Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gemaakt

Alles over zouten, katalysatoren, reductie-/oxidatiereacties, neerslagreacties. Discussies over niet-ionische verbindingen horen thuis in "organische chemie".
Post Reply
User avatar
woelen
IJzer
Posts: 1298
Joined: 13 Jan 2009, 20:05
Chemistry interests: --------------
Location: Groningen
Contact:

Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gemaakt

Post by woelen » 13 Aug 2014, 22:09

Ik heb zojuist een mooi sample lithium metaal gekocht via eBay (echt heel fraai spul zonder oxidelaag): http://www.ebay.nl/itm/281364082120?ssP ... 1497.l2649.
De foto van het oxidevrije materiaal is niet overdreven, zo ziet mijn lithium er ook uit.

Ik heb een stukje van dit lithium (ca. 8 mm lang, ca. 3.5 mm doorsnee) toegevoegd aan een paar ml ethyleen diamine. In eerste instantie geeft dit een heel trage reactie waarbij waterstof wordt gevormd, maar op een gegeven moment houdt dat op en wordt de vloeistof blauw. Uiteindelijk na een minuut of 10 is de vloeistof echt ontzettend diep blauw gekleurd. Schud je de reageerbuis met die diepblauwe vloeistof, dan blijft er een prachtige blauwe laag achter op het glas van de reageerbuis, maar het meest bijzondere is dat binnen een paar seconden die blauwe kleur weer verdwijnt en er een kleurloos, ietwat troebel/wit, laagje achterblijft. Op deze manier kun je minutenlang schudden, een mooie blauwe kleur krijgen welke snel weer verdwijnt. Echt een heel apart gezicht, het lijkt wel magie om die diepblauwe kleur zomaar binnen een paar seconden te zien verdwijnen. Na een paar minuten wordt de blauwe vloeistof bijna zwart, de concentratie e- loopt op als meer lithium oplost. De vloeistof aan het glas verkleurt dan niet meer van blauw naar kleurloos, maar van blauw naar geel.

De reactie die je krijgt is echt heel bijzonder:

Li --> Li+ + e-

Dit is geen halfreactie, het electron blijft als vrij ion in oplossing. Je krijgt dus een oplossing met lithium ionen (welke kleurloos zijn) en met vrije electronen (welke intens blauw zijn). Deze ionen zijn uiteraard omgeven door moleculen ethyleendiamine, dus eigenlijk heb je complexen in oplossing, nl. Li(en)+ en e(en)-.

Het verdwijnen van de blauwe kleur komt doordat e- reageert met zuurstof uit de lucht:

e- + O2 --> O2 (het laatste is het superoxide ion). De kleur van dit ion is oranje en in verdunning is dit geel. Ook dit kun je op een gegeven moment zien, omdat de vloeistof aan het glas niet meer helemaal kleurloos wordt, maar geel. Het superoxide ion is instabiel en reageert gemakkelijk verder met meer e- tot peroxide ion en uiteindelijk tot twee oxide ionen.

Ook heel leuk is het druppelen van de diepblauwe, bijna zwarte, vloeistof in een bak met water. Zodra zo'n druppel het wateroppervlak raakt verdwijnt de bijna zwarte kleur en wordt het geheel kleurloos en helder. Het ethyleendiamine lost op en de electronen reageren met water als volgt:

e- + H2O --> OH- + H∙

Twee H∙ combineren vervolgens tot H2.

Als je ethyleendiamine hebt en lithium metaal in de vorm van een klein stukje (grootte van een erwt), dan moet je dit experiment zeker eens doen. Let wel op met ethyleendiamine. Het moet puur zijn en dat is redelijk vervelend spul, het nevelt aan de lucht en heeft een prikkelende ammoniakachtige geur (hoewel het minder irriterend is dan sterke 25% ammonia is het toch nog steeds vervelend spul om in te ademen).

