Osynligt bläck

Tillhör kategori: spektrum, ljus och färg

Författare: Lena Ullén

Introduktion Riktlinjer Säkerhet Materiel Förarbete Utförande Förklaring Kemisk bakgrund Fördjupning Litteratur Fler experiment

Irriterande Använd skyddsglasögon 

Tid för förberedelse: 20 minuter

Tid för genomförande: 10 minuter

Antal tillfällen: 1

Säkerhetsfaktor: Utföres med normal varsamhet

Svårighetsgrad: Kräver viss labvana

Introduktion

Först ser man ingenting på papperet, sedan när det fuktas med olika metallsaltlösningar framträder text eller bilder i olika färger. Med olika metallsalter kan man bilda olika komplex som har olika färger beroende på energinivån hos metalljonerna.

Riktlinjer

Försöket kan utföras av läraren eller enskilda elever som ett slags "trolleritrick" för att väcka funderingar kring och illustrera metallers komplexbildning.

Man kan också tänka sig att eleverna får en lösning som de inte vet vad det är i. Med hjälp av ett i förväg preparerat papper ska de med hjälp av färgerna kunna ta reda på vilken lösning de fått.

Säkerhet

Många av kemikalierna i detta försök är inte bra för hälsa och miljö. Försök att hålla koncentrationerna låga och blanda inte mer än vad som går åt. 10-15 ml av varje vätska räcker till flera demonstrationer.

Kaliumhexacyanoferrat Gult blodlutsalt, K4Fe(CN)6·3 H2O, innehåller cyanidjoner. Cyanider bildar stabila komplexa föreningar med många metallsalter. Det är denna förmåga hos cyanidjonerna som ger giftverkan; cyanidjonerna binds till järnatomerna i de proteiner som är väsentliga för cellens energiomsättning (elektrontransport). Cyanidjonerna i det gula blodlutsaltet är dock så starkt komplexbundna till järnjonerna att de inte kan frigöras så lätt. Därför är det gula blodlutsaltet inte heller särskilt giftigt.

Nickel-, koppar-, koboltsalter är klassade som giftiga ämnen.
Mangan- och järnsalter är inte farliga. Om det skulle bli något över av lösningarna av kopparsulfaten, nickelkloriden eller koboltkloriden kan man spara det till kommande försök. Rester av koppar- nickel- och koboltsaslter ska förpackas och märkas väl och lämnas till miljöstationen. (Kopparsulfat kan man i så här låga koncentrationer och små mängder slå ut i slasken utan att det gör någon skada.)

Materiel

Kemikalier

Förarbete

Pensel

  1. Blanda svaga lösningar av de olika metallsalterna. Bläcket, kaliumhexacyanoferrat(II)lösningen, ska ha koncentrationen 2-3%. Framkallningsvätskorna ska ha koncentrationen 3-5%.
  2. Ta en smal pensel eller tandpetare, baksidan av en tändsticka eller dylikt och fukta med "bläcklösningen". Skriv ett meddelande eller rita en figur på ett papper och låt det torka. Det ska inte synas något av det skrivna när lösningen torkat ordentligt. Skriv gärna flera rader eller flera papper så att man kan visa olika framkallningsvätskors verkan/färger.

Utförande

  1. Visa papperet för klassen, konstatera att det inte syns något på det.
  2. Fukta en bomullstuss eller ett hushållspapper med framkallningsvätskan. Man kan också använda en bred pensel.
  3. Texten framträder nästan genast.
  4. Prova med olika framkallningsvätskor för att visa att det blir olika färger.

När man använder kaliumhexacyanoferrat(II)lösning som bläck får man dessa färger med de olika framkallningsvätskorna:

FramkallareFormelFärg
KopparsulfatCuSO4.5 H2OBrun
Järn(II)kloridFeCl2Blå (Berlinerblått)
Nickel(II)kloridNiCl2.6 H2OGrön
Kobolt(II)kloridCoCl2.6 H2OGulgrön
Mangan(II)kloridMnCl2.4 H2O(Färg?)

Variation med "blåkopior"

  1. Dränk in två ritpapper med en 10 % lösning av järn(III)ammoniumcitrat i mörkrum och låt torka.
  2. Gör en teckning på ett OH-papper och kopiera över den på de indränkta pappren genom att lägga OH-pappret över dem och belysa med dagsljus eller en lampa (t ex OH-projektorn).
  3. Framkalla den ena bilden med en lösning av gult blodlutsalt och den andra med en lösning av rött blodlutsalt.

