Странные приборы, фантастические изобретения
Почему одни предметы плавают, а другие тонут? Знакомый каждому школьнику закон Архимеда подсказывает, что тонут те предметы, которые обладают большей плотностью, чем жидкость. Это утверждение справедливо, если, кроме силы тяжести и выталкивающей архимедовой силы, на тело не действуют никакие другие силы (вроде поверхностного натяжения, гидродинамической подъемной силы и т. п.). На за коне Архимеда основано применение плотномеров (ареометров), которые при погружении в жидкость позволяют мгновенно определить её плотность.
Вместо плотномеров можно использовать кристаллы медного купороса CuSO4∙5Н2О. Это даст возможность сравнивать плотность бензина, керосина, масла и любой другой жидкости, не растворяющей купорос, с его плотностью, равной 2,3 г/см3 — смотря по тому, плавают кристаллы в жидкости или тонут.
Концентрированная серная кислота H2SO4 не растворяет кристаллы медного купороса, но при ее участии происходят странные события. Если пробирку или химический стакан наполнить на половину объема концентрированной серной кислотой, а потом бросить туда 2—3 синих кристалла медного купороса, то сначала кристаллы будут плавать на поверхности кислоты, а потом начнут обесцвечиваться и опускаться на дно.
Концентрированная серная кислота обладает феноменальной способностью поглощать влагу, она может отрывать молекулы воды от многих соединений и образовывать гидраты, в которых на одну молекулу H2SO4 будут приходиться одна, две, три, четыре и даже шесть молекул воды.
Обесцвечивание кристаллов пентагидрата сульфата меди(II) вызвано тем, что серная кислота отнимает входящие в его состав молекулы воды:
CuSO4∙5Н20 + 5H2SO4 = CuSO4 + 5(H2SO4∙Н2О),
вследствие чего плотность соли возрастает (плотность безводного CuSO4 равна 3,6 г/см3); в то же время плотность самой серной кислоты, поглотившей воду, уменьшается. Поэтому и тонут кристаллы безводного и бесцветного CuSO4.
Плотность CuSO4∙5Н2О равна 2,3 г/см3, а концентрированной серной кислоты — несколько меньше: 1,84 г/ см3. Синие кристаллы не тонут потому, что в процессе их обезвоживания выделяется так много теплоты, что часть воды превращается в пар, образующий под кристаллами паровую «подушку», которая и поддерживает их на плаву.
Наверное, вы знаете, как по поведению лягушек можно определить погоду. В сухую погоду, с уменьшением влажности воздуха, лягушки сидят в воде и на дорожках сада их не увидишь. Кожа лягушки очень легко теряет влагу и не терпит высушивания. Наоборот, при повышенной влажности воздуха, перед дождем квакушки выбираются из воды и скачут в траве.
Предсказывать погоду можно и с помощью химического барометра, или «штормгласса». Растворяют в 19,5 мл этилового спирта С2Н5ОН 4,4 г камфары и добавляют заранее приготовленный раствор 2,3 г нитрата натрия NaNO3 и 2,3 г хлорида аммония NH4C1 в 16 мл воды. Смесь тут же замутится, образуются белые хлопья; ее несколько минут встряхивают или перемешивают, а потом заполняют ею на 4/5 высоты стеклянную пробирку или мерный цилиндр с пробкой и герметично закупоривают (можно даже залить пробку расплавленным парафином).
При хорошей погоде жидкость в пробирке чистая и прозрачная, а осадок находится на дне. Если надвигается дождь, осадок медленно поднимается кверху, в растворе появляются маленькие звездчатые кристаллики. При похолодании происходит образование игольчатых кристаллов. Если предстоит буря, жидкость «вскипает», поднимая кристаллы камфоры до самого верха.
Причудливое поведение кристаллов камфары в этих устройствах приписывают изменениям электромагнитного поля Земли, однако строго научного объяснения действия «химического барометра» пока не найдено.
Гигрометр — это прибор для определения влажности воздуха. Он тоже помогает предсказывать погоду: ведь когда влажность воздуха увеличивается, то жди дождя. Такой прибор изготовить до смешного просто. Конечно, он будет примитивным и количественных показателей не даст.
Широкую стеклянную трубку диаметром 2—3 см закрывают с одной стороны пробкой, к которой внутри трубки на проволочке прикрепляют полоску фильтровальной бумаги, смоченной водным раствором хлорида кобальта и высушенной на воздухе. Трубку подвешивают на наружную стену дома пробкой вверх. Чем больше влажность воздуха, тем ярче розовая окраска бумаги; в сухом воздухе бумага обесцвечивается и даже синеет.
