Kloppend hart.

Proef 41-A Het kloppend hart.

november 2014

Benodigde chemicaliën en spullen:		De proefopstelling.
Schoteltje of horlogeglas Ø 7,5 cm:	1
Bekerglaasjes 50 mL à 100 mL:	3
Druppelpipetten:	2
USB-warmhoudplaatje, pincet.
Gallium (Ga):	ca 1 gram
Zoutzuur (HCl) 37%:	≤ 1 mL
Ged. water (H₂O):	ca 20 mL
Natriumbromaat (NaBrO₃):	0,75 g
Voorbereiding:

Schakel het warmhoudplaatje in.
Los het natriumbromaat op in 10 mL warm ged. water in een bekerglaasje. Doe 1 mL van deze 0,5 M oplossing in een ander bekerglaasje en voeg 7 mL warm ged. water toe voor een 0,08 M oplossing. Doe hiervan 3 à 4 mL op het horlogeglas en zet dit op het handwarme warmhoudplaatje (> 30°C). Schenk 1 mL geconcentreerd zoutzuur in een derde bekerglaasje.

Uitvoering van de proef:

Plaats met een pincet het gallium in de warme oplossing op het horlogeglas. Het gallium smelt en vormt een plasje. Voeg met een druppelpipet enige druppeltjes zoutzuur toe. Het gallium trekt onmiddellijk samen, ontspant weer, trekt weer samen, en zo voorts. Het gaat als het ware kloppen.
Als dit alles rustiger wordt, kun je een druppeltje van 0,5 M bromaat toevoegen, en een druppel zoutzuur: het kloppen hervat. Dit kan zo doorgaan totdat op het warmhoudplaatje het water verdampt is en het gallium als een bolletje in een wit zout ligt. Tijdens de proef komt broom vrij hetgeen je herkent aan een geelbruine kleuring en een chloorachtige geur. Mogelijk ontstaat ook chloor zelf. Daarom is het beter de proef voor een open raam te doen.

Deze proef lijkt erg op proef 41. In deze versie gebruik je echter geen kankerverwekkende chroom(VI)zouten. Bij deze proef zijn ook geen zwavelverbindingen betrokken: een overtuigend bewijs dat galliumsulfaat geenszins verantwoordelijk kan zijn voor het kloppend effect.

Verklaring:

Zie ook de verklaring bij proef 41. Je kunt het nettoproces als volgt weergeven:

10 Ga + 6 Br(V) → 10 Ga³⁺ + 3 Br₂

Dit gaat door totdat het bromaat en het zuur is verbruikt.
Let op:
A) Bij een hogere concentratie bromaat dan 0,08 M werkt de proef niet goed!
B) Je kunt de proef ook doen met (nogal geconcencentreerd) zwavelzuur i.p.v. zoutzuur. Het is dan wat lastiger om het kloppen te starten; voeg beurtelings druppeltjes zwavelzuur (voor opbollen) en bromaat 0,5 M (voor ontspannen) toe totdat het kloppen zichzef onderhoudt. Zwavelzuur heeft het voordeel dat er geen chloor kan ontstaan.

Oscillerend gallium.

Na afloop van de proef:

De gemaakte hoeveelheid 0,5 M bromaatoplossing is ruim voldoende om de proef vaak te herhalen. Je kunt de oplossing dus in een druppelflesje bewaren.
Het horlogeglas zet je in de koelkast. Het resterende gallium zal daardoor stollen en kan bewaard worden voor later gebruik. Was het glas boven de gootsteen af.

Nadere beschouwingen van de M.S.

In de verklaring is sprake van een nettoreactie. Het is de moeite waard om na te gaan uit welke deelreacties deze is opgebouwd. Zoals bekend bestaat een oscillerende reactie altijd uit een aantal deelreacties die elkaars eindproducten gebruiken. Bij het kloppend hart gaat het om:
Ga + 3 H⁺ → Ga³⁺ + 3 H_i.s.n.	(1)
Hierin betekent H_i.s.n. waterstof in staat van wording. I.s.n. is de afkorting voor in statu nascendi, letterlijk "in staat van geboorte". Het zijn losse H-atomen (daarom ook gewoon als H te noteren) die gebonden worden aan het galliumoppervlak vóór ze twee aan twee waterstofmoleculen vormen. Het zo gebonden waterstof zorgt voor een afscherming van het galliumoppervlak, zodat de galliumionen niet makkelijk het galliumplasje verlaten. Door onderlinge afstoting zorgen de positieve ionen voor de opbolling van het plasje. Negatieve (zuurrest)ionen die achterblijven in de oplossing worden kennelijk niet zodanig door deze positieve ionen aangetrokken dat zij door de waterstofwand heen kunnen. Wellicht blijven ze voor die wand steken, stoten ze elkaar af en dragen op deze wijze bij aan de opbolling. De volgende deelreactie is:
10 H_i.s.n. + 2 H⁺ + 2 BrO₃^- → 6 H₂O + Br₂	(2)
Hierdoor verdwijnt de waterstof i.s.n. en wordt de blokkade van de galliumionen opgeheven zodat de galliumionen het bolletje kunnen verlaten en het gallium weer plat uitvloeit. Beide reacties volgen elkaar met verschillende snelheden (zie proef 02) op zodat het gallium gaat pulseren. Het gevormde broom zie je na enige tijd weer verdwijnen. Dit gebeurt door verdamping. Dit weet je doordat je het broom ruikt. Er was verwacht dat het broom ook zou verdwijnen omdat het als volgt zou reageren:
2 H _i.s.n. + Br₂ → 2 H⁺ + 2 Br^-	(3)
Maar uitvoering van de proef met zwavelzuur i.p.v. met zoutzuur om geen storende chloride-ionen te hebben leverde geen aantoonbare bromide-ionen op. Dat lag niet aan mogelijk ontsnappen van het bromide als HBr: kunstmatig toegevoegde bromide-ionen - bijvoorbeeld in de vorm van een spoortje KBr - bleven aanwezig in het residu, zelfs na koken en bevriezen. Conclusie: reactie (3) vindt niet plaats. Reden te meer om de proef niet uit te voeren in omstandigheden met slechte ventilatie. Indien je er gevoelig voor bent, kun je flink hoofdpijn krijgen van broomlucht.
Om broomlucht te vermijden kun je de proef uitvoeren in een rondbodemkolfje met daarop een stop met een waterslot. In dat waterslot doe je dan een paar mL loog, bijvoorbeeld natronloog van 1 gram NaOH in 5 mL water. Broom dat daardoorheen zou willen ontsnappen, wordt in loog omgezet in hypobromiet en bromide en blijft aldus in de oplossing in het waterslot achter. Om zuur of bromaat toe te voegen neem je even het waterslot weg of de hele stop. De reacties (1) en (2) die samen de ketting vormen voor het pulseren, hebben beide H⁺ nodig. Zwakke zuren zijn, zoals experimenteel is vastgesteld, niet in staat de pulsering op gang te brengen: kennelijk veroorzaken zij een onvoldoend hoge H⁺-concentratie. Experimenteel is eveneens vastgesteld dat chloraat niet geschikt is. Met jodaat is het verschijnsel heel zwak en moeilijk waar te nemen. Er ontstaat in de oplossing wel een duidelijk waarneembaar, blauwpaars neerslag van jodium, hetgeen een aanwijzing is voor reactie (2).
	Opstelling met waterslot.

Klik hier voor een filmpje .WMV of hier .MP4 (3'42").