Binnenkort herhaal ik dit proefje nog wel een keer en dan maak ik foto's en filmpjes en voeg ik dit toe aan mijn website. Dit lijkt mij ook een heel leuk experiment als demo in een chemieles voor het VWO om eens een keer iets speciaals als vrije gesolvateerde electronen te demonstreren.
Last edited by woelen on 14 Aug 2014, 19:46, edited 1 time in total.
The art of wondering makes life worth living...
Want to wonder? http://www.oelen.net/science

User avatar
Ilmenite
Helium
Posts: 49
Joined: 01 Feb 2013, 16:15
Chemistry interests: Analytical
Location: Hilversum
Contact:

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by Ilmenite » 14 Aug 2014, 15:25

Bijzonder. Ik wist niet dat elektronen op die manier 'zichtbaar' gemaakt konden worden.
Ik ben benieuwd naar de foto's. Ik heb zelf helaas geen lithium tot mijn beschikking.
Daniëlle, 22 jaar oud, Technisch Onderwijsassistent Scheikunde, achtergrond MLO Analytische Chemie.

User avatar
Wouter
Krypton
Posts: 1979
Joined: 02 Aug 2008, 01:47
Chemistry interests: Organic
Location: Groesbeek, Gelderland
Contact:

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by Wouter » 14 Aug 2014, 17:27

Ik wilde eigenlijk zeggen dat ik niet weet of je mag zeggen dat er vrije elektronen in oplossing zijn, ik dacht dat er een zout gevormd werd, maar Wikipedia geeft wat meer uitleg over de complexen waar je het over hebt. Het is bijzonder dat deze complexen in dit milieu bestaan kunnen; in vaste vorm zijn ze zeer onstabiel! De reactie is dezelfde als die van vloeibare ammoniak en natrium, om natriumamide te vormen. Deze reagentia worden gebruikt als zeer sterke reductoren en/of zeer sterke nucleofielen. Zie ook Birch reductie, of de synthese van alkynen uit alkenen via het dihalide.

Sommige van deze reagentia zijn te koop: LDA, LiNH2, LiHMDS etc. Dit reagens dat jij hebt gemaakt niet: http://www.sigmaaldrich.com/catalog/pro ... &region=NL.

Leuk experiment! Hier ligt een mooi overgangsgebied van anorganische en organische chemie.
Organisch chemicus

spidey
Kobalt
Posts: 1367
Joined: 16 Jan 2009, 23:58
Chemistry interests: Inorganic
Location: Amsterdam

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by spidey » 18 Aug 2014, 13:53

Altijd weer fascinerend wat voor dingen je allemaal thuis kunt doen. Dank voor de beschrijving, woelen! Deze mag zeker op de lijst van zeer originele experimenten. Net als Wouter was mij de reactie met vloeibare ammoniak bekend, maar niet dat je bij kamertemperatuur een vergelijkbare reactie kunt uitvoeren.

User avatar
woelen
IJzer
Posts: 1298
Joined: 13 Jan 2009, 20:05
Chemistry interests: --------------
Location: Groningen
Contact:

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by woelen » 23 Aug 2014, 23:17

Ik heb van dit experiment ook een webpagina gemaakt:

http://woelen.homescience.net/science/c ... index.html.
The art of wondering makes life worth living...
Want to wonder? http://www.oelen.net/science

User avatar
Z4x
Gallium
Posts: 1596
Joined: 03 Aug 2009, 15:29
Chemistry interests: Overall
Location: Grunn

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by Z4x » 24 Aug 2014, 19:44

Bedankt voor de webpagina, leuk om te lezen. Toch kriebelt het een beetje, hoe zeker weet je dat het 'opgeloste electronen' zijn? Zou er een simpele manier zijn om dit te kunnen aantonen? Paar simpele elektrodes met afstandhouder en een ledje waarmee je kan zien dat de oplossing sneller weer transparant wordt ( < vier seconden )?
De kunst is om te blijven oefenen, oefenen en oefenen...