Med gult blodlutsalt får man en blå bild på en vit botten och med rött en vit bild på en blå botten.

Diverse recept på osynligt bläck

Fler recept på osynligt bläck finns på Unga forskares hemsida.

Förklaring

Färg är fysikaliskt sett våglängden av det ljus som träffar hornhinnan. Färgämnen är olika ämnen som har förmåga att absorbera lämplig våglängd så att vårt öga uppfattar färger och förmågan att det ska kunna fästa på olika material, t ex trä, textilier och papper. De vanligaste färgämnena är organisk-kemiska ämnen som innehåller en gruppering av atomer inom vilken elektronerna i molekylen lätt förflyttas.

Prisma När färgämnet träffas av ljus absorberas en del av ljuset och energinivån för vissa elektroner i molekylen höjs. Det är när dessa elektroner "faller tillbaks" till sin normala energinivå som vi uppfattar olika färger. Dessa reaktioner är oftast momentana.

Ett ämne i en viss färg absorberar ljus av sin komplementfärg, ett blått ämne absorberar gult ljus och ett gult ämne blått ljus etc.

Kemisk bakgrund

Vy för utskrift av kemisk bakgrund och fördjupning

Som "bläck" i detta försök har används gult blodlutsalt, kaliumhexacyanoferrat(II) (eller ferrocyankalium), med formeln K4Fe(CN)6. Gult blodlutsalt bildas då man upphettar organiskt kvävehaltigt material, som torkat blod och slakteriavfall, med järnskrot och kaliumkarbonat, urlakar med vatten, filtrerar och indunstar. Om man oxiderar det gula blodlutsaltet (anodiskt eller med klor) får man rött blodlutsalt, kaliumhexacyanoferrat(III) (eller ferricyankalium), med formeln K3Fe(CN)6.

Om gult blodlutsalt får reagera med järn(III)joner bildas ett blått färgämne som kallas berlinerblått. Samma resultat får man om man tar gult blodlutsalt och järn(II)joner, men då oxideras komplexet av luftens syre för att få den blå färgen. Om rött blodlutsalt reagerar med järn(II)klorid får man samma blå färg men den kallas turnbulls blått [1]. Förr trodde man att det var olika sorters blå färger man framställt på detta vis, så man gav dem olika namn, men i själva verket är det samma ämne bara olika framställningssätt. Ytterligare ett namn på samma ämne är preussiskt blått.

Formeln för berlinerblått är Fe3+(Fe(II)Fe(III)(CN)6)3-. Berlinerblått är det färgämne som bildas vid blåkopiering. Blåkopieringspapper är impregnerade med en lösning av rött blodlutsalt och järn(III)ammoniumcitrat (eller -acetat). Papperet belyses under 5 till 10 minuter med dagsljus genom en tuschteckning på genomskinligt material och läggs sedan i vatten. Järn(III)jonerna i citratet reduceras av ljuset till järn(II)joner som med det röda blodlutsaltet ger en mörkblå fällning av färgämnet berlinerblått och man får en vit teckning på blå botten [2].

Berlinerblått (Giesesalt) används även i saltstenar (blåstenar) för att reducera halten av Cesium-137 i vilt.

Cyanider är en klass med mycket giftiga salter som har fått sitt namn av grekiskans kyanos som betyder mörkblå. Cyanider bildar stabila komplexa föreningar med många metallsalter. Det är denna förmåga hos cyanidjonerna som ger giftverkan; cyanidjonerna binds till järnatomerna i de proteiner som är väsentliga för cellens energiomsättning (elektrontransport). En annan koordinationsförening med järn är berlinerblått, som gett vätecyaniden namnet blåsyra [3].

Vätecyanid måste hanteras med största varsamhet eftersom den är extremt giftig Frätande och dessutom lättantändlig Brandfarlig. Vätecyanid kan även bildas ur saltet kaliumcyanid om det kommer i kontakt med en syra. I experimentet uppstår dock inte vätecyanid.

