exercise/fyrverkeriivann.tex

   1 % category: unknown
   2 \chapter{Fyrverkeri under vann}
   3 \label{Fyrverkeri}
   4 \index{Fyrverkeri under vann|textbf}
   5
   6 \section*{Innledning}
   7
   8 Klorgass blir ført med en slange ned til bunnen av en stor
   9 målesylinder, og bobler opp til overflaten av vannet som
  10 målesylinderen er fylt med. Biter av kalsiumkarbid blir sluppet på
  11 bunnen av sylinderen og produserer acetylen gass. Der hvor boblene til
  12 de to gassene kolliderer, får vi et kort, skarpt lystglimt etterfulgt
  13 av et skarpt smell.
  14 \index{Klorgass}
  15 \index{Acetylen gass}
  16
  17 \section*{Framgangsmåte}
  18
  19 Forsøket er relativt enkelt å sette opp. Vi trenger en erlenmeyerkolbe
  20 på omlag 250 ml, hvor vi skal helle i natriumhypokloritten og ei kork
  21 med glassgjennomføring. I den andre enden har vi en målesylinder på
  22 omlag 1000 ml med et glassrør som går fra toppen og ned til ei
  23 avbøyning i røret ved bunnen av målesylinderen (se figur
  24 \ref{fyrverkeriuvann}). Erlenmeyerkolben og glassrøret som er satt ned
  25 i målesylinderen er koblet sammen med en gummislange.
  26
  27 \begin{figure}[h]
  28 \centering
  29 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{images/fyrverkeriivann/klor_acetylen1}
  30 \caption{Utstyrsoppsettet til forsøket - klorgass og acetylengass}
  31 \label{fyrverkeriuvann}
  32 \end{figure}
  33
  34 Har en ikke natriumhypokloritt i ren form kan en utmerket godt bruke
  35 klorin\footnote{Klorin består av natriumhypokloritt, NaClO og
  36   natriumhydroksid, NaOH. NaOH blir hovedsaklig tilsatt for å
  37   stabilisere natriumhypokloritten, slik at denne ikke danner Cl$_{2}$
  38   gass.}
  39
  40 Hell i ca. 150 ml klorin i erlenmeyerkolben. Fyll deretter opp
  41 målesylinderen med vann til toppmerket. Ha slangen som er forbundet
  42 med korken til erlenmeyerkolben oppi målesylinderen slik som på
  43 figur \ref{fyrverkeriuvann}. Deretter heller en 20 ml konsentrert
  44 saltsyre oppi erlenmeyerkolben. Korken settes på og en kan nå
  45 observere at bobler stiger opp fra målesylinderens bunn. Vent til
  46 all lufta er fordrevet fra systemet (10 - 15 sekunder). Deretter
  47 hiver en en liten klump med kalsiumkarbid oppi målesylinderen.
  48 Reaksjonen starter umiddelbart, og vi får dannet acetylengass.
  49 Nå ligger kalsiumkarbid klumpen på bunnen av målesylinderen og
  50 produserer acetylen gass som stiger oppover sammen med klorgassen i
  51 sylinderen. Hver gang en boble med acetylengass kolliderer med en
  52 boble med klorgass, får vi et kraftig lysglimt med dertil hørende
  53 smell (se fig.\ref{fyrverkeriuvann2}).
  54
  55
  56 \begin{figure}[h]
  57 \centering
  58 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{images/fyrverkeriivann/klor_acetylen2}
  59 \caption{Reaksjonen mellom klorgass og acetylengass skaper skarpe
  60 lysglimt med dertil hørende smell} \label{fyrverkeriuvann2}
  61 \end{figure}
  62
  63
  64 \begin{figure}[h]
  65 \centering
  66 \includegraphics[width=0.3\textwidth]{images/fyrverkeriivann/klor_acetylen3}
  67 \includegraphics[width=0.3\textwidth]{images/fyrverkeriivann/klor_acetylen4}
  68 \caption{Etter hvert som de to gassene kolliderer får vi dannet sot
  69 på toppen av målesylinderen.}
  70 \end{figure}
  71
  72 Når mengden klorgass begynner å avta, er det bare å riste
  73 på erlenmeyerkolben, så vil mer klorgass bli dannet og reaksjonen
  74 fortsetter. Skulle produksjonen av acetylengass avta, er det bare å
  75 hive en liten bit med kalsiumkarbid oppi målesylinderen.
  76
  77 \section*{Teori}
  78
  79 Klor er en svakt gul-grønn gass med en sterk kvelende lukt. Det
  80 normale kokepunkt er på -31.0$^{\circ}$C, og klor har et smeltepunkt
  81 på -101.0$^{\circ}$C. Det er løselig i vann til en konsentrasjon på
  82 0.092 mol/liter ved 25$^{\circ}$C \cite{merckindex1976}. Klor
  83 framstilles kommersielt fra elektrolyse av NaCl.