User avatar
woelen
IJzer
Posts: 1298
Joined: 13 Jan 2009, 20:05
Chemistry interests: --------------
Location: Groningen
Contact:

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by woelen » 25 Aug 2014, 11:23

Helaas kun je dit niet zo makkelijk aantonen als hobbychemicus. Ik weet echter wel vrij zeker dat het om vrije electronen gaat, omdat dit fenomeen goed beschreven is in de literatuur en het bekend is dat deze ontstaan in ammoniak en amines (afgeleid van ammoniak). De diepblauwe kleur komt ook overeen met de literatuur en met foto's die ik op internet heb gezien. Er zijn ook geen andere denkbare stoffen die zomaar een diepblauwe kleur kunnen geven met alleen een amine en een alkalimetaal als uitgangsstoffen. De metaalionen zijn kleurloos en eventueel afgeleide ionen van amines (NH2(-) of daarvan afgeleide amides RNH(-)) zijn ook kleurloos.

Op zich is jouw opmerking wel terecht en ik zal dus nog even een literatuurverwijzing toevoegen aan het eind van de pagina om ondersteuning te geven voor wat ik schrijf in de pagina.

Jij schrijft over twee electroden en een LED er tussen om te zien of er een stroom loopt, maar dat kun je niet zomaar doen. De oplossing is NIET electrisch geladen, ondanks de vrije electronen! Voor ieder vrij electron is er nl. ook een positief geladen ion Li(+) en de netto lading van het geheel is dus 0.

Wat misschien wel een interessant experiment zou zijn is om een geleidende oplossing te maken van een in ethyleendiamine oplosbaar zout met niet reduceerbare ionen en daar een stroom door te leiden. Onder de juiste condities en met het juiste electrodemateriaal zou je misschien aan de min-pool vrije electronen in oplossing zien verschijnen (blauwkleuring). Je moet dan wel op de één of andere manier voorkomen dat de vloeistof rond de anode niet mengt met de vloeistof rond de kathode en je moet dan ook uitgaan van heel goed gedroogd ethyleendiamine waar ook alle opgeloste lucht uit verdreven is. In de praktijk denk ik nog niet zo eenvoudig uitvoerbaar in een eenvoudig thuislabje.
The art of wondering makes life worth living...
Want to wonder? http://www.oelen.net/science

User avatar
Z4x
Gallium
Posts: 1596
Joined: 03 Aug 2009, 15:29
Chemistry interests: Overall
Location: Grunn

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by Z4x » 27 Aug 2014, 13:12

Is er ook iets te vinden in de literatuur over de hoeveelheid elektronen? Ik ben wel benieuwd bij hoeveel elektronen je een waarneembaar blauwe kleur krijgt. Is dat bij duizenden, miljoenen, miljarden?
De kunst is om te blijven oefenen, oefenen en oefenen...

User avatar
woelen
IJzer
Posts: 1298
Joined: 13 Jan 2009, 20:05
Chemistry interests: --------------
Location: Groningen
Contact:

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by woelen » 27 Aug 2014, 13:53

Zeker is er bekend wat voor concentraties er zijn. Het gaat om enkele mmol/l voor een diepblauwe kleur. De kleur is behoorlijk intens. Bij een concentratie van ca. 0.05 mol/l krijg je volgens de literatuur een transitie naar een metaalachtige bindingsvorm. Er ontstaat dan een zgn. "electronenzee" waarin de electronen vrijelijk kunnen bewegen. Dit proces is compleet bij pakweg 0.1 mol/l. De vloeistof wordt dan bronskleurig i.p.v. blauw en geleidt net zo goed als een metaal. De geleiding wordt dan veroorzaakt door vrij bewegende electronen door de electronenzee en is niet meer afhankelijk van de mobiliteit van het positief geladen tegen-ion, zoals Li(+) of Na(+).