Гексагидрат хлорида кобальта(II) СоС12∙6Н2О — это соединение, в котором вся вода связана в виде аквакомплекса [Со(Н20)6]2+. Изменение цвета хлорида кобальта связано с потерей части воды, входящей в состав аквакатиона кобальта. При этом хлорид гексааквакобальта(II) синеет, а при поглощении влаги, наоборот, розовеет:
[Со(Н20)6]С12 → [Со(Н20)4]С12 + 2H2O
розовый голубой
Семь рецептов “секретных” чернил
Приходится признать, что некоторые виды «особенных» чернил давно уже исчезли из употребления и остались достоянием истории секретной переписки. Попробуем заглянуть на её страницы.
«Во время обыска квартиры Б. Савинкова я случайно поставил стакан с горячим чаем на обычное письмо. Когда поднял стакан, то под ним увидел проступающие между строчек письма буквы» — так писал в своем донесении некий жандармский капитан.
Для такого рода тайнописи существует много способов, и все они используют секретные, или симпатические, чернила — бесцветные пли слегка окрашенные жидкости. Написанные ими послания становятся видимыми только после нагревания, обработки специальными реактивами или в ультрафиолетовых либо инфракрасных лучах. Известно немало рецептом подобных чернил. Приведем некоторые из них.
Тайные агенты Ивана Грозного писали свои донесения луковым соком. Буквы становились видимыми при нагревании бумаги. Ленин использовал для тайнописи сок лимона или молоко. Для проявления письма в этих случаях достаточно прогладить бумагу горячим утюгом или подержать ее несколько минут над огнем.
Знаменитая шпионка Мата Хари тоже использовала секретные чернила. Когда она была арестована и Париже в 1917г., в ее гостиничном номере нашли пузырек с водным раствором хлорида кобальта(II), что и стало одной из улик при разоблачении ее шпионской деятельности. Буквы, написанные раствором хлорида кобальта(II) СоС12, содержащим в 25 мл воды 1 г соли, совершенно невидимы и проявляются, делаясь синими, при легком нагревании бумаги.
Секретные чернила широко применялись и в России революционерами-подпольщиками. В 1878 г. Вера Засулич стреляла в петербургского градоначальника Трепова. Судом присяжных Засулич была оправдана, но жандармы пытались снова арестовать ее при выходе из здания суда. Однако ей удалось скрыться, сообщив заранее своим друзьям о плане побега по окончании суда при любом его решении. Записка с просьбой принести кое-что из одежды содержала на обратной стороне листка информацию, написанную водным раствором хлорида железа(III) FeCl3. Засулич принимала это вещество как лекарство.
Такую записку можно прочесть, обработав ее ватным тампоном, смоченным водным раствором тиоцианата калия: все невидимые буквы станут кроваво-красными из-за образования комплекса — тритиоцианатотриакважелеза(III).
Члены российской тайной организации «Черный передел» тоже использовали в переписке невидимые чернила. Тайные письма были написаны разбавленным водным раствором медного купороса. Проявлялся такой текст, если бумагу держали над склянкой с нашатырным спиртом — водным раствором аммиака. Буквы окрашиваются в ярко-синий цвет из-за образования аммиачного комплекса состава [Cu(NH3)4]SO4.
Китайский император Цин Шихуанди (249—206 гг. до н. э.), во время правления которого появилась Великая Китайская стена, использовал для своих тайных писем густой рисовый отвар, который после высыхания написанных иероглифов не оставляет никаких видимых следов. Если такое письмо слегка смочить слабым спиртовым раствором йода, то появляются синие буквы. А император для проявления письма пользовался бурым отваром морских водорослей, содержавшим йод.
Еще один рецепт секретных чернил включает применение водного раствора желтой кровяной соли — гексацианоферрата(II) калия K4[Fe(CN)6]. Написанные этим раствором буквы исчезают при высыхании бумаги. Чтобы увидеть надпись, надо смочить бумагу раствором хлорида железа(III) FeCl3. Ярко-синие буквы, которые появляются при такой обработке, не исчезают при высыхании. Появление букв связано с образованием комплексного соединения KFe[Fe(CN)6].
Помните ли вы историю с исчезновением записки Фантомаса? Исчезающие чернила можно приготовить, если смешать 50 мл спиртовой настойки йода с чайной ложкой крахмала или декстрина и отфильтровать осадок. Такие синие чернила полностью теряют цвет через 1—2 дня из-за улетучивания йода.
