Keemiline kameeleon

Juba homme, 1.aprillil 2010 on Tartu Tamme Gümnaasiumis teadus- ja tehnoloogiapäev. Samas on ka avatud uste päev, mis annab erinevatele õppesuundadele võimaluse enda tegemisi kajastada. Selle päeva puhul tuli meil välja mõelda/otsida üks katse, millega noorematele esineda. Minu katse on puhtalt seotud keemiaga.
Kameeleon on teatavasti sisalikuline, kes suudab muuta oma nahavärvi. Minu katses keegi nahavärvi muutma ei hakka, see-eest muudab aga värvi üks lahustesegu.

Katseks vajalikud komponendid:
1) Kaaliumpermanganaat (KMnO4)
2) Valge suhkur (ehk sahharoos)
3) Naatriumhüdroksiid (NaOH)
4) Vesi
5) Vaja on ka kahte katseklaasi või kolvi

Ohutusest:
NaOH on inimkudedele söövitava toimega. Seega tuleb väga ettevaatlik olla nii puhta aine kui ka lahusega. Kui lahus on kuidagiviisi kokkupuutes nahaga, tuleb nahka voolava veega niikaua loputada, kuni libe/kipitav tunne on kadunud.

Katse ettevalmistus:
1) Esimeses katseklaasis/kolvis lahusta vees väike kogus KMnO4. Tuleb jälgida, et lahuse värv oleks roosakaslilla, mitte liiga violetne. Kui lahus jääb tumelilla, on ka järgnevad värvid liiga tumedad, et midagi aru saada. Ülitäpseid koguseid öelda ei saagi, tuleb lihtsalt katsetada.
2) Vala 100ml vett teise katseklaasi ning lisa umbes 500mg tahket NaOH-d ja umbes 1,5g suhkrut. Loksuta lahust seni, kuni suhkur ja NaOH on täielikult lahustunud.

Värvimuutus:
Vala kaaliumpermanganaadi lahus NaOH ja suhkru lahusesse ning loksuta õrnalt segamini. Seejärel jäta katseklaas seisma ning jälgi, kuidas värvid muutuvad lillakast kollase/pruunikani. Selleks kulub mõni minut, täpne aeg sõltub vee temperatuurist ja lahuste konsentratsioonidest. Märgates, et värvus püsib juba mõnda aega näiteks roheka värvuse juures, võib lahust jälle õrnalt loksutada, et protsessi kiirendada. Siia ka video: http://www.youtube.com/watch?v=dU5zNw2xAxI, kus kõik oma silmaga näha on.

Mis siis täpselt juhtus?
Permanganaat redutseerub (võtab elektrone juurde) aluselises keskkonnas tänu suhkrule. Suhkur on orgaaniline ühend, mis koosneb süsinikkudest, vesinikkudest ja OH-rühmadest. Sellised ühendid, mis sisaldavad -C(H)(OH)- struktuuri, loovutavad kergelt elektrone. Lihtne: suhkur loovutab elektrone, permanganaat liidab need endaga.
Suhkru struktuurivalem:

Alkoholrühm oksüdeerub ketoonrühmaks:
–C(H)(OH)– + 2OH– → –C(=O)– + 2H2O + 2e

Reaktsiooniks oli vaja ka NaOH ehk hüdroksiidi. Aluselises keskkonnas redutseerub permanganaatioon kõigepealt mangaaniooniks:

MnO4– + e → MnO42–
Kui kogu permanganaat on redutseerunud mangaaniks, on lahus ilus roheline. Kuna lahuses on veel suhkrut, redutseerub mangaan edasi:
MnO42– + 2H2O + 2e → MnO2 + 4OH–
MnO2 omab muidu pruuni värvust, kuid kuna teda on lahuses nii vähe, jääb tema värvus kollakaks.
Värvuste vaheldumine tekibki tänu sellele, et MnO4 oksüdatsiooniaste muutub pidevalt:
Värvide järjestus:
- violetne (MnO4 - ioonid)
- sinine (MnO4 3- ioonid)
- roheline (MnO4 2- ioonid)
- kollakas/oranžikas (Mn 3+ ioonid)
Väike pildirida:

Loodan, et saite natuke targemaks või vähemalt nautisite videot.
Annan veel ühe lingi, kust saab lugeda katse kohta inglise keeles: http://81.207.88.128/science/chem/exps/chameleon/index.html