Termiittireaktio: Dynaaminen kemian koe hapetus-pelkistysreaktiosta ja lämmönmuodostuksesta (Alumiini varastaa hapen!)

Olen tiedekouluttaja Ken Kuwako. Jokainen päivä on koe.

【Tämän artikkelin voi kuunnella myös radiossa!】

【Lue tämä artikkeli englanniksi】

Oletteko koskaan kuulleet ”termiittireaktiosta”? Se on todella dramaattinen kemiallinen reaktio, jossa sekoitetaan rautaoksidia ja alumiinijauhetta ja sytytetään se. Reaktio vapauttaa voimakasta lämpöä ja valoa, ja syntyy rautaa. Tämä koe, joka hohtaa kuin ilotulitus ja saa tuntemaan kemian mysteerit lähietäisyydeltä, jää varmasti oppilaiden mieliin. Se on myös hyvin ajatuksia herättävä reaktio, koska siinä syntyy tuttua metallia, rautaa.

Tämän kokeen onnistuminen edellyttää useita turvallisuusohjeita ja huolellista valmistelua. Mutta sen tarjoama kokemus on ehdottomasti kaiken vaivan arvoinen. Tällä kertaa esittelen, millaista termiittireaktio oli tiedekerhon toiminnassa. Tämän eteen tehtiin paljon työtä.

Mikä on termiittireaktio? Kemiallinen selitys

Termiittireaktio hyödyntää alumiinin vahvaa pelkistyskykyä. Se voidaan esittää kemiallisella kaavalla seuraavasti:

ceFe2O3+2Al −>2Fe +Al2O3

Kuten kaava osoittaa, rautaoksidi (Fe2O3) ja alumiini (Al) reagoivat keskenään ja muodostavat rautaa (Fe) ja alumiinioksidia (Al2O3).

Katsotaanpa tarkemmin. Alumiini on erittäin reaktiivinen metalli, jolla on taipumus sitoutua happeen. Toisaalta rautaoksidi on yhdiste, jossa rauta ja happi ovat sitoutuneet yhteen. Tässä kokeessa alumiini ”ryöstää” hapen rautaoksidilta, jolloin rauta erottuu yksinkertaisena alkuaineena ja alumiini itse muuttuu alumiinioksidiksi.

Tämä reaktio on eksoterminen reaktio, joka vapauttaa suuren määrän lämpöä. Tämä lämpö sulattaa syntyneen raudan, ja se valuu alas kokkareena. Lämpötilan sanotaan nousevan jopa yli 2000 °C:een. Tätä korkeaa lämpötilaa hyödynnetään muun muassa rautateiden hitsauksessa.

Koe tiedekerhossa! Valmistelu ja toteutus

Tiedekerhomme teki tämän termiittireaktiokokeen hiljattain. Esittelen tässä valmistelut ja toteutuksen.

Tarvittavat välineet

 
• Rautatrioksidi: myydään reagenssina.
  

 

• Alumiinijauhe: Tällä kertaa teimme sen itse alumiinifoliosta.

 

• Magnesiumnauha: käytetään sytytyslankana.

 

• Keitinlasi: Ottaa reaktion tuotteen vastaan.

 

• Kolmijalka, metalliverkko, puristin ja kolmiomainen suppilo:

 

• Sanomalehti: Kastele ja aseta pöydälle.

 

• Sytytin: Käytetään magnesiumnauhan sytyttämiseen.

 

• Alasin ja vasara: Käytetään syntyneen raudan takomiseen ja sen metallisen kiillon tarkistamiseen.

 

• Magneetti: Käytetään varmistamaan, että tuote on rautaa.

 

• Suojavälineet: Käytä aina suojalaseja ja varmista paloturvallisuus.

Kokeen vaiheet

 
1. Sekoituksen valmistelu:
   
    
   • Sekoita ensin rautatrioksidijauhe ja alumiinijauhe hyvin keskenään massasuhteessa noin 3:1. Turvallisuussyistä kokeiltuamme eri suhteita päätimme käyttää 1,6 grammaa rautatrioksidia ja 0,6 grammaa alumiinijauhetta.

    

   • On tärkeää sekoittaa jauheet huolellisesti, esimerkiksi huhmareella, jotta ne sekoittuvat tasaisesti.

    

   • Alumiinijauheen teimme murskaamalla alumiinifoliota ja jauhamalla sen huhmareella.