In ethyleendiamine krijg je dit niet voor elkaar, Lithium electride is niet voldoende oplosbaar om een concentratie van 0,05 mol/l te bereiken. Bedenk wel, een concentratie van 0,05 mol/l is nogal laag, dat is slechts 0,35 gram lithium per liter.

Als je dit wilt uitdrukken in aantallen, 1 mol is ca. 6,02*10²³. Mijn oplossingen zullen wel ergens in de grootte orde van 1 mmol/l zijn, dus pakweg 6*10²⁰. Ik heb niet 1 liter, maar anderhalf tot twee ml in die reageerbuis, dus je moet nog een keer met 0,0015 ... 0,002 vermenigvuldigen. In totaal kom je dan, zeer ruw geschat, op pakweg 10¹⁸ electronen, oftewel een miljard maal een miljard electronen in dat kleine beetje vloeistof dat ik in die reageerbuis heb. Dit klinkt heel veel, maar het is slechts heel weinig. Uitgedrukt in grammen lithium die hiervoor nodig zijn praat je over maar iets van 10 microgram aan lithium en een paar nanogram aan vrije electronen. Het stukje lithium dat ik toegevoegd had was dan ook nauwelijks opgelost. Toen ik het uit de reageerbuis schudde (zie video in webpagina), toen had ik nog bijna het hele stuk.

In chemische reacties waarbij die electronen als reductor worden gebruikt is de lage concentratie wel handig. De reactie verloopt mooi rustig en iedere keer als de electronen worden weggenomen en het lithium als een gewoon lithoumzout neerslaat kan er weer nieuw lithium oplossen en nieuwe vrije electronen geven. Ik verwacht dan ook dat bijv. een Birch reductie mooi rustig zal verlopen en dat je door rustig te roeren langzaam alle lithium laat oplossen en de resulterende vrije electronen weg laat reageren. Zelf heb ik dit echter niet gedaan.
The art of wondering makes life worth living...
Want to wonder? http://www.oelen.net/science

User avatar
Z4x
Gallium
Posts: 1596
Joined: 03 Aug 2009, 15:29
Chemistry interests: Overall
Location: Grunn

Re: Experiment waarin opgeloste electronen kunnen worden gem

Post by Z4x » 27 Aug 2014, 14:48

Interessant dat de bronskleurige vloeistof zo goed kan geleiden als een metaal en dat terwijl er maar heel weinig metaal 'in zit'. Bevat de literatuur ook verwijzingen naar mogelijke toepassingen van deze vloeistof? Misschien gigantische stroomkabels? Supergeleiding bij extreem lage temperaturen?

Is het een idee voor een vervolgproef de lithium als elektrode te gebruiken (samen met elektrode van platina) zodat je met een kleine spanning de vorming van Li(+) en e(-) kan versnellen/forceren? Mogelijkerwijs kan er ook een zichtbaar pad ontstaan waar de elektronen langs gaan om de andere elektrode te bereiken. Lithium is wel een zacht materiaal en nogal reactief, dus dat kan nog moeilijk worden om daar een elektrode van te maken....of heel simpel gewoon een platina elektrode in de lithium prikken? Zoals een kaasblokje. :)

Aangezien de elektronen geladen deeltjes zijn die bewegen zou je ze ook met een magnetisch veld kunnen beïnvloeden. Misschien dat een sterke neodymiummagneet zichtbaar effect heeft? Aan de andere kant, de elektronen bewegen heel langzaam en dan zal de Lorentzkracht klein zijn. In combinatie met een spanning tussen de lithium (als elektrode) en een platina-elektrode kan er mogelijk wel een zichtbaar effect ontstaan (in combinatie met twee neodymiummagneet die een homogeen magneetveld maken).
De kunst is om te blijven oefenen, oefenen en oefenen...

Post Reply

Who is online

Users browsing this forum: No registered users and 1 guest