SLSection12-kjemi.tex

   1 \section{Fyrverkeri under vann}
   2 \label{Fyrverkeri} \index{Fyrverkeri under vann|textbf}
   3
   4
   5
   6 \subsubsection{Innledning}
   7 Klorgass blir ført med en
   8 slange ned til bunnen av en stor målesylinder, og bobler opp til
   9 overflaten av vannet som målesylinderen er fylt med. Biter av
  10 kalsiumkarbid blir sluppet på bunnen av sylinderen og produserer
  11 acetylen gass. Der hvor boblene til de to gassene kolliderer, får vi
  12 et kort, skarpt lystglimt etterfulgt av et skarpt smell.
  13 \index{Kalsiumkarbid, CaC$_{2}$}\index{Klorgass}\index{Acetylen
  14 gass}
  15
  16
  17
  18 \subsubsection{Framgangsmåte}
  19 Forsøket er relativt enkelt å sette opp. Vi trenger en
  20 erlenmeyerkolbe på omlag 250 ml, hvor vi skal helle i
  21 natriumhypokloritten og ei kork med glassgjennomføring. I den andre
  22 enden har vi en målesylinder på omlag 1000 ml med et glassrør som
  23 går fra toppen og ned til ei avbøyning i røret ved bunnen av
  24 målesylinderen (se figur \ref{fyrverkeriuvann}). Erlenmeyerkolben og
  25 glassrøret som er satt ned i målesylinderen er koblet sammen med en
  26 gummislange.
  27
  28 \begin{figure}[h]
  29 \centering
  30 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{fyrverkeriivann/klor_acetylen1.eps}
  31 \caption{Utstyrsoppsettet til forsøket - klorgass og acetylengass}
  32 \label{fyrverkeriuvann}
  33 \end{figure}
  34 \noindent Har en ikke natriumhypokloritt i ren form kan en utmerket
  35 godt bruke klorin\footnote{Klorin består av natriumhypokloritt,
  36 NaClO og natriumhydroksid, NaOH. NaOH blir hovedsaklig tilsatt for å
  37 stabilisere natriumhypokloritten, slik at denne ikke danner Cl$_{2}$
  38 gass.}\\
  39 \newline
  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 \newline
  50 Nå ligger kalsiumkarbid klumpen på bunnen av målesylinderen og
  51 produserer acetylen gass som stiger oppover sammen med klorgassen i
  52 sylinderen. Hver gang en boble med acetylengass kolliderer med en
  53 boble med klorgass, får vi et kraftig lysglimt med dertil hørende
  54 smell (se fig.\ref{fyrverkeriuvann2}).
  55
  56
  57 \begin{figure}[h]
  58 \centering
  59 \includegraphics[width=0.9\textwidth]{fyrverkeriivann/klor_acetylen2.eps}
  60 \caption{Reaksjonen mellom klorgass og acetylengass skaper skarpe
  61 lysglimt med dertil hørende smell} \label{fyrverkeriuvann2}
  62 \end{figure}
  63
  64
  65 \begin{figure}[h]
  66 \centering
  67 \includegraphics[width=0.3\textwidth]{fyrverkeriivann/klor_acetylen3.eps}
  68 \includegraphics[width=0.3\textwidth]{fyrverkeriivann/klor_acetylen4.eps}
  69 \caption{Etter hvert som de to gassene kolliderer får vi dannet sot
  70 på toppen av målesylinderen.}
  71 \end{figure}
  72 \noindent 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
  78 \subsubsection{Teori}
  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 \footnote{M. Windholz, Ed.,The
