Forsøk og praktisk arbeid

Passer for

  • kjemi 2

Supersvellende gel som kationebytter

For å vise egenskapene til en ionebytter, kan vi bruke fyllstoffet i vanlige bleier som kationbytter. Bleiene inneholder polyakrylat som fungerer som en kationbytter. Vi kan bruke fargede ioner for å vise hvilke ioner som bindes til gelen. 

Forarbeid

  1. Lag løsningene.  
  2. Ta ut litt av fyllstoffet i en bleie og rist ut kornene i fyllstoffet.
  3. Legg kornene i et lite begerglass og tilsett så mye vann at kornene sveller fullstendig. La gelen svelle minst fem minutter for å sikre at den har tatt opp maksimalt med vann.

 

Framgangsmåte

  1. Legg en bit porøst tørkepapir, en bomullsdott eller lignende i bunnen av sprøyta for å hindre at gelen kommer ut gjennom spissen.
  2. Fyll så sprøyta ca halvfull med gel. Sett et lite begerglass under sprøyta som reservoar og sett stempelet i sprøyta. Klem gelen forsiktig sammen til det kommer ut 1 dråpe vann. Ta så ut stemplet igjen. Da er gelen passe pakket.
  3. Sett til vann og se at vannet passerer gjennom gelen og kommer ut gjennom spissen. Noter hvor mye gel det er i sprøyta (i mL). 
  4. Tilsett ca 5 dråper KMnO4-løsning i gelen og vask gjennom med vann ved å fylle vann over gelen. Vask til det ikke er mer farge igjen i gelen. Noter fargen på gelen før og etter vaskingen og noter gelvolumet (mL).
  5. Tøm ut kaliumpermanganatløsningen og skyll begerglasset.
  6. Tilsett 5-10 dråper CuSO4-løsning i et reagensrør og fyll det med 5-10 mL vann. Noter fargen på løsningen. Tilsett denne løsningen til gelen og fortsett helt til fargen på gelen er tydelig mørkere blå enn fargen på vannet i reagensrøret.
  7. Prøv å vaske ut disse ionene på samme måte som permanganationene ble vasket ut. Tilsett gjerne litt ammoniakkløsning i beholderen som tar i mot det som kommer ut fra sprøyta. Da er det lettere å se om det kommer kobberioner gjennom gelen.
  8. Mål volumet av gelen etter forsøket.
  9. Tilsett til slutt noen dråper 1 mol/L  HCl til gelen for å se at kobberionene blir vasket ut igjen.

Mulige spørsmål til elevene

Hvorfor bindes ikke permanganationene til gelen?
Hva skjedde ved tilsetting av løsningen med kobberioner?
Hva er forklaringen på endringene i farge og volum av gelen?
Hva skjedde når saltsyre ble tilsatt? Hva er forklaringen på det?

Faglig forklaring

Ionebytting er en type kromatografi der man skiller ulike stoffer i en blanding fra hverandre på grunnlag av ionestyrke.

Supersvellende geler
Fyllstoffet i bleier er laget av Na-saltet til polyakrylat. Polyakrylat  består av lange polymerer satt sammen av akrylsyremolekyler. Det betyr at denne polymeren har mange sidegrupper av typen –COO-

Propensyre Polypropensyre

I natriumsaltet til polymeren er sidegruppene er koblet til Na+-ioner, og framstår som –COONa.  Natriumsalter er generelt lettløselige. Fordi denne polymeren er polar, har den stor evne til å trekke til seg vann. Sammen med liten grad av tverrbindinger mellom polymerkjedene gjør dette at denne gelen kan svelle mye.

              
Gelen kan lett klemmes sammen med hendene. Den ”kollapser” også om saltkonsentrasjonen rundt gelen blir for høy (for eksempel ved tilsetting av høy konsentrasjon av kobberioner).

Ionebytting
Natriumioner har ladning +1, og vil ikke bindes særlig sterkt til polymeren sammenlignet med andre ioner. Hvis vi lar en slik gel svelle så mye som mulig, kan vi etterpå tilsette en løsning av for eksempel kalsiumklorid (CaCl2).
Da vil Ca2+-ionene ”konkurrere ut” Na+-ionene fordi de binder seg sterkere til gelen. Kalsiumsalter er generelt mindre løselig enn natriumsalter.