Fördjupning

Hydratiserade joner

Ett ovanligt, men korrekt namn för vatten, är diväteoxid. Vatten är ett av de allra viktigaste ämnena. Det är en av huvudbeståndsdelarna i de levande organismerna och i deras omgivning. En mycket stor del av de kemiska reaktionerna på jordytan sker i vattenlösning och detta gäller inte minst livsprocesserna. Vatten är också det oftast använda lösningsmedlet.

Exempel på hur joner är hydratiserade,
dvs. omges av skal av vattenmolekyler.
Bild: © Svante Åberg

Vattenmolekyler är dipoler och bildar jon-dipolbindning i saltlösningar. Dipolen vänder sig så att den laddning som är motsatt jonens kommer närmast jonen eftersom det är den del som attraheras starkast. På grund av närheten till jonen är attraktionen av den motsatta laddningen starkare är repulsionen av laddningen med lika tecken som jonen. Därför blir det en nettoattraktion mellan jonen och dipolen.

Eftersom dipolmolekylen som helhet är elektriskt neutral får det bildade komplexet samma laddning som den enkla jonen. Eftersom det finns plats för flera vattenmolekyler kring varje jon, så omges jonerna av ett skal av vattenmolekyler. Man säger att jonerna är hydratiserade och bildar akvajoner (akvajon = jon som bundit vatten som ligander; ligand = molekyl som binds till centralatomen).

Bindningsenergin för jon-dipolbindning är alltid mycket mindre än för jon-jonbindning. När avståndet ökar, går också attraktionsenergin för den förra bindningstypen snabbare mot noll än för den senare typen. De första dipolmolekylerna som binds till en jon attraheras naturligtvis tills de kommer i kontakt med jonen. Härigenom bildas en inre sfär ("skal") av bundna ligander. Om ligander finns i tillräcklig mängd (t.ex. om jonen befinner sig i en lösning där lösningsmedlet utgörs av ligandmolekyler), binds de ofta även i ett eller flera yttre skal. Jonen kommer då att omges av ett moln av ligander som åtminstone i sina yttre delar är ganska odefinierat. Bindningsstyrkan för liganderna avtar med avståndet från centralatomen.

Den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna

Den nakna metalljonen är ungefär lika stor som en vattenmolekyl. Men den hydratiserade jonen är mycket större än vattenmolekylerna.

Den hydratiserade jonen fungerar som en stor partikel. Det medför att de hydratiserade jonerna inte kan passera genom semipermeabla (halvgenomsläppliga) membran. Däremot kan de fria vattenmolekylerna passera genom det semipermeabla membranet. Detta sker till exempel vid dialys. Ett annat exempel är när dricksvatten framställs ur havsvatten med omvänd osmos. Genom högt tryck tvingar man vattenmolekylerna att passera genom membranet, men de hydratiserade saltjonerna hindras. På andra sidan membranet kommer då ut rent vatten.

Koordinationskomplex

Kring en centralatom eller jon, ofta en metalljon, binds ofta molekyler eller joner som finns i den omgivande lösningen. Till exempel har man i en lösning med koppar(II)klorid kopparjoner (Cu2+) som binder ett antal kloridjoner (Cl). Utrymmet närmast kopparjonen är begränsat. Därför ryms det upp till 4 kloridjoner kring kopparjonen. Ett sådant komplex kallas koordinationskomplex och de partiklar som binds till centralatomen/jonen kallas ligander. Kloridjonen är alltså ligand.

Det finns många möjliga ligander. Ofta är lösnlingsmedelsmolekylerna ligander eftersom de är så vanliga i lösningen. Vatten (H2O) binds ofta till centraljonen och bildar ett hydratiseringsskal kring jonen. Utöver vatten (H2O) och klorid (Cl), så är ammoniak (NH3), hydroxid (OH), cyanid (CN), oxalat (COO)22- exempel på några ligander.

Koncentrationen påverkar hur många ligander som binds

Koncentrationen av de partiklar som kan fungera som ligander påverkar hur många ligander som i genomsnitt binds till centralatomerna. I en mycket utspädd lösning av kopparklorid (CuCl2) är kloridjonerna mycket ovanliga, men molekylerna av lösningsmedlet (H2O) mycket vanliga. Chansen för kopparjonen att hitta en kloridjon är därför liten. I stället binder kopparjonen vattenmolekyler som ligander och koordinationskomplexet blir [Cu(H2O)6]2+. Det ryms alltså 6 vattenmolekyler kring den centrala kopparjonen. Koordinationstalet är alltså 6 för vatten kring kopparjonen.

