Rozžhavte si Vánoce mincí, která je jinak k ničemu

Vánoční hvězdu si může do zásuvky zapojit každý. Ale my vám předvedeme, jak si vytvořit tu správnou náladu díky jedné jinak dost zbytečné minci, kusu měděného drátu a pár kapkám acetonu.

Reakce, kterou si dnes předvedeme, je z chemického hlediska jedním z mnoha příkladů katalytických reakcí. Budete k ní potřebovat kromě látek, které se při reakci spotřebují, také něco navíc - něco, co reakci urychlí, ale nespotřebuje. Proto si můžeme dovolit do katalyzátoru i v našem případě trochu investovat a předvedeme vám, jak si doma vytvořit vánoční náladu s pomocí (třeba) měděného eurocentu a pár dalších ingrediencí.

Co budete potřebovat?

• aceton (asi 1 polévková lžíce)
• měděnou fólii nebo tenký plech, měděný drátek (0,5-0,8 mm), 1 eurocent
• kleště a nůžky na zpracování mědi
• 500ml kádinku s krycím hodinovým sklíčkem, nebo větší zavařovací sklenici s víčkem
• plynový hořák, kahan nebo výkonnější zapalovač
• kovovou pinzetu
• nehořlavou podložku

Všechny nutné a doporučované „ingredience“ pohromadě

Jejich úplný seznam najdete v boxíku vlevo, my si řekneme v tuto chvíli jen tolik, že budete potřebovat průhlednou nádobu, třeba zavařovací sklenici, aceton a kousek mědi.

Mědí začneme. Je tak trochu jedno, v jaké podobě ji přesně můžete mít. I proto můžete použít z poměděné oceli vytvořený eurocent. Pokud nejste na peníze, vezměte si kousek měděné fólie a vystřihněte nůžkami požadovaný tvar - stromeček, hvězdu nebo něco originálnějšího. Můžete si pomoci přilepením papírové šablony na povrch fólie pomocí izolepy a následným obstřižením. V horní části fólie si ponecháme úzký proužek umožňující pohodlné uchopení pinzetou.

Pracovat lze i s měděným drátkem: můžete ho zkusit svinout kolem tužky do podoby spirály s volným koncem umožňujícím uchycení do pinzety či spirálu upravit tak, aby šla postavit na dno. Drátek můžete zkusit vytvarovat i do jiných, složitějších tvarů.

Jak na to

Důležité!

Protože v experimentu pracujeme s hořlavým organickým rozpouštědlem a mohou vznikat škodlivé plynné meziprodukty, reakci provádějte pouze na nehořlavé podložce v dobře větraných prostorech a pod dozorem dospělé osoby. Při práci s otevřeným ohněm dodržujte bezpečnou vzdálenost od nádoby s acetonem. Rozžhavená měď může při vypadnutí z pinzety způsobit popáleniny či poškodit předměty citlivé na teplo. Při manipulaci proto dbejte zvýšené opatrnosti.

Pokud z nějakého důvodu dojde ke vzplanutí rozpouštědla v nádobě, zakryjte ji krycím sklem nebo víčkem. Oheň prakticky ihned uhasne. Hořící aceton se nikdy nepokoušejte žádným způsobem vylévat.

Zmiňovanou skleněnou nádobu (zavařovačku) umístěte na nehořlavou podložku venku nebo v dobře větrané místnosti. Dovnitř nalijte přibližně jednu polévkovou lžíci acetonu tak, aby jeho hladina akorát pokryla dno, a nádobu s rozpouštědlem odložte na bezpečné místo. (POZOR! Aceton nikdy nedoléváme, pokud je v okolí zdroj otevřeného ohně.)

Měděný předmět uchopte pevně do pinzety a pomocí plynového hořáku ho rozžhavte do oranžova. Poté ho rychle vsuňte do nádoby těsně nad hladinu acetonu. Pokud dojde k úspěšnému nastartování reakce, získá povrch mědi kovový lesk a během krátké chvíle začne žhnout. Pro lepší pozorovatelnost je vhodné ztlumit světlo. Reakce vyžaduje přístup kyslíku ze vzduchu a par rozpouštědla ze dna nádoby ve správném poměru. Můžete proto pozorovat postupné pulzování záře kovového povrchu. V blízkosti sklenice je také cítit štiplavý zápach vznikajících produktů oxidace. Pokud použijete spirálu z tenkého drátu, můžete ji zkusit opatrně postavit na dno. Bude žhnout jenom část nad hladinou.

