Dla fanów ciekawej chemii praktycznej:   Ciekawe doświadczenia chemiczne

Woda królewska, to nazwa mieszaniny kwasu azotowego i kwas solnego w stosunku 1:3. Jest to doskonały rozpuszczalnik, roztwarzający większość metali. Nazwa wzięła się stąd, że jest ona w stanie rozpuścić nawet "królewski" metal - złoto. Swą aktywność zawdzięcza obecności wolnego chloru i chlorku nitrozylu - bardzo silnych utleniaczy:

Stop Wooda o składzie: 25% Pb, 12,5% Cd, 12,5% Sn i 50% Bi  charakteryzuje się bardzo niską temperaturą topnienia (~ 60°C). W aboratoriach wykorzystywany był niegdyś jako medium grzewcze przy destylacji w wysokich temperaturach. Łyżeczka wykonana ze stopu Wooda do złudzenia przypomina popularne niegdyś łyżeczki aluminiowe i wywołuje zdumienie gdy po pomieszaniu nią gorącej herbaty w ręku mieszającego pozostaje tylko uchwyt łyżeczki.

Zegar węglowy to określenie na sposób obliczania wieku przedmiotów wykonanych z tworzyw będących niegdyś materią ożywioną.  Azot zawarty w atmosferze ziemskiej jest bombardowany przez elektrony promieniowania kosmicznego i pod ich wpływem przechodzi w β-promieniotwórczy izotop węgla 14C 14N + e ——>  14C bowiem elektron "zobojętnia" jeden proton w jądrze i 7N przechodzi w  6C. Przy założeniu, że w oznaczanym okresie ilość azotu w atmosferze i natężenie promieniowania kosmicznego nie ulegało znaczącym zmianom, można przyjąć, że również stężenie izotopu 14C w przyrodzie jest stałe. Ponieważ związki zawierające węgiel 14C, analogicznie jak związki z węglem 12C, krążą w przyrodzie i są pobierane przez organizmy żywe, również w przyrodzie ożywionej stężenie 14C jest stałe, tak długo jak długo żyją organizmy (np. drzewo, jak długo pobiera CO2 z atmosfery). W momencie wyłączenia danego organizmu z łańcucha obiegu węgla w przyrodzie (ścięcie drzewa, lnu, konopi itp.) zawarty w nich węgiel 14C, jako pierwiastek promieniotwórczy, już tylko zanika powoli ze stałym okresem półtrwania wynoszącym  5570 lat. Zakładając, że stężenie izotopu 14C w momencie ścięcia drzewa było identyczne jak obecnie i określając na podstawie pomiaru natężenia promieniowania aktualne stężenie węgla 14C w badanym materiale można, znając okres półtrwania, obliczyć czas jaki upłynął np. od momentu ścięcia drzewa, z którego wykonano przedmiot.

Roztwór wodny octanu amonu CH3COO(NH4), mimo że jest solą słabego kwasu octowego i słabej zasady amonowej pozostaje obojętny, bowiem stała dysocjacji kwasu octowego i zasady amonowej są prawie identyczne (pKa=4,76 kwas octowy i pKb=4,75 wodorotlenek amonu) i pomimo hydrolizy stosunek jonów wodorowych do wodorotlenowych w roztworze praktycznie nie ulega zmianie.