När koppar(II)kloriden späds med vatten byts kloridliganderna ut mot vatten och färgen övergår från grönt till blått.
Bild: CC

Om koncentrationen av kopparklorid ökar, så blir kloridjonerna vanligare. Då blir det också vanligare att kopparjoner binder en kloridjon så att koordinationskomplexet [CuCl]+ bildas. Formeln anger inte antalet vatten som också koordinerar till kopparjonen, men det finns också vattenmolekyler som binder. Därför är en mer komplett formel för komplexet [CuCl(H2O)5]+ om koordinationstalet fortfarande är 6. En kloridjon har ersatt en vattenmolekyl. På grund av kloridjonens minusladdning är komplexets laddning bara +, inte 2+ som det rena akvakomplexet hade.

Vid ytterligare högre koncentration av kopparkloriden ökar antalet kloridjoner som ligander. Som mest binder 4 kloridjoner till den centrala kopparjonen. Koordinationstalet har därför minskat från 6 till 4. Kloridjonerna är nämligen mer skrymmande (c:a 3.62 Å diameter) än vattenmolekylerna (c:a 2.75 Å diameter). Formeln för komplexet blir [CuCl4]2–, eller helt enkelt CuCl42–.

Akvakomplexet för koppar är vackert blått, men kloridkomplexet går mera i grönt. Om du har saltet koppar(II)klorid och tillsätter lite vatten i taget för att lösa saltet, så får du först den vackert gröna färgen för kloridkomplexet. Så småningom övergår färgen till blått när lösningen blir mera utspädd.

Oladdade komplex har lägre löslighet i vatten

En intressant sak är att lösligheten i vatten för komplex minskar drastiskt när komplexet är oladdat. När den tvåvärda kopparjonen koordinerar två stycken av de envärda kloridjonerna, så blir totalladdningen noll, dvs.
Cu2+ + 2 Cl ⇄ CuCl2

Lösligheten följer principen ”lika löser lika”. Eftersom vatten är ett starkt polärt ämne, så löser sig joner i vattnet lättare än oladdade partiklar.

Litteratur

  1. Pauling Linus, Allmän kemi, 1952, s 475, Almqist & Wiksells Hugo Gebers förlag, Uppsala.
  2. K. Dihlström, I. Bolin och B. Gustaver, Den oorganiska kemin, 1969, s 480, Svenska utbildningsförlaget Liber AB, Stockholm.
  3. Uppslagsord: "cyanider", "färg" och "färgämne" i FOCUS uppslagsverk, 1986, Esselte Focus uppslagsböcker AB, Stockholm.
  4. Invisible Ink, Wikipedia
    http://en.wikipedia.org/wiki/Invisible_ink (2007-09-25)
  5. Invisible Inks, MaxMax
    http://www.maxmax.com/aUVInvisbleInks.htm (2004-06-15)
  6. Black Light Ink, Howstuffworks
    http://science.howstuffworks.com/black-light2.htm (2007-09-25)
  7. Radiocesium i skogen, Sveriges Lantbruksuniversitet (SLU)
    http://www.mv.slu.se/ma/radio/radio/skog.htm (2003-05-22)
  8. Aktivitetsboken, Förbundet unga forskare
    http://www2.fuf.org/content/download/859/6231/file/Aktivitetsboken%20v2.pdf (2007-09-25)

Fler experiment


spektrum, ljus och färg
Blå himmel och röd solnedgång
Cyanotypi - den gammeldags blåkopian
Dokumentäkta bläck ur te
Ett lysande experiment - Kemiluminiscens
Falu rödfärgspigment ur järnvitriol
Framkalla fotopapper
Färga ullgarn med svampar
Färgämnen i M&M
Gör din egen limfärg
Klorofyllets röda fluorescens
Pelargonens färg
Regnbågens färger med Rödkåls-indikator
Se genom papper
Tillverka Falu rödfärg enligt gammalt recept
Tillverka fotopapper
Varför färgas textiler olika?
Växtfärga med rödbetor enligt receptet från Västerbotten