Многие произведения живописцев прошлых веков, написанные масляными красками, со временем потемнели. Причина этого — образование на их поверхности черного сульфида свинца PbS: основу красок раньше составляли свинцовые белила. Это была основная соль — дигидроксид-карбонат дисвинца(II) состава РЬ2СO3(ОН)2. Сульфид свинца неизбежно появлялся под воздействием сероводорода, всегда в очень незначительном количестве присутствующего в воздухе. Можно ли восстановить красоту картин старых мастеров?
Проведем такой опыт: приготовим в химическом стакане разбавленный водный раствор нитрата свинца(II) Pb(NO3)2 и прильем к нему разбавленный раствор карбоната натрия Na2CO3. Выпадет белый осадок.
Перемешаем стеклянной палочкой содержимое стакана и перенесем часть суспензии (раствора вместе с осадком) в другой стакан. Добавим сюда сероводородную воду — раствор сероводорода в воде. Белая суспензия сразу же станет черной. Теперь добавим к черной взвеси пероксид водорода Н2О2 и перемешаем содержимое стакана. Оно снова станет белым! При стоянии на дне стакана окажется тяжелый белый осадок. Какие же здесь произошли изменения? Нитрат свинца(II) и карбонат натрия образуют малорастворимый Рb2СО3(ОН)2:
2Pb(NO3)2 + 2Na2CO3 + Н2О = Pb2CO3(OH)2↓ + 4NaNO3 + CO2↑
Именно он был основой свинцовых белил, которые служили для приготовления краски любого цвета — желтой, голубой, розовой, зеленой. Белый Рb2СО3(ОН)2 взаимодействует с сероводородом, превращаясь в черный сульфид свинца(II):
Рb2СO3(ОН)2 + 2H2S = 2PbS↓ + CO2↑ + 3H2O
А пероксид водорода окисляет черный сульфид свинца до белого сульфата свинца(II):
PbS + 4Н2О2 = PbSO4 + 4H2O
Вот почему исчезает чернота и картина принимает первоначальный вид, когда реставратор обрабатывает поверхность красочного слоя тампоном, смоченным раствором пероксида водорода.
Отметим, что картины современных художников не чернеют, так как вместо свинцовых белил в живописи стали использовать цинковые даже титановые, созданные на основе оксида цинка ZnO и диоксида титана ТiO2.
Существуют вещества, которые при введении их в водный раствор пероксида водорода Н2О2 вызывают его разложение. Сами они в реакции не участвуют и, когда их извлекают из раствора, остаются невредимыми: какого-либо изменения их массы не наблюдается. Такие вещества называют катализаторами.
Проведем опыт. В химический стакан нальем 30%-ный водный раствор Н2О2 (пергидроль) и опустим в жидкость привязанный на ниточке кусочек диоксида марганца МnО2 черного цвета. Тотчас же наступает энергичное разложение пероксида водорода. Жидкость мутнеет от выделяющихся пузырьков кислорода О2. Тлеющая лучинка, опущенная в стакан в момент выделения кислорода, вспыхивает и загорается над поверхностью жидкости. Но стоит вынуть МnО2 из стакана, как разложение Н2О2 прекращается.
Катализатор МnО2 вызывает реакцию диспропорционирования Н2О2:
2Н2О2 = 2Н2O + O2↑
Аналогичную картину можно наблюдать при погружении в раствор пероксида водорода кусочка активированного угля.
В 1863 г. английский химик Томас Лайтфут экспериментировал с анилином C6H5NH2 и его производными. В одном из опытов он добавил к гидрохлориду анилина C6H5NH2∙НС1 раствор дихромата калия К2Сr2О7, и реакционная смесь неожиданно стала черной. Так был получен первый в мире искусственный краситель — анилиновый черный. Брутто-формула этого соединения C48H34N8, а со строением его молекул химики разбираются до сих пор. Краситель анилиновый черный обладает сочным черным цветом, с ним не может сравниться никакой другой черный краситель.
Попробуйте воспроизвести опыт Лайтфута. В пробирке к 0,5 мл анилина прилейте равный объем концентрированной хлороводородной кислоты НС1. После этого в пробирку введите 4 мл концентрированного водного раствора дихромата калия К2Сr2О7 и оставьте пробирку с ее содержимым постоять в течение 5 — 10 минут. В течение этого времени оранжевый цвет жидкости, характерный для дихроматов, начинает сменяться черным. Затем вылейте жидкость из пробирки в химический стакан на 100 мл, нагрейте ее до кипения и кипятите около 1 минуты. Потом охладите и отфильтруйте черный осадок, промойте его на фильтре водой и высушите на воздухе. Вот так вы и получите знаменитый анилиновый черный — краситель, нерастворимый в воде и этиловом спирте.
