Proef 56   Variërend bruisen.
april 2013

Benodigde chemicaliën en spullen:
Proef56a.jpg
De spullen.
Ged. water (H2O):47,5 mL
Ammoniumchloride (NH4Cl):5,35 gram
Natriumnitriet (NaNO2):6,9 gram
Zoutzuur (2 M HCl): 2,5 mL
Erlenmeyers 50 à 100 mL met stop:3
Reageerbuizen:2


Voorbereiding:

Maak oplossing A door in een erlenmeyer 2,5 mL zoutzuur van 2 M te verdunnen tot 0,2 M door 22,5 mL ged. water toe te voegen. Los er vervolgens 5,35 gram ammoniumchloride in op. Maak oplossing B in een erlenmeyer door 6,90 gram natriumnitriet op te lossen in 25 mL water. Beide oplossingen zijn met een stop erop een kleine twee maanden houdbaar.

Uitvoering van de proef:

Doe 2 à 3 mL van oplossing A in een reageerbuis en voeg (buiten of in de zuurkast) evenveel mL van B toe. Goed kwispelen. Het mengsel zal gaan bruisen terwijl er wat stinkend (niet aan ruiken!) bruin stikstofoxide vanaf komt. Zet de reageerbuis in een erlenmeyer met koud water om te koelen. Laat de oplossing zo enige minuten staan. De ontwikkeling van bruin gas is nu gestopt, maar er blijven belletjes uitkomen. Kijk nu goed en constateer dat de gasontwikkeling varieert: om de 7 seconden ongeveer, neemt het bruisen duidelijk toe om daarna weer terug te vallen. Dit oscilleren wordt steeds duidelijker, maar na een kleine 10 minuten neemt het weer af.
Proef56b.jpg
De bruisende reageerbuis.

Verklaring:

De reactie betreft de (gedeeltelijke) ontleding van opgelost ammo­nium­nitriet, volgens prof. B. Shakhashiri als volgt:
NH4+ (aq) + NO2¯  (aq) → N2 (aq) + 2 H2O (l)
Het oscilleren van het bruisen bij deze reactie berust op een natuurkundig proces, bestaande uit evenwichten tussen oplossingen, condensatiekernen, kleine en grote belletjes en gasvormig stikstof:
N2 (aq)  ⇆  N2 (condensatiekernen)
N2 (condensatiekernen) + N2 (aq) ⇆  N2 (belletjes)
N2 (belletjes) + N2 (aq) ⇆  N2 (grotere bellen)
N2 (grotere bellen) →  N2 (gas dat ontsnapt)
Met constante snelheid wordt opgelost stikstof gevormd tijdens de reactie. Als de oplossing verzadigd raakt en vervolgens oververzadigd, wordt er stikstof omgezet in condensatiekernen. Dit verbruikt slechts weinig stikstof; de kernen blijven ontstaan terwijl de oplossing verza­digd blijft.
Doordat er nog steeds stikstof gevormd wordt, groeien de kerntjes uit tot kleine belletjes en die weer tot grotere die bruisend stikstof uit de oplossing drijven. Nu is de oplossing niet meer verzadigd; de bellen stijgen op en verdwijnen, en nieuw gevormde stikstof lost op tot de oplossing verzadigd raakt, et cetera. Als de stoffen nagenoeg zijn opgebruikt, wordt de vorming van stikstof te traag voor het oscillerend effect.

Na afloop van de proef:

De restvloeistof kan zonder bezwaar door de gootsteen.

Nadere beschouwingen van de M.S.

Let wel, in de reactievergelijking van Shakhashiri wordt in eerste instantie in water opgelost stikstof gevormd, d.w.z. N2(aq), en dus niet N2(g).
Het ontwijken van stikstof als gas uit de oplossing tot gas gaat niet zomaar. Zelfs kan de oplossing oververzadigd raken zonder dat er wat gebeurt. Het ontwijken (evaporeren) vindt in de beschreven stappen plaats:
  1. Het opgeloste stikstof wordt geadsorbeerd aan kleine onregelmatigheden in de oplossing. (Deze kun je sterk in aantal doen toenemen door bijvoorbeeld in een glas cola wat suiker te doen: het gas komt er onmiddellijk uit.) Deze onregelmatigheden kun je vergelijken met condensatiekernen in de lucht: de watermoleculen worden er naar toe getrokken en vormen langzaamaan druppeltjes. Maar de naam condensatiekernen is hier niet terecht. Je zou ze evaporatiekernen kunnen noemen. In formulevorm wordt stap 1 dan:
    N2(aq)  ⇆  N2(evap)
  2. De N2(evap) nemen N2(aq) op uit de oplossing en groeien tot wel zichtbare, maar zó kleine belletjes dat ze nog niet opstijgen. In formulevorm als volgt:
    N2(evap) + N2(aq)  ⇆  N2(kleine bellen)
  3. Vervolgens nemen de kleine bellen zoveel stikstof op dat ze zó groot worden dat ze de oplossing aan de bovenkant kunnen verlaten; deze en de volgende stap vormen het ontwijken (evaporeren):
    N2(kleine bellen) + N2(aq)  ⇆  N2(grote bellen)
  4. Het bubbelen:
    N2(grote bellen) → N2(g)
De drie eerste stappen zijn evenwichten: de stikstofmoleculen gaan (bijna) even snel weer de oplossing in als dat ze eruit kwamen. Dus [N2(aq)] is (bijna) constant. Hier betekent [N2(aq)]: de concentratie van opgelost N2 in water. Maar bij de laatste stap (die ook nog eens massaal door alle grote bellen tegelijk genomen wordt, zodra ze met z'n allen, een bepaalde tijd na het begin van de proef, groot genoeg zijn om te ontsnappen,) gaat er geen N2 terug de oplossing in: de N2(aq) neemt duidelijk af en deze moet door de reactie even "bijgetankt" worden om de volgende cyclus op gang te brengen.

Let op:
Het is van belang dat de vloeistof in de reageerbuis ongeveer op kamertemperatuur blijft. Want bij hoge temperatuur wordt het stikstofgas (te) snel uitgedreven waardoor het oscilleren niet meer zichtbaar is. Bij te lage temperatuur verloopt de initiële reactie daarentegen te traag om stikstof aan te vullen.

Klik hier voor een filmpje .WMV of hier .MP4    (4'19").