De Pumpkinator | Chemische opleiding Xchange

Mede-auteur van Tom Kuntzleman* en Grazyna Zreda**

*Spring Arbor University, MI en **Tanque Verde HS, AZ

Met Halloween voor de deur, dachten we dat we een demonstratie met jullie zouden delen die we hebben ontwikkeld en die geweldig is voor deze feestdag. De reactie is een modificatie van een omkeerbare oranje-naar-blauwe reactie die gebruik maakt van koper, waterstofperoxide en tartraat-ionen (video 1).^1-3

Video 1: Chemie-experiment voor Halloween! Tommy Technetium YouTube-kanaal. Merk op dat, in tegenstelling tot wat in de video wordt getoond, de reactie het beste werkt als natriumcarbonaat aan het mengsel wordt toegevoegd (waarbij de room van wijnsteen in het proces wordt opgelost) voorafgaand aan waterstofperoxide.

Door een Jack-o-lantern-gezicht op de beker te tekenen, is deze reactie zeer geschikt om rond Halloween uit te voeren. Het is ook een geweldig experiment voor de National Chemistry Week, die elk jaar heel dicht bij Halloween valt.

Het mechanisme voor deze reactie is complex en wordt niet helemaal begrepen.^1-3 We gebruiken echter de volgende reeks reacties om de waarnemingen te beschrijven. Eerst reageert het tartraat-ion met Cu²⁺ ion in basische oplossing om een ​​koper(II)tartraatcomplex te vormen dat intens blauw van kleur is:⁴

Cu²⁺(aq) + 2 C₄H₄O₆^2- (aq) → Cu^II(C₄H₄O₆)^2-(aq) Vgl. 1

De Cu²⁺-tartraat-ion wordt langzaam gereduceerd door peroxide om een ​​onoplosbaar, oranje koper(I)oxide te vormen:

2 Cu^II(C₄H₄O₆)^2-(aq) + 2 uur₂O₂ → 2 Cu₂O(‘s) + 2 C₄H₄O₆^2-(aq) + ½ O₂ + 2 OH^–(aq) Vgl. 2

De reactie neigt te stabiliseren wanneer het koper(I)oxide wordt gevormd. Door verdere toevoeging van peroxide aan het gevormde koper (I) oxide wordt het echter snel geoxideerd tot koper (II), waardoor de blauwe kleur wordt geregenereerd:

H₂O+ Cu₂O(‘s) + H₂O₂ → 2 Cu²⁺(aq) + 4 OH^–(aq) Vgl. 3

Interessant is dat de Cu²⁺ in dit reactiemengsel is niet stabiel, en het ontspant langzaam terug tot het onoplosbare koper(I)oxide via vergelijkingen 1 en 2. Verschillende cycli van de oranje-naar-blauw-naar-oranje kleurverandering kunnen worden waargenomen door waterstofperoxide toe te voegen aan het mengsel wanneer het oranje koper (I) neerslag wordt waargenomen. Omdat de kleur oranje centraal staat in deze reactie, en omdat de reactie kan worden geoscilleerd, hebben we deze reactie de “Pumpkinator” genoemd. (Merk op dat oscillerende chemische reacties vaak namen krijgen met een “-ator”-achtervoegsel, zoals de Brusselator en Oregonator).^5-7 Er moet echter worden opgemerkt dat de oscillaties die in dit experiment worden waargenomen niet spontaan zijn, maar in plaats daarvan worden veroorzaakt door “pulsen” van toegevoegd waterstofperoxide.

Merk op dat we het oorspronkelijke experiment hebben aangepast, zodat het alleen kan worden gedaan met artikelen die te vinden zijn in supermarkten, winkels en bouwmarkten. Een oplossing van 3% waterstofperoxide is gemakkelijk te vinden bij apotheken of supermarkten. Crème van tandsteen (te vinden in de kruidenafdeling van supermarkten), dat bestaat uit kaliumwaterstoftartraat, wordt in dit experiment gebruikt als de bron van tartraat-ionen. Bij een hoge pH wordt het waterstoftartraat omgezet in het tartraat-ion. In de “Pumpkinator” wordt deze overgang tot stand gebracht door toevoeging van natriumcarbonaat (te vinden in zwembadwinkels als pH-verhoger).

HC₄H₄O₆^–(aq) + CO₃^2-(aq) → C₄H₄O₆^2-(aq) + HCO₃^–(aq) Vgl. 4

Ten slotte wordt koper (II) sulfaat (te vinden als wortelmoordenaar in bouwmarkten) gebruikt als de bron van koperionen.

Laat ons, zoals altijd, weten hoe dit experiment werkt als je het zelf uitprobeert. Stuur ons ook een bericht als je manieren kunt bedenken om de mechanistische beschrijving van wat er in dit experiment gebeurt te verbeteren.

Veel plezier met experimenteren en fijne Halloween!

Referenties

1. Sherman, MC; Weil, D. Een omkeerbare blauw-en-goudreactie. J Chem. opleiden., 199168, 1037
2. Toth, Z. Een omkeerbare blauw-en-goudreactie. J Chem. opleiden. 199471, 1098.
3. Flinn Scientific, De omkeerbare oranje en blauwe reactie https://www.flinnsci.ca/api/library/Download/a1dad53d11044d36801cb4325884f6e0
4. Izaki, M.; Koyama, T.; Loon Khoo P.; Shinagawa, T. Met licht bestraalde elektrochemische directe constructie van Cu2O/CuO dubbellagen door kathodische/anodische polarisatie in koper(II)-tartraat complexe waterige oplossing om te schakelen. ACS Omega, 20205, 683-691.
5. Pellitero, Massachusetts; Lamsfus, C. Á.; Borge, J. De reactie van Belousov-Zhabotinskii: verbetering van het Oregonator-model met de Arrhenius-vergelijking. J Chem. opleiden. 201390 (1), 82-89.
6. Lozano-Parada, JH; Burnham, H.; Martinez, FM Pedagogische benadering van de modellering en simulatie van oscillerende chemische systemen met moderne software: het Brusselator-model. J Chem. opleiden. 201895 (5), 758-766.
7. Kuntzleman, TS; Kuntzleman, JT; Campbell, DJ Een eenvoudige chemische oscillator: de “opvoeder”. J Chem. opleiden. 202299, 3540-3545.