В 1597 г. немецкий алхимик и врач Андреас Либавий проводил опыты с медным купоросом, отыскивая новое лекарство для лечения ран, кожных болезней и опухолей. Однажды он добавил к голубому водному раствору медного купороса — сульфата меди(II) CuSO4 — водный раствор аммиака NH3 и с изумлением увидел, как раствор стал интенсивно-синим. Он не нашел объяснения случившемуся, бессильны оказались и все его современники. Так Либавий получил первое комплексное соединение, природу которого химики выяснили только в конце XIX в.
Давайте повторим старинный опыт, которому в 1997 г. исполнилось 400 лет. Налейте в химический стакан на 1/4 его объема раствор сульфата меди(II) (250 г CuSO4∙5Н2O на 1000 мл воды) и небольшими порциями при перемешивании стеклянной палочкой добавьте раствор аммиака, который получается разбавлением 100 мл 25%-ного раствора NH3 водой до объема 1 л. Вначале в стакане появляется голубой осадок. Если продолжать добавление раствора аммиака, то он исчезает, а жидкость становится интенсивно-синей. Перенесите половину жидкости в другой стакан и добавьте порциями разбавленную (1:4) серную кислоту. Перед вашими глазами снова мелькнет голубой осадок, потом он исчезнет, а жидкость станет голубой, как в начале опыта.
Что кроется за этим калейдоскопом цветов? Сначала CuSO4 взаимодействует с аммиаком и образует малорастворимый в воде голубой гидроксид-сульфат димеди(II) Cu2SO4(OH)2:
2CuSO4 + 2NH3 + 2Н2О = Cu2SO4(OH)2↓ + (NH4)2SO4
При избытке аммиака основная соль превращается в комплекс — аммиакат меди [Cu(NH3)4]SO4 — интенсивно-синего цвета:
Cu2SO4(OH)2 + (NH4)2SO4 + 6NH3 = 2[Cu(NH3)4]SO4 + 2H2O
Добавление H2SO4 разрушает комплекс:
[Cu(NH3)4]SO4 + 2H2SO4 = CuSO4 + 2(NH4)2SO4
Возьмем широкогорлую колбу Бунзена, к которой подобрана пробка. Эту колбу наполним на 2/3 ее объема насыщенным раствором гидрокарбоната натрия, к которому добавлен спиртовой раствор мыла (для лучшего пенообразования). В этот раствор опускаем открытую пробирку с разбавленной соляной или серной кислотой. Затем готовим «пожар»: в фарфоровую чашку наливаем 5 мл бензина и поджигаем. Перевернув колбу Бунзена («огнетушитель») вверх дном, пускаем на «пожар» струю пены. Огонь мгновенно гаснет.
Принцип действия «огнетушителя» прост: когда колбу переворачивают, насыщенный раствор гидрокарбоната натрия смешивается с кислотой, выделяется газообразный диоксид углерода:
NaHCO3 + НС1 = NaCl + H2O + CO2↑,
который выдавливает пену из боковой трубки колбы и тушит пламя.
В мешок из парафинированной бумаги или прорезиненной ткани на сыпьте смесь, состоящую из 10 г хлорида меди(II), 10 г порошка алюминия и 10 столовых ложек сухих древесных опилок (как замедлителя процесса). Если к этой смеси добавить 50 мл воды, СuС12 растворяется и начинается окислительно-восстановительная реакция:
3СuС12 + 2А1 = 3Сu + 2А1С13,
сопровождаемая выделением большого количества теплоты.
На занятиях химического кружка можно приготовить светящиеся составы — люминофоры, или фосфоры. После того как их подвергнут освещению, они некоторое время продолжают светиться в темноте. Bсe вещества, из которых готовят люминофоры, должны быть предварительно тщательно очищены (например, перекристаллизацией). Еще лучше, если вам удастся достать химические реактивы, на этикетке которых значится «хч» (химически чистый) или «осч» (особо чистый). Вот рецепты приготовления некоторых светящихся составов.
Фиолетовое свечение: карбонат кальция (20 г), карбонат магния (1,2 г), сульфат натрия (1 г), сульфат калия (1 г), сера (6 г), сахароза (1 г), нитрат висмута(III) (1 мл 0,5%-ного раствора); растереть в фарфоровой ступке и прокалить при 750—800°С в точение 45 минут.
