you can observe the spectacular red chemiluminescent glow near the gas dispersion tube. The reactions are: Cl2(g) + 2 NaOH(aq) + H2O2(aq) => O2(g, singlet) + 2 NaCl(aq) + 2 H2O(l)
A completely darkened room is required for best results.2 O2(g, singlet) => 2 O2(g, triplet) + hν |
|
Хемилюминесценция: перекись водорода, едкий натр и хлор (синглетный кислород) |
|
Таким образом, нам нужно взять большую пробирку, налить в нее 10 мл 30% раствора перекиси водорода и 10 мл 6 М раствора едкого натра. Молярная масса едкого натра 40 г/моль, т.е. необходимо взвесить 6·40·10/1000 = 2.4 г NaOH, растворить его в воде и довести объем раствора до 10 мл (для простоты я взял просто 10 мл воды и растворил в ней щелочь). Затем в пробирку опускают газоотводную трубку, затемняют комнату и начинают подавать через газоотводную трубку хлор.
Из всего этого главное затруднение вызвала затемненная комната: окна в лаборатории большие и не было никакой возможности заслонить их подручными средствами. Даже собранная (и запущенная) установка для получения хлора была - в этот день я провел несколько неудачных экспериментов по получению хлористого азота (реакция хлора с крепким теплым раствором сначала хлорида, потом - нитрата аммония). |
Получение хлора |
|
|
Перебрав в уме возможные варианты, провел пробный эксперимент. В небольшую колбочку налил 10 мл перекиси водорода, 10 мл раствора едкого натра. Открыл колбу установки, в которой ранее получал газообразный хлор (перманганат калия плюс концентрированная соляная кислота). В колбе был газообразный хлор, набрал его в шприц на 20 мл с присоединенной ПВХ трубкой. Но где же найти темное помещение? Взял колбу с перекисью и щелочью, шприц с хлором и залез в шкаф для одежды. Закрыл дверцы - стало более-менее темно. Опустил газоотводную трубку в раствор, надавил на поршень. Раствор на несколько секунд засветился красным, причем довольно ярко, но хлор быстро закончился.
Пробный эксперимент удался, однако снимать видео (и одновременно проводить эксперимент), находясь в согнутом положении внутри шкафа было затруднительно. Сейчас вторая половина января - к окончанию рабочего дня темнеет, но лишь частично. Пробовал повторить эксперимент со шприцом в ящике, поставленном открытым концом против света, - свечение было, но видео получилось отвратительное. Тогда решил остаться после работы и дождаться наступления темноты (чтобы можно было нормально провести эксперимент - под вытяжкой). Стемнело без чего-то шесть. В окно все равно проникал свет уличных фонарей и свет, отраженный от снега - пришлось воспользоваться деревянной полочкой как щитом. Количество растворов увеличил в 3 раза, взял колбочку побольше, вместо прозрачной ПВХ-трубки воспользовался силиконовой трубкой (которая под действием хлора стала непрозрачной), в качестве источника хлора напрямую воспользовался установкой. Сразу же начались проблемы: при смешивании растворов перекиси и щелочи произошло активное выделение газа, жидкость разогрелась, что еще более усилило выделение газа. Пена вышла за пределы колбы и разлилась по вытяжке: раствора в колбе почти не осталось. Несмотря на это, я пустил поток хлора: в колбу для получения хлора насыпал перманганат калия, закрыл пробку и быстро прибавил соляную кислоту (с помощью шприца через вставленную в пробку трубку). В результате красное свечение наблюдалось, и его зафиксировала камера, но видео получилось плохим: в колбе раствора было слишком мало. "Для полного счастья" забыл поставить фокусировку камеры на ручной режим - MF. Камера осталась на автоматической фокусировке - AF. В результате резкость "поплыла" и это было не удивительно: в условиях слабого освещения автоматическая фокусировка работает отвратительно. Решил повторить опыт - на этот раз в высоком мерном цилиндре (на 100 мл). Налил в него 30 мл перекиси и 30 мл щелочи (той же концентрации), опустил силиконовую газоотводную трубку и пустил сильный поток хлора. В темноте наблюдалось яркое красное свечение. Пузырьки хлора, которые выходили из газоотводной трубки, напоминали языки красного пламени. Видео снять удалось, и как всегда не обошлось без нескольких "но". Непрозрачная силиконовая трубка заслоняла свечение, когда пузырьки поднимались сзади (за трубкой). Я не закрепил цилиндр жестко в штативе - в результате он сместился, резкость видео ухудшилась, однако в темноте это не было заметно. Повторил эксперимент, однако в процессе опыта перекись водорода начала активно разлагаться - пена снова повалила из цилиндра. Свечение наблюдалось, но снять ничего не удалось. Вероятная причина была следующей. Чтобы упростить установку получения хлора, я отсоединил промывалку, в которой хлор проходил через насыщенный раствор поваренной соли (для удаления хлороводорода). В результате хлор попадал из колбы, где образовывался, напрямую в раствор перекиси и щелочи - вместе с брызгами перманганата и гидратированного диоксида марганца. Данные соединения сильно ускоряют разложение перекиси водорода - не удивительно, что раствор быстро "вскипал". Чтобы застраховать себя от подобных неприятностей, я решил разделить во времени процесс получения хлора и процесс пропускания его через раствор щелочи и пероксида (собственно так и было сделано в приведенной англоязычной методике - "готовый" хлор продавливали в раствор из шприца). Это должно было упростить выполнение эксперимента, поскольку в описанном выше варианте необходимо быстро проделать три операции - причем почти одновременно. Смешиваем перекись водорода и щелочь, опускаем газоотводную трубку - раз, насыпаем в колбу перманганат, быстро добавляем соляную кислоту, закрываем пробку - два (пошел поток хлора), включаем камеру (заранее выставив параметры съемки), гасим монитор камеры (чтобы свет не мешал), гасим общее освещение - три. Успеть все это одному вполне реально, но если повторять съемку много раз - быстро устаешь, действуешь автоматически и допускаешь всевозможный брак. Чтобы упростить процесс, на следующий день собрал хлор в литровую ПЭТФ бутылку (на этот раз промывалку с хлоридом натрия присоединил - она не только поглощала хлороводород, но и улавливала брызги соединений марганца). Бутылку закрыл пробкой с резиновой трубкой, оснащенной зажимом Мора. К резиновой трубке присоединил трубку из бесцветного стекла - именно она и должна была опускаться в раствор. Чтобы получить поток хлора, достаточно было открыть зажим и плавно сдавить бутылку (предварительно потренировался на пустой бутылке и стакане с водой). Подождал, пока стемнело, и повторил эксперимент (взяв по 30 мл перекиси и щелочи). И опять неудача: несмотря на предварительное охлаждение (и отсутствие соединений марганца), раствор "вскипел", нагрелся и выплеснулся из цилиндра. Свечение наблюдалось, но заснять его не удалось, а кроме того: немного раствора щелочи засосало в бутылку с хлором. В результате щелочь с гипохлоритом моментально проделала в дне ПЭТФ бутылки дырку и вылилась на джинсы экспериментатору. Как минимум это угрожало большим рыжим пятном на синих джинсах, но, странное дело, - обошлось: вытер мокрой тряпкой - следов не осталось. Идея с бутылкой оказалась плохой. С досады решил уменьшить количества веществ до первоначальных: по 10 мл перекиси и щелочи в колбочке. Одна из весьма вероятных причин бурного разложения перекиси водорода - увеличение количества растворов. И вы знаете - получилось. Хлор специально получать не стал: набрал шприцом на 20 мл из реакционной колбы (где ранее проходила реакция перманганата и соляной кислоты). Фактически все было, как в пробных экспериментах - за одним важным исключением: был уже седьмой час вечера, в лаборатории достаточно темно: не было необходимости лезть в шкаф, сгибаясь в три погибели, или проводить опыт в ящике. Свечение было ярким, но кратковременным: хлор в шприце быстро заканчивался. (В аптеках можно купить и большие шприцы, например, на 60 или 100 мл, - к сожалению, их под рукой не оказалось). Решил снова пустить поток хлора напрямую из установки - но на этот раз в колбочку, где было не по 30, а по 10 мл растворов (а кроме того - стояла промывалка, чтобы отсекать брызги соединений марганца). Чтобы обеспечить хорошую скорость выделения хлора, добавил свежую порцию перманганата и солянки в сухую (новую) реакционную колбу. Свечение заснять удалось - как видео, так и фото, однако фотографии получились размазанными: поскольку свечение было динамическим - вспыхивало и угасало по мере прохождения пузырьков, а выдержку приходилось ставить большую - от 2 до 6 секунд. При съемке свечения люминола было значительно легче. Кстати, красное свечение при пропускании хлора через щелочной раствор перекиси водорода вполне можно увидеть и при электрическом (или неярком дневном) свете. Разумеется, выглядит это далеко не так красиво, как в темноте. В конце первой серии экспериментов попробовал вылить щелочной раствор перекиси водорода в колбу на 0.5 л, заполненную хлором. Во время наливания струя раствора светилась красным, светилась и поверхность раствора в колбе, но люминесценция быстро угасла - всего через несколько секунд. "Вскипание" раствора иногда наблюдалось, и когда мы брали по 10 мл растворов щелочи и перекиси, но значительно реже. Вероятно, имеет смысл уменьшить концентрации растворов: это может ослабить свечение, но должно увеличить стабильность щелочного раствора перекиси (в оригинальной методике рекомендуют при "вскипании" добавлять воду из промывалки - но это уже способ устранения "аварии", а не ее профилактики). |
Хемилюминесценция: перекись водорода, едкий натр и хлор (синглетный кислород) |
|
|
|
|
|
|
В колбу с хлором наливают щелочной раствор перекиси |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|