Tlen należy do ciał paramagnetycznych, tzn. takich, w cząsteczkach których występuje lokalny moment  magnetyczny (są magnesami) lecz bezładność ruchów termicznych powoduje, że moment magnetyczny wypadkowy wynosi zero (wektory magnetyczne pojedynczych cząsteczek znoszą się nawzajem). Substancje paramagnetyczne manifestują swoje magnetyczne właściwości dopiero po umieszczeniu ich w silnym, zewnętrznym polu magnetycznym. Dochodzi wówczas do uporządkowania kierunków i zwrotów wektorów magnetycznych cząsteczek zgodnie z przyłożonym zewnętrznym polem (podobnie jak ustawiają się igły magnetyczne kompasów w polu magnetycznym ziemi).  Paramagnetyzm tlenu jest tak silny,  że ciekły tlen przywiera do magnesu jak żelazne opiłki!  Jest to zjawisko o tyle dziwne, że wydaje się iż w dwuatomowej cząsteczce tlenu nie istnieją przyczyny powstania tych właściwości, bowiem za paramagnetyzm odpowiedzialne są niesparowane elektrony, a tych wydaje się, w tlenie nie ma. Jeśli jednak są skutki muszą być i przyczyny. Po dokładniejsze tłumaczenia tego fenomenu odsyłam do podręczników chemii nieorganicznej, tu musi nam wystarczyć konstatacja, że w cząsteczce tlenu O2 występują jednak niesparowane spinowo elektrony na antywiążących orbitalach cząsteczkowych. Natomiast zjawisko takie nie występuje w ozonie O3.

Bezwodne sole kobaltu mają barwę niebieską, zaś sole uwodnione są jasnoróżowe. Zjawisko to wykorzystuje się do "znaczenia" zolu krzemionkowego, używanego jako środek suszący. Cząstki żelu przed użyciem w charakterze środka suszącego pokrywa się cienką warstwą bezwodnych soli kobaltu, nadając im tym sposobem niebieskie zabarwienie. W czasie pracy żel krzemowy pochłania wilgoć aż do momentu nasycenia. Od tej chwili przestaje być aktywny i już nie spełnia swojej roli. Teraz wilgoć powoduje wiązanie się cząsteczek wody z solami kobaltu i przechodzenie niebieskich, bezwodnych cząsteczek w uwodnione, jasnoróżowe, sygnalizując moment zakończenia pracy żelu suszącego.

Zjawisko kontrakcji polega na tym, że zmieszanie dwóch objętości cieczy nie daje w wyniku sumy tych objętości lecz wartość nieco mniejszą. Sztandarowym przykładem takiego zjawiska jest mieszanie alkoholu etylowego i wody. Tak więc zmieszanie ćwierć litra spirytusu i pół litra soku wcale nie da 3/4 litra!  Ciecze, ze względu na wielkość cząsteczek, ich kształt i polarność mogą wytwarzać "struktury", które będą bądź niszczone przez dodane do nich inne ciecze, bądź będzie zachodziło zjawisko podobne do dodawania maku do naczynia z grochem: mniejsze cząsteczki będą wypełniać wolne miejsca. W takich przypadkach oczywiście suma otrzymanej objętości będzie różna od sumy arytmetycznej objętości płynów wziętych do zmieszania.

Tabletki musujące, znana postać leków, pozwalająca często bez większego trudu przełknąć nawet mało smaczne specyfiki, zawiera w swoim składzie – oprócz substancji leczniczej – najczęściej wodorowęglan sodowy NaHCO3 i odpowiedni kwas - najczęściej cytrynowy. Oba te związki występują jako ciała stałe i wymieszane, bez obecności wody nie reagują ze sobą. W momencie wrzucenia do szklanki z wodą tabletki ze środkiem leczniczym zawierającej węglan i kwas, następuje miedzy nimi reakcja i silniejszy kwas (cytrynowy) wypiera z węglanu słabszy kwas (węglowy), który przechodzi w CO2 i wysycając roztwór, wraz z dodawanymi środkami poprawiającymi smak ułatwia przełknięcie niesmacznego specyfiku.  Jeżeli tabletki nie zostały zapakowane w odpowiednio suchym środowisku, reakcja może się zacząć już w opakowaniu, a ponieważ w jej wyniku powstaje woda, która rozpuszczając następne cząsteczki katalizuje reakcję - skutek złego opakowania może być opłakany.

