Proef 77   Knalzilver: rijkeluisvuurwerk.
november 2013


Benodigde chemicaliën en spullen:

 Proef77b.jpg
Opstelling in het huislab.
 Proef77a.gif
Alternatieve opstelling met 3 erlenmeyers.
Ged. water (H2O):ca 50 mL
Ammonia 12% (NH3 (aq) ):5 mL
Calciumcarbide (CaC2):15 gram
Zilvernitraat (AgNO3):1 gram
Zuiver zand (SiO2):3 gram
Trechter, filtreerpapier, keukenpapier.
Statief met klemmen, bekerglaasje, druppelpipet.

En verder:
Ofwel zie foto rechts:
scheitrechter, kolf, grote reageerbuis, stop, hoekbuisjes, verbindingsslangetje.

Ofwel zie tekening uiterst rechts:
3 erlenmeyers, dubbel doorboorde stoppen, diverse lange en korte buisjes, slangetjes, Mohr's slangklem enz.

Voorbereiding:

Bouw de opstelling zoals op de foto; of maak een opstelling zoals op de tekening; of maak een combinatie, afhankelijk van je beschikbare glaswerk.
Los in de grote reageerbuis (of erlenmeyer van 50 mL) het zilvernitraat op in 15 mL ged. water. Doe wat ammonia in een bekerglaasje en druppel ammonia bij de oplossing. Die wordt aanvankelijk troebel en grauw. Kwispel voortdurend. Druppel verder totdat de oplossing weer helder is. Klem nu de reageerbuis in de opstelling.
Doe een brokje calciumcarbide (carbid) in de droge kolf, en vul tenslotte een schei- of druppeltrechter met kraanwater. Verbind met buisjes en slangetjes het glaswerk met elkaar volgens de foto en/of tekening. Het is vooral belangrijk dat de stop op de kolf met carbid erg goed sluit. Zet alles met klemmen vast.
Overtuig je ervan dat er geen vuur in de buurt is. Doe de proef liefst buiten, want het carbid is zelden zo zuiver dat er geen sporen ander, minder prettig ruikend en/of giftig gas mee ontstaan.

Uitvoering van de proef:

Laat een beetje water bij het carbid komen door de kraan van de druppeltrechter een beetje te openen (of door wat te knijpen in de slangklem van de tekening). Er ontwikkelt zich een gas dat je in de zilvernitraatoplossing leidt. De oplossing wordt troebel door de vorming van een grijs neerslag.
Als de gasontwikkeling minder wordt, laat dan weer water toe in de kolf met carbid. Zodra er geen ethyn meer ontstaat bij toevoegen van water, ontkoppel je de kolf of de reageerbuis met het neerslag. Voeg nu ca. 3 gram zuiver zand toe aan de reageerbuis en schud een en ander door elkaar. Als er geen zuiver zand beschikbaar is, kun je het maken volgens het procedé van proef 38. De troebele inhoud wordt daarna gefiltreerd. In het filter blijft het neerslag achter, gemengd met zand. Spoel na met wat water. Je controleert het filtraat of het geen zilvernitraat meer bevat. Dat doe je door bij een druppel flitraat een druppel NaCl-oplossing te doen. Een wit neerslag betekent een positieve test op zilverionen. Als dat het geval is, dan kun je met het filtraat het proces herhalen zodat er geen verlies is aan zilver.
Je hebt nu van 1 gram zilvernitraat ongeveer 0,7 gram knalzilver gemaakt met 3 gram zand. Met een spatel neem je nu een puntje, ongeveer 25 mg, van het vochtige mengsel uit het filter. Leg dit op een stukje keukenpapier en laat het rustig drogen. Als je met een hamer op een droog hoopje slaat, ontploft het knalzilver.
In dit hoopje zit ongeveer 5 mg knalzilver. Maak hoopjes niet groter dan maximaal 25 mg knalzilver, want anders wordt het gevaarlijk! Je kunt het knalzilver bewaren door het natte filter rechtop te zetten in een goed afgesloten potje met een bodempje water zodat alles goed vochtig blijft.
Proef77c.jpg
Zilvercarbide affiltreren.

Verklaring:

Het gas dat ontstaat in de kolf met carbid is het zeer brandbare ethyn (H-C≡C-H) - dat vroeger acetyleen genoemd werd - volgens de reactie:

CaC2(s) + 2 H2O(l) → Ca(OH)2(s) + C2H2(g)
In de onderste erlenmeyer c.q. de reageerbuis reageert ethyn met zilverionen volgens:
2 Ag+(aq) + C2H2(g) → 2 H+(aq) + Ag2C2(s)
Aan dit zilvercarbidemolecuul (Ag-C≡C-Ag) koppelt zich nog een zilvernitraatmolecuul zodat een ietwat stabieler complex ontstaat:
Ag+(aq) + NO3¯(aq) + Ag2C2(s) → Ag2C2·AgNO3(s)
Dit is het knalzilver. Deze "genitreerde" versie van zilver­carbide draagt aldus zelf een oxidator in zich die helpt bij de explosieve ontleding.
Zolang de vaste stof nat is, zal deze niet gemakkelijk ontleden. Maar eenmaal gedroogd is een kleine toename in temperatuur al voldoende om de interne verbranding in gang te zetten. Dit vindt plaats met nauwelijks vuur en rook, maar wel met een bijzonder harde knal. Pas dus op voor je oren. Meer dan 25 milligram tegelijk laten knallen is al flink gevaarlijk!
Het mengen met zand is gedaan opdat het zilvercarbide iets meer verspreid wordt en daardoor minder snel spontaan zal ontploffen.
Na afloop van de proef:

Uiteraard dien je zeer voorzichtig te zijn. De gebruikte spullen zoals kolven, buisjes en trechters die in aanraking zijn geweest met het zilvercarbide, moeten buitengewoon goed gereinigd worden. Achtergebleven restjes, hoe klein ook, kunnen later nog tot explosies leiden.
Voor het maken van knalvuurwerk is dit recept alleen geschikt voor ongelooflijk rijke lieden. Het is erg duur door het zilver(nitraat) dat ervoor nodig is.
Alles kan verder door de gootsteen.