Jak to funguje

Vánoční hvězda z kousku měděného drátu

Rozžhavený povrch mědi katalyzuje postupnou oxidaci acetonu (CH₃COCH₃) vzdušným kyslíkem. Tato reakce je silně exotermní (uvolňuje se teplo). Měď se proto udržuje rozžhavená do oranžového žáru.

Během reakce dochází nejprve k oxidaci povrchu mědi vlivem okolního kyslíku a vzniká oxid měďnatý (CuO). Ten následně oxiduje aceton a redukuje se zpět na měď (Cu). Vznik černého oxidu se projeví ztmavnutím povrchu. Při následné reakci s acetonem povrch opět získává svůj lesklý vzhled.

Konečnými produkty oxidace acetonu jsou oxid uhličitý (CO₂) a voda (H₂O). Vzniká ale řada organických meziproduktů, např. štiplavě páchnoucí acetaldehyd (CH₃CHO) nebo toxický plyn keten (CH₂CO) - ten naštěstí ve velmi malém množství (Ohrozí vás stejně, jako když si zapálíte svíčku, díky čemuž vznikne jedovatý oxid uhelnatý nebo když pracujete s lepidlem, ze kterého se uvolňují těkavé látky.) Reakci každopádně provádějte na dobře větraném místě nebo ideálně venku.

Bez mědi to nejde

Vánoční hvězda z kousku měděného drátu

Náš vánoční experiment je z chemického hlediska zajímavý i proto, že jde o jeden z nesčetných příkladů využití katalyzátorů v chemii. Pod tímto pojmem si většina z nás představí součástku z auta, díky které jsou jedovaté látky z výfukových plynů rozloženy na poměrně neškodný oxid uhličitý, dusík a vodu. Význam tohoto pojmu je však ve skutečnosti mnohem širší. Je to jakákoliv látka, která urychluje chemickou přeměnu, ale sama se nespotřebovává.

Chemici se bez těchto látek neobejdou: odhaduje se, že devět z deseti syntetizovaných chemických látek vyžaduje pro svoji výrobu alespoň jeden katalyzátor. Běžnými katalyticky aktivními kovy jsou železo, nikl a především měď. Ta našla uplatnění jako katalyzátor při přípravě mnoha set druhů chemických sloučenin. Můžeme se s ní proto potkat jak u mikroreakcí v roztoku, umožňujících precizní spojování složitých molekul při pokojové teplotě, tak i u průmyslové výroby důležitých chemických surovin, jako jsou vodík, methanol nebo anilin. Právě vlastnosti mědi si můžete sami vyzkoušet v našem chemickém experimentu.

Na katalyzátorech závisí život lidstva

Na některých katalyzátorech také závisí život velké části lidstva. V každé buňce, každém proteinu i každé molekule DNA v našich tělech se nachází mnoho atomů dusíku, které někdy v minulosti prošly chemickou továrnou. Přibližně polovina atomů dusíku v našem těle totiž pochází z produktů Haberovy-Boschovy katalytické výroby amoniaku z plynného dusíku a vodíku. Chemické reakce, která umožnila lidstvu takříkajíc přeměnit vzduch na chleba. Díky otevření této levné cesty pro průmyslovou výrobu dusíkatých hnojiv mohla vzrůst lidská populace od roku 1913 během pouhých sta let na sedminásobek. Skutečně celosvětového rozšíření se proces dočkal až po druhé světové válce, předtím jeho rozšiřování probíhalo pomalu a třeba v Německu se používal k výrobě hnojiv i výbušnin.

Autoři děkují

Experiment pro vás připravili Jan Havlík a Petr Holzhauser z katedry učitelství a humanitních věd, VŠCHT Praha. Za pomoc s výrobou měděného stromečku autoři děkují Vendule Stillerové.

Katalyzátor funguje v chemických reakcích podobně jako horský vůdce při vysokohorských túrách. Umožňuje co nejméně namáhavé a rychlé provedení chemických látek nepřehledným terénem všech možných chemických cest ke správnému základnímu táboru. Podobně jako zkušený horal ani katalyzátor nesetrvává dlouho v cíli cesty, ale vrací se po nezbytné regeneraci zpět pro další chemickou výpravu.