Enancjomery (enantio - przeciwny) mają identyczne właściwości chemiczne i fizykochemiczne i rozróżnić je chemicznie potrafią tylko organizmy żywe przy pomocy innych optycznie czynnych reagentów. np. (-)glukoza nie ulega fermentacji alkoholowej i nie bierze udziału w metabolizmie, z mieszaniny enancjomerów kwasu winowego bakterie skonsumują tylko cząsteczki (+); (-)adrenalina działa o wiele silniej niż (+)adrenalina.  Syntetycznie otrzymując związki chiralne najczęściej otrzymuje się równomolową mieszaninę obu enancjomerów (takie samo prawdopodobieństwo powstania cząsteczki o skręcalności + co i –). Racemat po raz pierwszy rozdzielił Pasteur - za pomocą lupki i pęsety rozdzielił kryształki winianu sodowo-amonowego na dwie grupy, będące w swym kształcie odbiciami lustrzanymi. Okazało się, że i roztwory tak rozdzielonych kryształków różniły się, wykazując równą co do wielkości a przeciwną co do znaku skręcalność optyczną.  Generalnie rozdzielenie racematu na składniki o przeciwnej konfiguracji nie jest sprawą prostą, i z pewnym przybliżeniem można powiedzieć, że bez pomocy naturalnych związków optycznie czynnych prawie niemożliwe.

Chiralność życia - Jeśli prowadzić będziemy syntezę związku chiralnego w laboratorium otrzymamy, zgodnie z prawami statystyki, identyczne ilości formy „prawej” i „lewej” (racemat nie wykazujący aktywności optycznej). Natomiast życie na Ziemi używa w wielu przypadkach odmian homochiralnych np.: struktura helisy DNA jest prawoskrętna we wszystkich komórkach żywych, w typowych białkach występują niemal wyłącznie aminokwasy szeregu L (nielicznymi wyjątkami są np. antybiotyki peptydowe), życie używa wyłącznie D-węglowodanów (np. L-glukoza nie ulega fermentacji alkoholowej i nie bierze udziału w metabolizmie, skrobia i celuloza zbudowane są wyłącznie z cząsteczek D-glukozy), chiralne są cząsteczki enzymów (wykazują swoistość przestrzenną, działają tylko na jeden z możliwych stereoizomerów i syntetyzują „symetrycznie”), chiralne są hormony, feromony itd. Choć enancjomery mają niemal identyczne właściwości fizykochemiczne, organizmy żywe doskonale potrafią je odróżniać – przy pomocy innych optycznie czynnych reagentów np. z mieszaniny enancjomerów kwasu winowego bakterie skonsumują tylko cząsteczki (+). Ludzki zmysł węchu rozróżnia formy chiralne: L-limonen ma zapach cytryny, D-limonen zapach pomarańczy, L-karwon pachnie miętą, D-karwon przypomina zapach kminku, podobnie działa zmysł smaku: D-tryptofan i D-fenyloalanina sa bardzo słodkie, natomiast ich L-enancjomery są lekko gorzkawe. Możemy wnioskować, że nasze receptory są chiralne – podobnie zresztą jak cały nasz organizm.  Dlaczego Natura mając do dyspozycji cząsteczki „lewe” i „prawe” wykorzystuje często tylko jedne enancjomery związków. Nie znamy pełnej odpowiedzi na to pytanie, choć istnieje wiele teorii: oszczędność  - ograniczenie ilości „elementów budulcowych” zwiększa wydajność i szybkość procesów, ponieważ eliminuje etap rozpoznawania chiralności substratu; - stosowanie jednej formy upraszcza „oprzyrządowanie” biochemiczne;  ostrożność  - stosowanie obu form przestrzennych ogromnie zwiększyłoby liczbę możliwych kombinacji budowy produktu a błędy podczas biosyntezy skomplikowanych struktur często prowadzą do bardzo niekorzystnych skutków; stabilność - związki zbudowane z L-aminokwasów czy D-cukrów są nieco stabilniejsze niż formy odwrotne, wynika to z oddziaływań słabych, za które odpowiedzialne są mezony; przypadek - na początkowym etapie rozwoju życia na ziemi istniał w środowisku nadmiar jednej formy chiralnej, która oddziałując z innymi „narzuciła” określoną formę. Istnieją koncepcje zakładające, że jakiś czynnik fizyczny mógł różnicować formy chiralne łamiąc symetrię, np. obecność zarodków kryształu kwarcu o prawoskrętnej helisie krzemotlenkowej lub wpływ spolaryzowanego promieniowania i stałego pola magnetycznego. Według Pasteura przewaga jednej formy oznacza życie, racemizacja – śmierć. Dopóki komórka żyje ciągle przeznacza pewną część energii na eliminację „zbędnego” enancjomeru (powstającego samorzutnie, zgodnie z zasadą wzrostu entropii), gdy komórka umiera, to cząsteczki, z których jest zbudowana ulegają racemizacji. Badając stopień racemizacji DNA możemy określić wiek komórek sprzed tysięcy lat, dokładniej niż metodą radiowęglową (zegar węglowy). (A. Dorosz).