I tillegg vil gelen krympe betydelig.  Etter en tid vil gelen bestå av Ca-bundet polyakrylat, mens vannet som har kommet ut av gelen inneholder en løsning av NaCl. Kloridionene har samme ladning som sidegruppene på gelen, og vil dermed ikke bindes, men derimot støtes bort.

Forsøket vil vise at ionene med negativ ladning (MnO4-) ikke bindes til gelen. Kobberionene vil derimot bindes sterkere til gelen enn natriumionene. Dermed blir kobberionene igjen i gelen, mens natriumionene blir vasket ut. Når kobberionene bindes til gelen vil den også krympe. Kobberioner kan påvises med ammoniakkløsning og gir da en tydelig blå farge.

Utvasking av næringsstoffer i jord
Noen av disse effektene er parallelle til det som skjer med utvasking av næringsstoffer i jord. Jordpartiklene består i stor grad av silikater med overskudd av negativ ladning. Jorda vil derfor ofte fungere som kationbytter. Næringsstoffer som Ca2+ og Mg2+ vil bindes til jorda og ikke vaskes ut så lett. Det ser vi på som er fordel. Men dessverre blir også Pb2+ og andre giftige tungmetaller sittende dersom de blir tilført jordsmonnet. Negative ioner som nitrater (NO3-) derimot, vil vaskes ut med regnvannet. Det er derfor anbefalt å gjødsle med nitrater når plantene er i god vekst, slik at næringsstoffene kan bli tatt opp før de vaskes ut.

Ved sur nedbør, vil H+-ionene over tid føre til at også de positivt ladde næringsstoffene vaskes ut. Dette skjer også ved ionebytting. Utvasking på grunn av H+-ioner er avhengig bl.a. av konsentrasjon (pH).

Kommentarer/praktiske tips

Elevene kan gjøre både forberedelsene og selve forsøket. Hvis du vil spare tid, kan forarbeidet med å lage løsninger og la gelen svelle gjøres i forkant.

Vi velger en  løsning som er farget og som inneholder anioner for å vise at anioner ikke byttes ut.  En ulempe ved å bruke permanganationer er at de kan reduseres til manganioner, og da ser vi ikke fargen. Vi kan på forhånd testeom gelen inneholder lett oksiderbare stoffer og dimensjonere forsøket for dette.

For å se om kobberionene går gjennom kolonna, kan det tilsettes et par mL ammoniakkløsning i begerglasset. Denne løsningen vil påvise kobberioner med en tydelig blå farge så fremt løsningen er basisk. Et overskudd av saltsyre i den siste delen av forsøket vil gjøre at blåfargen forsvinner.

En utvidelse av forsøket kan være å be elevene "vurdere miljømessige konsekvenser ved produksjon og deponering av tradisjonelle og nye materialer" i med tanke på innholdet i bleier.

For elever som også har biologi 2 kan disse kompetansemålene være relevante: gjere greie for krinsløpet til karbonet og nitrogenet i eit økosystem, og korleis miljøgifter blir konsentrerte i næringskjeder og forklare korleis økosystem kan endre seg over tid, og knyte det til klimaendring og andre miljøproblem.

Aktuelle kompetansemål i læreplanen

Læreplan i kjemi - programfag i studiespesialiserende utdanningsprogram

  • Kjemi 2
    • Organisk kjemi 2
      • gjøre rede for og utføre kromatografi, destillasjon og omkrystallisering
    • Materialer
      • beskrive den kjemiske strukturen og egenskapene til noen syntetiske polymerer og tilsatsstoffer til dem

Materialer og utstyr

  • Bleie eller litt av fyllstoffet fra en bleie
  • Et lite begerglass (feks 50 mL)
  • Plastsprøyte (5-10 mL), helst med sentrert spiss
  • Ca 0,1 M løsning av kobber(II)sulfat 
  • Ca 0,1 % løsning av kaliumpermanganat (KMnO4)
  • Ammoniakkløsning, 2-6 M
  • 1M HCl

Tema