Водяные чудеса
Химическая хирургия
На время вы можете стать колдуном и знахарем, умеющим использовать «живую» и «мертвую» воду. Чтобы показать зрителям свое искусство, заранее готовят растворы хлорида железа(III) FеСl3 (10 г соли в 90 мл воды), тиоцианата аммония NH4NCS (5 г соли в 95 мл воды) и фторида натрия NaF (тоже 5 г соли в 95 мл воды). Еще нужен будет доброволец из числа друзей-зрителей, который согласится, чтобы на нем провели демонстрацию «медицинского чуда». В крайнем случае экспериментатор может показать опыт на себе самом. Лучше всего для этого подойдет участок кожи на руке от локтевого сгиба до ладони или кисть руки.
Сначала смочите ватку «спиртом» (на самом деле это будет раствор тиоцианата аммония). Потом продезинфицируйте скальпель, не жалея «йода». В роли йода будет выступать раствор хлорида железа(III) FeCl3. Вместо настоящего скальпеля можно использовать стеклянную или деревянную палочку. Теперь будем делать «надрез». Проведем «скальпелем» по участку кожи, обработанному «спиртом» и потечет «кровь». А теперь «заживим рану». Возьмем раствор фторида натрия (он будет играть роль «живой воды» ) и смажем «рану». Кровь исчезнет, а под ней здоровая кожа. Вот и весь опыт. Не забудьте хорошо вымыть прооперированную руку водой, чтобы не осталось следов использованных реактивов.
Хлорид железа(III) FeCl3 взаимодействует с тиоцианатом аммония NH4NCS с образованием комплексного соединения трис(тиоцианато)триакважелеза(III) [Fe(H2O)3(NCS)3], цвет которого очень похож на цвет крови... Во время опыта протекает реакция:
FeCl3 + 3H2O + 3NH4NCS = [Fe(H2O)3(NCS)3] + 3NH4Cl
Фторидные ионы при взаимодействии с тиоцианатными комплексами железа дают очень прочный бесцветный комплекс — тетрафтородиакваферрат(III)-ион [Fe(H2O)2F4]– :
[Fe(H2O)3(NCS)3] + 4NaF = Na[Fe(H2O)2F4] + 3NaNCS + H2O
Рука-волшебница и платок-хамелеон
Еще одно эффектное превращение, связанное с образованием и разрушением комплексных солей, позволит вам причислить себя к племени чародеев.
Растворите в стакане воды две чайные ложки гексагидрата хлорида кобальта СoCl2∙6H2O, намочите полученным розовым раствором белый хлопчатобумажный носовой платок и высушите его на батарее отопления или слабо нагретым утюгом. Платок станет голубым. Покажите зрителям голубой платок, а потом скомкайте его, сожмите в руке и не сколько раз сильно подуйте на него. Платок увлажнится и станет бледно-розовым.
Объяснение изменений цвета состоит в том, что при нагревании розовый гексагидрат хлорида кобальта — фактически это хлорид гексааквакобальта [Co(H2O)6]Cl2 — теряет часть воды и превращается в хлорид тетрааквакобальта [Co(H2O)4]Cl2 голубого цвета. При увлажнении две молекулы воды возвращаются на место, и соединение опять становится розовым.
Мармелад
Чтобы попасть в чудесный край лакомств, делают следующее. В стакан наливают на 1/5 его объема водный раствор хлорида кальция СаСl2 (10 г соли в 90 мл воды) и добавляют к нему 3—4 капли спиртового раствора фенолфталеина. В другой стакан наливают до половины раствор жидкого стекла — полисиликата натрия, вещества с условной формулой Na2SiO3. Раствор из первого стакана выливают во второй и быстро перемешивают смесь стеклянной палочкой. Содержимое стакана сразу становится похоже на желе или мармелад, так что стеклянная палочка может стоять вертикально.
В этом опыте использованы две химические реакции: осаждение силикатов кальция и гидролиз полисиликата натрия с выделением «студня» поликремниевой кислоты (Na2SiO3)n. Среда становится щелочной, индикатор фенолфталеин приобретает малиновый цвет. Упрощенно эти реакции можно записать так:
Na2SiO3 + CaCl2 = CaSiO3↓ + 2NaCl
Na2SiO3 + 2H2O = H2SiO3↓ + 2NaOH
Три чуда: молоко, творог и газировка
Умелое «колдовство» создает в кисельных берегах молочные реки. Для этого в один стакан насыпают 2 чайные ложки хлорида кальция СаСl2, а в другой — столько же карбоната натрия Na2CO3 и наливают в каждый стакан воды примерно на 1/4 их объема. Затем полученные растворы сливают вместе, и жидкость становится белой, как молоко.
Этот опыт надо демонстрировать быстро, так как карбонат кальция СаСО3 выпадает в осадок и зрители могут заметить, что это вовсе не молоко. Но если добавить к смеси избыток хлороводородной кислоты НСl, то «молоко», закипев, мгновенно превращается в «газированную воду».