Chiralność leków. Poszczególne formy enancjomeryczne mają różne funkcje biologiczne, co ma decydujące znaczenie w przypadku leków. Jeśli są to substancje syntetyczne, to w procesie produkcji powstaje mieszanina enancjomerów o różnym działaniu na ludzki organizm. Dlatego jest bardzo ważne, aby substancje biologicznie czynne stosować w czystych postaciach enancjomerycznych. Dramatycznym przykładem jest Thalidomid, lek wprowadzony w latach 60-tych jako środek uspokajający dla kobiet w ciąży. Przed rejestracją leku przebadano formę lewoskrętną, natomiast w sprzedaży znalazła się mieszanina racemiczna, niestety drugi z enancjomerów miał działanie teratogenne, deformujące płód. W lecznictwie stosujemy lek L-DOPA (w leczeniu choroby Parkinsona) i L-naproksen (o działaniu przeciwzapalnym, przeciwbólowym i przeciwgorączkowym), (–)adrenalina działa o wiele silniej od formy prawoskrętnej. (A. Dorosz).

Entropia jako funkcja termodynamiczna opisująca stopień uporządkowania materii jest najczęściej zmorą wielu studentów zmuszanych do jej matematycznego opisu. Natomiast ogólna zasada, stwierdzająca, że jeśli jakiś układ ma możliwość zwiększenia wartość entropii, to uczyni to bez wątpienia, jest regułą ułatwiająca przewidzenie kierunku samorzutnych zmian w układzie. Ponieważ wzrost entropii wiąże się ze wzrostem uporządkowania, możemy przewidywać, że procesy prowadzące do zwiększenia uporządkowania rozmieszczenia materii będą preferowane przez naturę. Należy jednak pamiętać, że dla natury "porządek" oznacza coś innego niż dla naszych mam, które dążąc do nauczenia nas porządku uważały, że miejscem dla skarpetek jest szafa a dla książek regał a nie odwrotnie. Natura za najwyższy porządek uważa stan, w którym prawdopodobieństwo wystąpienia danej rzeczy jest identyczne w każdym miejscu - czyli w pojęciu naszych mam - totalny bałagan. Praktyczny objaw działania tej reguły można zaobserwować na ciekawym zjawisku: Jeżeli w zamkniętym naczyniu umieścimy dwa mniejsze naczynia - jedno zawierające czysty rozpuszczalnik a drugie dość stężony roztwór, np. naczynie z wodą i naczynie z roztworem soli kuchennej NaCl, to po pewnym czasie woda z naczynia, bez naszego udziały, "przewędruje" do naczynia z NaCl.

Powiedzenie znika jak kamfora  bierze się stąd, że związek organiczny o nazwie kamfora (białe, charakterystycznie pachnące kryształki) pozostawione w otwartym naczyniu po krótkim okresie znikają! Odpowiedzialne za to jest zjawisko sublimacji, czyli przechodzenie niektórych substancji z postaci ciała stałego bezpośrednio w stan gazu z pominięciem fazy ciekłej.