  83 Merck Index, 9th ed., Merck and Co,: Rahway, New Jersey (1976)} Klor
  84 framstilles kommersielt fra elektrolyse av NaCl.\\
  85 \newline
  86 Klorgassen lager vi ved å oksidere saltsyren med underklorsyrling,
  87 HOCl.
  88
  89 \begin{equation}\label{fyrv}
  90     Cl^{-} (aq) + HOCl (aq) + H^{+} (aq) \Longrightarrow Cl_{2} (g) + H_{2}O (l)
  91 \end{equation}
  92 Underklorsyrling får vi fra klorin som normalt er en 5$\%$ blanding
  93 av 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 \begin{equation}\label{fyrv2}
  98     OCl^{-} (aq) + H_{2}O (l) \rightleftharpoons HOCl (aq) + OH^{-} (aq)
  99 \end{equation}
 100
 101 HClO er en svak syre med en protolysekonstant K = 3.2 $^{\cdot}$
 102 10$^{-8}$. Den eksisterer bare i vandig løsning,
 103 og selv i løsning spaltes den langsomt til oksygen og saltsyre.\\
 104 Underklorsyrling eret meget kraftig oksidasjonsmiddel. Dette framgår
 105 også av følgende reduksjonspotensial:
 106 \begin{equation}\label{underklorsyrling}
 107     2HOCl + 2H^{+} + 2e^{-} = Cl_{2} (g) + H_{2}O   \hspace{14mm}       E^{0} = +1.63 V
 108 \end{equation}
 109 \noindent Acetylengass er produsert av reaksjonen mellom
 110 kalsiumkarbid og vann. Kalsiumkarbid kan anses å være saltet til den
 111 svake syra acetylen (H$_{2}$C$_{2}$). Dette ionet (C$_{2}$$^{2-}$)
 112 reagerer med vann i hydrolysereaksjonen, og danner produktet
 113 H$_{2}$C$_{2}$ (g). Acetylen inneholder to trippelbundne C-atomer,
 114 som hver for seg er bundet til et hydrogenatom i en lineær struktur.
 115
 116 \begin{figure}[h]
 117 \centering
 118 \includegraphics[width=0.4\textwidth]{fyrverkeriivann/acetylen.eps}
 119 \end{figure}
 120 \noindent En kunne forvente seg at klor angriper trippelbindingen og
 121 fester seg, og på den måten danne dikloreten og tetrakloretan. I
 122 stedet binder klor til seg et hydrogen fra acetylen og danner HCl
 123 (g) og C (s). \\ Det er karbonet som soter til toppen av
 124 målesylinderen.
 125
 126
 127 \subsubsection{Forsiktig}
 128 Endel av produktene i denne demostrasjonen involverer helsefarlige
 129 gasser og bør kun utføres i et avtrekkskap. \\
 130 Klorgass irriterer øyne, slimhinner og kan hvis en puster inn for
 131 store mengder føre til alvorlige lungeplager. \\
 132 Klor er også et kraftig oksidasjonsmiddel og brennbare stoffer vil
 133 kunne brenne i en atomosfære av Cl$_{2}$.\\
 134 Klorgass danner eksplosive blandinger med brennbare damper som
 135 f.eks. acetylen gass. \\
 136 Natriumhypokloritt vil irritere både øyne og hud ved kontakt. NaClO
 137 i kontakt med syrer vil danne klorgass.
 138 \index{Klorgass}\index{Cl$_{2}$}\index{Natriumhypokloritt}\index{Klorin}
 139 \index{NaClO}\index{Acetylen}
 140
 141
 142 \subsubsection{Utstyr og kjemikalier}
 143 \begin{table}[h]\begin{tabular}{lll}
 144  Målesylinder 1000 ml&gummislange  &glassrør   \\
 145  kork med hull& 250 ml erlenmeyerkolbe & vann  \\
 146 Natriumhypokloritt, NaClO& Kalsiumkarbid, CaC$_{2}$  & gummislange  \\
 147 &  &   \\
 148 \end{tabular}
 149 \caption{Kjemikalier til forsøket - Fyrverkeri under vann}
 150 \end{table}
 151
 152
 153
 154 \subsubsection{Referanser}
 155 \begin{description}
 156 \item[\lbrack1\rbrack]J.~W. Mellor.
 157 \newblock {\em A Comprehensive Treatise on Inorganic and Theoretical
 158   Chemistry}, volume~2.
 159 \newblock Longmans, Green and Co.: London, 1922.
 160     \item[\lbrack2\rbrack] Bassam~Z. Shakhashiri.
 161 \newblock {\em Chemical Demonstrations - A Handbook for Teachers of Chemistry},
 162   volume~2.
 163 \newblock The University of Winsconsin Press, 1 edition, 1985.
 164 \newblock 312 pages ISBN: 0-299-10130-4.
 165 \item[\lbrack3\rbrack]Alyea H.~N. Dutton.
 166 \newblock {\em Tested Demonstrations in Chemistry}.
 167 \newblock Journal of Chemical Education: Easton, Pennsylvania, 6 edition, 1965.
 168 \item[\lbrack4\rbrack]R.~E. Dunbar.
 169 \newblock {\em Journal of Chemical Educ.}, 25:A299, 1958.
 170 \end{description}
 171
 172