Сине-зеленое свечение: карбонат кальция (4 г), карбонат магния (2 г), карбонат стронция ( 16 г), сульфат натрия (0,8 г), тетраборат натрия (0,5 г), сера (6 г), сахароза (0,3 г), нитрат висмута(III) (1 мл 0,5%-ного раствора); растереть в фарфоровой ступке и прокалить при 650—700°С в течение 60 минут.
Синее свечение: карбонат кальция (4 г.), карбонат магния (4 г), сульфат натрия (1,4 г), оксид цинка (6 г), сульфид бария (3 г), сера (8 г), перхлорат аммония (8 г), сахароза (1 г); растереть в фарфоровой ступке (без NH4C1O4), осторожно смешать с NH4ClO4 и прокалить в пламени газовой горелки в течение 15 минут.
Ярко-зеленое свечение: карбонат магния (4 г), сульфат натрия (2,4 г), оксид цинка (6 г), сульфид бария (4 г), сера (7 г), перхлорат аммония (10,4 г), сахароза (0,8 г); растереть в фарфоровой ступке (без NH4C1O4), осторожно смешать с NH4C1O4 и прокалить в пламени газовой горелки в течение 15 минут.
Зеленое свечение (первый рецепт): карбонат стронция (2 г), карбонат магния (4 г), сульфит натрия (2,4 г), оксид цинка (6 г), сульфид бария (2 г), сера (7 г), перхлорат аммония (8 г), сахароза (0,8 г); растереть в фарфоровой ступке (без NH4C1О4), осторожно смешать с NH4C1O4 и прокалить в пламени газовой горелки в течение 15 минут.
Зеленое свечение (второй рецепт): карбонат кальция (20 г), сульфат натрия (1 г), тетраборат натрия (0,8 г), сера (6 г), сахароза (0,8 г), нитрат висмута(III) (1 мл 5%-ного раствора); растереть в фарфоровой ступке и прокалить при 800—900 0С в течение 15 минут.
Смеси освещают магниевой вспышкой или ультрафиолетовой лампой, после чего будет наблюдаться свечение в темноте.
Есть довольно простой способ создать «волшебную» картину. Нарисовав на бумаге или на деревянном щите картину кистью, смоченной растворами солей свинца(II), марганца(II), кадмия(II) или сурьмы(III) и высушив эту заготовку, можно потом проявить изображение, обрызгав его из пульверизатора раствором сульфида натрия.
При этом протекают реакции, отвечающие уравнениям:
Pb2+ + S2– = PbS
черный
Сd2+ + S2– = CdS
ярко-желтый
Mn2+ + S2– = MnS
розовый
2Sb3+ + 3S2– = Sb2S3
оранжевый
Такие спички крайне необходимы в путешествии, а изготовить их нетрудно, если все необходимые операции выполнять с должной осторожностью и аккуратностью. Вам потребуется немного целлулоида (можно воспользоваться ненужными фото- или кинопленками) и ацетон (СН3)2СО. Если целлулоидной пленки, растворимой в ацетоне, найти не удастся, водонепроницаемое покрытие придется сделать, используя готовый нитроцеллюлозный клей. Нужны будут также компоненты зажигательной смеси — бертолетова соль (хлорат калия КС1О3), селитра (нитрат калия KNO3), древесный уголь, сера и красный фосфор.
Нарезанную мелкими кусочками целлулоидную пленку надо поместить в чистый аптечный пузырек, залить ацетоном (5 мл) и, закрыв пробкой, подождать до полного растворения пленки. Затем надо растереть в одной фарфоровой ступке 0,02 г КС1О3 и 0,02 г KNO3, а во второй ступке — 0,02 г угля и 0,01 г серы. После того как будет подготовлен каждый из компонентов смеси, его всыпают в пузырек с ацетоновым раствором целлулоида и тщательно перемешивают. Последним высыпают в пузырек порошок красного фосфора (0,02 г). Внимание! Бертолетову соль и селитру ни в коем случае нельзя растирать в сухом виде вместе с серой и фосфором: возможен взрыв!
Готовую суспензию набирают пипеткой (со дна пузырька) и в очень небольшом количестве наносят на головки обыкновенных спичек. Через 10—15 минут спички высыхают. Теперь их можно зажечь трением о любую поверхность. Чтобы сделать эти спички безопасными, головки окунают в расплавленный парафин и дают им остыть, а потом каждую спичку по отдельности завертывают в кальку, плотную непромокаемую бумагу или полиэтиленовую пленку. Теперь спички не загорятся у вас в кармане!
•
•
Copyright © 2005 - 2007 Webmaster