Wszyscy wiemy, że działając chlorem na związek nienasycony doprowadzimy do reakcji addycji (przyłączenia) atomów chloru do podwójnego wiązania a nie do reakcji podstawienia (substytucji) jednego wodoru i powstania monochlorowcowopochodnej i HCl. Jednak nie zawsze tak się dzieje. Jeżeli chlorowcowanie np.  propenu przeprowadzimy w wysokiej temperaturze (>500°C) i w fazie gazowej, to nastąpi reakcja podstawienia a nie przyłączenia i w konsekwencji powstanie chlorek allilu  a nie  1,2-dichloropropan: CH3–CH=CH2 + Cl2 ———>  Cl–CH2—CH=CH2 + HCl

Jak dużą rolę odgrywają w przyrodzie słabe wiązania wodorowe i siły van der Waalsa można zorientować rozpatrując jeden przykład - wpływ tych sił na podstawowe parametry stanu skupienia. Ponieważ stan skupienia związany jest ściśle ze stopniem uporządkowania cząsteczek i prężnością pary substancji, a ta z kolei wiąże się dość mocno z masą cząsteczkową, jako regułę przyjmujemy, że zwiększenie masy cząsteczkowej powoduje generalnie przesuwanie się temperatur przejść fazowych (topnienia i wrzenia) od niższych do wyższych. Związki o podobnych masach cząsteczkowych powinny mieć bardzo podobne wartości temperatur topnienia i wrzenia. Metan w warunkach normalnych jest gazem, heksan cieczą a nonadekan (C19) ciałem stałym. Ale jeżeli porównamy wodę (m.cz. 18) z amoniakiem (gaz; NH3, m.cz. 17) czy etanem (gaz; m.cz. 30) to dziwnym może się wydawać jej wysoka temperatura wrzenia. Także eter etylowy (C2H5–O–C2H5; m.cz. 74!) o masie czterokrotnie większej od masy cząsteczki wody ma temperaturę wrzenia o 60° niższą. To niezwykłe zachowanie wody to skutek oddziaływań dipolowych cząsteczek wody i wiązań wodorowych powodujących, że tak naprawdę cząsteczka wody w stanie ciekłym jest opisana nie wzorem H2O a (H2O)x. Porównując temperaturę wrzenia eteru etylowego (~40°C) z temperaturą wrzenia alkoholu etylowego, z którego powstał (~80°C) dla wyjaśnienia tej różnicy musimy przyjąć istnienie sił powodujących, że etanol to co najmniej (C2H5OH)2 (znów oczywiście chodzi o wiązania wodorowe pomiędzy grupami O–H alkoholu oraz oddziaływania dipol-dipol).

Najbardziej elektroujemnym pierwiastkiem jest fluor (jego stopień elektroujemności wg. skali Paulinga wynosi 4). Jest bardziej elektroujemny niż tlen (stopień elektroujemności 3,5) i dla podkreślenia tego faktu związek tlenu i fluoru nie nosi nazwy tlenku fluoru lecz fluorku tlenu i jego wzór zapisujemy nie F2O lecz OF2

Kwas solny to wodny roztwór chlorowodoru i choć sam kwas solny jest silnym kwasem, całkowicie zdysocjowanym, to chlorowodór nie zalicza się nawet do związków jonowych! Różnica elekroujemności między chlorem a wodorem wynosi mniej niż 1 (co oznacza udział wiązania jonowego mniejszy niż 20%).

Aby uszlachetnić i zintensyfikować zapach najpiękniejszych perfum dodaje się do nich niewielkie ilości skatolu - organicznego związku o zapachu ... kału!  Nos ludzki to nie tylko dziwnie działający organ, jak wynikałoby z powyższego przykładu, ale również bardzo czuły instrument pomiarowy, choć są drobne problemy z jego standaryzacją. Dział analizy wykorzystujący ludzkie powonienie jako przyrząd pomiarowy o niesłychanej czułości nazywa się olfaktometrią.

Błędne ogniki na bagnach, niebieskie płomyczki widoczne nocą to płomyki palącego się metanu, będącego wynikiem procesów gnilnych zachodzących na bagnach

Wiele związków organicznych zawiera w swojej nazwie czynnik glik - , gliceryna, glikol, glikokol, glicyna, glukoza itp. Związki o takich nazwach są zazwyczaj związkami o słodkim smaku, bowiem nazwy swe brały od greckiego określenia glikis - słodki.