Naschrift:

  1. Praktisch vinden explosieven als deze geen enkele toepassing omdat ze onstabiel en dus voor de gebruiker uiterst gevaarlijk en onbetrouwbaar zijn.
  2. De naam zilveracetylide is eigenlijk gangbaarder dan zilvercarbide dat een analogon is van calciumcarbide.
  3. Je kunt op dezelfde manier acetyliden maken van andere overgangsmetalen die univalente, d.w.z. éénwaardige ionen kunnen vormen bijvoorbeeld Cu-C≡C-Cu.
    Cu staat boven Ag in dezelfde groep. Cu+ heeft dus evenveel elektronen in de buitenste schil als Ag+ maar is iets kleiner. Zie proef 77-A.

Nadere beschouwingen van de M.S.

Bij bovenstaande reactievergelijkingen

1) Je kunt water als een uiterst zwak zuur zien en C22¯ als uiterst sterke base, want ethyn is een (uiterst) zwak zuur. Een H+ per watermolecule gaat naar C22¯ en vormt ethyn. De van water overblijvende OH¯ hecht zich met een neerslagreactie aan Ca2+.
2) Bij de explosieve ontleding van zilvercarbide zelf ontstaan Ag en C; dus geen gassen. Bij die van het "genitreerde" zilvercarbide zijn dat o.a. Ag, N2 en CO2 dus wèl gassen. Daardoor kan de explosie luidruchtiger zijn of lijken.

Zilvernitraat met ammonia troebel en helder

De zilverionen slaan in eerste instantie neer met de OH¯-ionen van de basische ammonia:
Ag+ (aq) + OH¯(aq) → AgOH (s)
Zilverhydroxide (AgOH) is instabiel en reageert normaliter verder door tot zilveroxide, maar nu wordt het door ammoniak gecomplexeerd (zie Binas, tabel 47) zodra de concentratie daarvan hoog genoeg is. Daardoor lost AgOH weer op vóór het doorreageert tot zilveroxide (Ag2O):
AgOH (s) + 2 NH3 (aq) → [Ag(NH3)2]+ (aq) + OH¯ (aq)
Het zilver heeft ruimte vrij in de buitenste schil waar de vrije elektronenparen van de beide NH3-moleculen hun plaats kunnen vinden en een datieve (d.i. "gevende") covalente binding vormen: beide elektronen zijn van NH3 afkomstig, terwijl in een normale covalente binding zoals bijvoorbeeld in H-H, één elektron komt van het ene H-atoom en één van het andere H-atoom.
N heeft 5 elektronen in de buitenste schil; zie Binas, tabel 99: het vereist nog drie elektronen voor­dat de buitenste schil van N vol is: daarmee zal het namelijk de elek­tro­nen­con­figuratie van het edelgas Ne hebben, dus volle schillen.
Met de drie elektronen van de H-atomen zijn er vier elektronenparen: drie voor de NH-bindingen en het vrije elektronenpaar op het N-atoom. Daardoor is NH3 een geschikte ligand: het kan zijn vrije elektronenpaar ter beschikking stellen voor de binding met het centrale ion.
Proef77d.gif
Datieve covalente binding door N.
Zie overigens hoe complexvorming beschreven wordt in proef 44.
Ethyn zonder meer is geen ligand. Van de vier elektronen van elk van beide C-atomen worden er drie gebruikt voor de binding met het andere C-atoom en één voor elk H-atoom. Deze gaan eraf in de vorm van H+-ionen. Hierdoor blijven er twee vrije elektronenparen achter. Het ontstane ethynion is dus wel een ligand. De O-atomen van AgNO3 zijn ook liganden: O heeft 6 elektronen; drie O-atomen en een N-atoom en het extra elektron voor de negatieve lading hebben samen 18 + 5 + 1 = 24 elektronen; dus 12 paren waarvan er 5 voor de twee dubbele en de ene enkele binding in NO3¯  gebruikt worden. Dus zijn er 7 vrije elektronenparen over voor de complex­vorming met de in totaal drie zilverionen.

De concentratie van een vaste stof

De concentratie van een vaste stof is constant. En die van een vloeistof in zichzelf ook. Neem water. Een liter water is 1000 : 18,02 = 55,49 mol. De concentratie van water in water is dus altijd 55,49 mol/L. Het lukt niet om water samen te persen (nou ja misschien op de bodem van de oceaan wel) en het dus geconcentreerder te maken. Door te verhitten zet water iets uit en wordt de [H2O] (concentratie) in water iets kleiner. In waterdamp is de concentratie natuurlijk wel veel kleiner. En in vochtige lucht nog kleiner.
Een vaste stof kun je evenmin samenpersen of (sterk) uit laten zetten. Pas opgelost in een vloeistof kan de concentratie van de vaste stof klein worden. Ook water opgelost in alcohol kan tot een lage waterconcentratie leiden.
Vaste stoffen kunnen wel een groter (buiten)oppervlak krijgen door ze bijvoorbeeld te verpoe­deren. Reacties met een poeder gaan sneller door hun grote raakoppervlak. Gemengd met een andere, inerte, vaste stof als zand hebben de korreltjes onderling echter minder contact.

Klik hier voor een filmpje .WMV of hier .M4V    (9'38").

En hier voor filmpjes op YouTube.