  84
  85 Klorgassen lager vi ved å oksidere saltsyren med underklorsyrling,
  86 HOCl.
  87
  88 \begin{equation}\label{fyrv}
  89     Cl^{-} (aq) + HOCl (aq) + H^{+} (aq) \Longrightarrow Cl_{2} (g) + H_{2}O (l)
  90 \end{equation}
  91
  92 Underklorsyrling får vi fra klorin som normalt er en 5$\%$ blanding av
  93 NaOCl i vann, men som inneholder underklorsyrling som et
  94 reaksjonsprodukt når klor disproporsjonerer i vann. Formelen for
  95 underklorsyrling blir ofte skrevet HOCl for å legge vekt på at
  96 hydrogenatomet er bundet til oksygen- og ikke til kloratomet.
  97
  98 \begin{equation}\label{fyrv2}
  99     OCl^{-} (aq) + H_{2}O (l) \rightleftharpoons HOCl (aq) + OH^{-} (aq)
 100 \end{equation}
 101
 102 HClO er en svak syre med en protolysekonstant K = 3.2 $^{\cdot}$
 103 10$^{-8}$. Den eksisterer bare i vandig løsning, og selv i løsning
 104 spaltes den langsomt til oksygen og saltsyre.
 105
 106 Underklorsyrling er et meget kraftig oksidasjonsmiddel. Dette framgår
 107 også av følgende reduksjonspotensial:
 108
 109 \begin{equation}\label{underklorsyrling}
 110     2HOCl + 2H^{+} + 2e^{-} = Cl_{2} (g) + H_{2}O   \hspace{14mm}       E^{0} = +1.63 V
 111 \end{equation}
 112
 113 Acetylengass er produsert av reaksjonen mellom kalsiumkarbid og
 114 vann. Kalsiumkarbid kan anses å være saltet til den svake syra
 115 acetylen (H$_{2}$C$_{2}$). Dette ionet (C$_{2}$$^{2-}$) reagerer med
 116 vann i hydrolysereaksjonen, og danner produktet H$_{2}$C$_{2}$
 117 (g). Acetylen inneholder to trippelbundne C-atomer, som hver for seg
 118 er bundet til et hydrogenatom i en lineær struktur.
 119
 120 \begin{figure}[h]
 121 \centering
 122 \includegraphics[width=0.4\textwidth]{images/fyrverkeriivann/acetylen}
 123 \end{figure}
 124
 125 En kunne forvente seg at klor angriper trippelbindingen og fester seg,
 126 og på den måten danne dikloreten og tetrakloretan. I stedet binder
 127 klor til seg et hydrogen fra acetylen og danner HCl (g) og C (s).
 128
 129 Det er karbonet som soter til toppen av målesylinderen.
 130
 131 \section*{Forsiktig}
 132
 133 \begin{itemize}
 134   \item Endel av produktene i denne demostrasjonen involverer helsefarlige
 135     gasser og bør kun utføres i et avtrekkskap.
 136   \item Klorgass irriterer øyne, slimhinner og kan hvis en puster inn for
 137     store mengder føre til alvorlige lungeplager.
 138   \item Klor er også et kraftig oksidasjonsmiddel og brennbare stoffer vil
 139     kunne brenne i en atomosfære av Cl$_{2}$.
 140   \item Klorgass danner eksplosive blandinger med brennbare damper som
 141     f.eks. acetylen gass.
 142   \item Natriumhypokloritt vil irritere både øyne og hud ved kontakt. NaClO
 143     i kontakt med syrer vil danne klorgass.
 144 \end{itemize}
 145 \index{Klorgass}
 146 \index{Cl$_{2}$}
 147 \index{Klorin}
 148 \index{Acetylen}
 149
 150
 151 \section*{Utstyr og kjemikalier}
 152
 153 \begin{itemize}[noitemsep]
 154   \item Kalsiumkarbid, CaC$_{2}$ \index{Kalsiumkarbid, CaC$_{2}$} \index{CaC$_{2}$}
 155   \item Natriumhypokloritt, NaClO \index{Natriumhypokloritt} \index{NaClO}
 156   \item Erlenmeyerkolbe 250 ml
 157   \item Glassrør
 158   \item Gummislange
 159   \item Kork med hull
 160   \item Målesylinder 1000 ml
 161   \item Vann
 162 \end{itemize}
 163
 164 \nocite{Dunbar}
 165 \nocite{dutton2}
 166 \nocite{Mellor}
 167 \nocite{bassam2}
 168
 169 \printbibliography