 

2. Kastele ensimmäinen suodatinpaperi ja aseta toinen päälle
   
    
   • Aseta sekoitettu jauhe suodatinpaperiin.

    

   • Kiinnitä se tukevasti kolmijalan ja kolmiomaisen suppilon päälle. Aseta alle keitinlasi, jossa on vettä, jotta putoavat tuotteet eivät aiheuta vaaraa.

 

3. Sytytyslangan asennus:
    
   • Aseta magnesiumnauha pystysuoraan sytytyslangaksi upokkaan keskelle. Jätä nauha hieman pidemmäksi, jotta se voidaan sytyttää turvalliselta etäisyydeltä.

 

4. Sytytys!:
    
   • Tarkista vielä kerran, ettei lähellä ole syttyviä aineita.

    

   • Käytä aina suojalaseja ja pyydä oppilaita tarkkailemaan turvalliselta etäisyydeltä.

    

   • Sytytä magnesiumnauhan pää polttimen liekillä. Magnesiumnauha palaa erittäin kirkkaasti ja johdattaa tulen seokseen.

 

5. 

 

6. Reaktion tarkkailu:
   
    
   • Kun magnesiumnauha on palanut loppuun ja tuli leviää seokseen, kuuluu ”pishhhh!”-ääni ja ilmaan nousee ilotulituksen kaltaista, häikäisevää valoa ja paljon kipinöitä. Oppilaat alkavat varmasti huutaa innosta.
     
     

    

   • Kun reaktio on ohi, musta pallomainen kökkö putoaa alas upokkaan pohjalle. Tämä on rautaa, joka on juuri syntynyt. Muoto on erikoinen, pyöreä ja siinä on reikä. Olisikohan magnesiumnauha ollut tässä reiässä?
     

 

7. Tuotteen tarkistus:
    
   • Kun se on täysin jäähtynyt (se on erittäin kuumaa, joten älä koske siihen!), ota musta kökkö ulos upokkaasta.

    

   • Aseta tämä musta kökkö alasimelle ja lyö sitä voimakkaasti vasaralla. Ulkoinen hapettunut kerros irtoaa ja sisältä paljastuu hopeanvärinen aine, jolla on metallinen kiilto.

    

   • Sen jälkeen kokeile laittaa magneetti lähelle tätä hopeista osaa. Voit nähdä, kuinka se napsahtaa ja tarttuu voimakkaasti magneettiin. Näistä ominaisuuksista tiedämme varmasti, että tuote on rautaa.
     

Mitä tästä kokeesta opimme

Termiittireaktio on paljon enemmän kuin pelkkä ”upea!” kokemus – se on syvällisen oppimisen aarrearkku.

 
• Pelkistys ja hapetus: Oppilaat voivat ymmärtää, että kyseessä on tyypillinen hapetus-pelkistysreaktio, jossa alumiini ”pelkistää” rautaoksidin ottamalla siitä hapen pois, ja alumiini itse ”hapettuu” sitoutumalla happeen.

 

• Eksoterminen reaktio: Esimerkkinä reaktiosta, joka vapauttaa suuren määrän lämpöä, oppilaat voivat kokea energian valtavan suuruuden.

 

• Metallin jalostus: Reaktio on periaatteeltaan samankaltainen kuin raudan jalostaminen rautamalmista. Tätä kautta voidaan esitellä myös sen yhteyksiä teollisuuteen.

 

• Aineen muutos: Näkemällä, kuinka kahdesta täysin eri ominaisuuksilla varustetusta jauheesta syntyy magneettinen metalli, rauta, oppilaat voivat tuntea kemiallisten reaktioiden mielenkiintoisuuden ja syvyyden.

Huolellisen turvallisuushallinnan avulla kannattaa antaa opiskelijoiden kokea tämä vaikuttava kemiallinen reaktio. Se syventää varmasti heidän kiinnostustaan tiedettä kohtaan.

Yhteydenotot ja pyynnöt

Tehdään tieteen ihmeistä ja hauskanpidosta helpommin lähestyttävää! Tänne on koottu helppolukuisia vinkkejä ja hauskoja tiedekokeita, joita voi tehdä kotona. Kannattaa etsiä niitä!
・Lisätietoja ylläpitäjä Ken Kuwakosta täältä
・Erilaiset pyynnöt (kirjoittaminen, luennot, tiedekerhot, TV-valvonta, esiintymiset jne.) täältä
・Artikkelipäivityksistä ilmoitetaan X:ssä!

Tiedevideoita julkaistaan tiede-ideat-kanavalla!