91. Lüktető higanyszív
Szükséges anyagok és összetevőik:
Nincs a kísérlethez hozzárendelve kapcsolódó alapanyag és összetevő.
A higany ritmikus mozgásba jön egy elektrokémiai reakcióban.
Anyagok: kénsavoldat, kálium-dikromát-oldat, higany.
Eszközök: vasszög vagy acéltű, nagyobb óraüveg, cseppentő, írásvetítő.
A kísérlet végrehajtása: Egy nagyobb higanycseppet helyezzünk óraüvegre, öntsünk hozzá kb. 6 mol/dm3 koncentrációjú kénsavoldatot. Adjunk hozzá néhány cm3, kb. 0,1 mol/dm3 koncentrációjú kálium-dikromát-oldatot, amíg az oldat halványssárga lesz. A vasszöget úgy helyezzük el, hogy a hegye éppen érintse a higanycseppet. Ha a csepp elkezd pulzálni, adjunk még hozzá kb. 0,5 cm3 koncentrált kénsavat.
Tapasztalat: A higanycsepp ritmikus mozgásba jön, "lüktet", az ütések során háromszög, majd újra gömbalakot vesz fel. Az alakváltozás ritmikusan ismétlődik.
Magyarázat: A higanycsepp alakját a felületi feszültséggel összefüggésben a felületi töltés nagysága szabja meg. Akkor a legnagyobb a felületi feszültség, amikor a legkisebb (nulla) a felületi töltés, míg bármilyen előjelű töltésnövekedés csökkenti azt. A felületi feszültség növekedésével a higanycsepp összehúzódik, a legkisebb felület elérésére törekszik. Ha felületen töltés jelenik meg, akkor a taszítóerők következtében a minél nagyobb felület elérése a cél, így a higanycsepp ellaposodik. A töltések elektrokémiai reakciókban keletkeznek a higanycsepp felületén: 6 Hg + Cr2O72- + 14 H+ = 3 Hg22+ + 2 Cr3+ + 7 H2O. Kénsavas közegben Hg2SO4 csapadékréteg keletkezik a higany felszínén, amely a további oxidációt meggátolja. A vasszög többféle módon oxidálódhat. Egyrészt kénsavas közegben hidrogénfejlődés következtében oldódik (Fe + 2 H+ = Fe2+ + H2↑), másrészt a dikromát ion a vasat ill. a vas(II)-ionokat képes oxidálni: 2 Fe + Cr2O72- + 14 H+ = 2 Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O ill. 6 Fe2+ + Cr2O72- + 14 H+ = 6 Fe3+ + 2 Cr3+ + 7 H2O. Ezek az oxidációs folyamatoik igen gyorsak, a vasszög felületén elektronok halmozódnak fel, amelyek a higannyal érintkezve átugranak a higanycseppre, ott redukálják a higany(I)-ionokat fémhigannyá. Ekkor a higany pozitív töltése csökken, a felületi feszültség nő, a csepp összehúzódik. Az erősen oxidáló közegben a folyamat kezdődik előlről. A jelenséget, amely egy összetett elektrokémia folyamatot mutat be, Alessandro Volta, William Henry, Johann Wilhelm Ritter (és később Friedlieb Ferdinand Runge) már több, mint kétszáz évvel ezelőtt leírta. A kísérlet kb. 30%-os (m/m) kénsavval is elvégezhető és írásvetítőn bemutathatjuk. A számos változat közül egy újabb a kálium-dikromát helyett hidrogén-peroxidot alkalmaz oxidálószerként.
Biztonsági tudnivalók és hulladékkezelés: A tömény kénsavval óvatosan bánjunk! A higany az oldat leitatása után ismét felhasználható. A kénsavas dikromát-oldatot a veszélyes hulladékok között gyűjtsük.