«Молоко» и «газировка» получаются в результате обменных реакций:
СаCl2 + Na2CO3 = CaCO3↓ + 2NaCl
CaCO3 + 2HCl = CaCl2 + H2O + CO2↑
Если к разбавленному водному раствору хлорида бария ВаСl2 или нитрата свинца Рb(NO3)2 добавить раствор сульфата калия K2SO4, образуется осадок сульфата бария ВаSO4 или сульфата свинца РbSO4, похожий на творог:
BaCl2 + K2SO4 = BaSO4↓ + 2KCl
Pb(NO3)2 + K2SO4 = PbSO4↓ + 2KNO3
Эти вещества довольно быстро оседают на дно стакана.
Вода превращается в вино
Чтобы проделать это чудесное превращение, в два стакана на 1/4 их объема наливают воду и добавляют в один 3—4 капли спиртового раствора фенолфталеина, а в другой — чайную ложку карбоната натрия Na2CO3 (соды). Если теперь соединить содержимое обоих стаканов (вылить раствор из первого стакана во второй), жидкость сразу же станет красно-малиновой из-за того, что индикатор фенолфталеин в щелочной среде окрашивается в яркий цвет. Вот и получилось «вино» Только не давайте это «вино» никому пробовать: сода относительно безвредна, но фенолфталеин — сильное слабительное средство...
Бесцветный спиртовой раствор индикатора фенолфталеина в щелочной среде (при pН > 8) всегда окрашивается в малиновый цвет. Причина щелочности среды в нашем растворе — гидролиз карбоната натрия.
А теперь давайте превратим вино снова в воду. Для этого в освободившемся стакане приготовим раствор серной кислоты H2SO4. К 1/4 стакана воды добавим 5 мл 20% -ной серной кислоты. Если полученный раствор вылить в «вино», оно должно обесцветиться — среда становится нейтральной:
Na2CO3 + H2SO4 = Na2SO4 + CO2↑ + H2O
Вино из воды получают и другим способом, используя реакцию взаимодействия хлорида железа FeCl3 и тиоцианата аммония NH4NCS. Для опыта берут очень разбавленные водные растворы этих веществ. А обесцвечивание «вина» достигается добавлением раствора фторида натрия или калия.
Кассиев золотой пурпур
«Не превращение металлов в золото должно быть целью химии, а приготовление лекарств», — писал Парацельс в ХVI в. Одним из таких лекарств считалось «растворенное золото», или «кассиев золотой пурпур», названный в честь римского сенатора Кассия (1 в. до н. э.), которому легенда приписывала открытие и применение целебного раствора.
«Растворенное золото» — коллоидный раствор этого благородного металла — можно приготовить и самостоятельно. Чтобы получить раствор пурпурного цвета, надо сначала собрать изрядное количество осколков фарфора или стекла с позолотой. Затем приготовить «царскую водку» — смесь, состоящую из 30 мл концентрированной соляной кислоты НСl и 10 мл концентрированной азотной кислоты НNO3. Хранить смесь кислот надо в плотно закрытой склянке, использовать с максимальной осторожностью, беречь руки и особенно глаза.
После того как позолоченные черепки обезжирены любым моющим средством (например, стиральным порошком), надо промыть их водой и протереть позолоту ватным тампоном, смоченным в ацетоне. Подготовленные осколки берут пинцетом за края и, держа над стаканом, капают пипеткой на позолоту царской водкой. При этом надо стараться не по пасть жидкостью на пинцет. В смеси кислот золото химически растворяется:
Au + 4HCl + HNO3 = H[AuCl4] + NO↑ + 2H2O
Место, где была позолота, промывают несколькими каплями дистиллированной воды и сливают в тот же стакан. Полученный раствор тетрахлороаурата(III) водорода H[AuCl4] сливают в склянку с притертой стеклянной пробкой.
Затем растворяют 1 г дигидрата хлорида олова(II) SnCl2∙2H2O в 100 мл воды. Чтобы предотвратить гидролиз хлорида олова(II), добавляют немного соляной кислоты. Несколько капель раствора SnCl2 добавляют в стакан с тетрахлороауратом(III) водорода. Сперва жидкость становится желто-коричневой, а через несколько минут появляется алая окраска. Это и есть коллоидный раствор золота — «кассиев золотой пурпур». Цвет его зависит от концентрации реагентов и принимает разные оттенки — от алого до фиолетового.
Хлорид олова(II) восстанавливает золото до мельчайших коллоидных частиц, а сам окисляется до гексахлоростаннат(IV)-иона:
2H[AuCl4] + 2SnCl2 + 4HCl = 2Au↓ + 3H2[SnCl6]
В 1898 г. этот опыт детально изучил и описал в своей статье австрийский химик Рихард Зигмонди.
Малиновый фонтан
Аммиак очень хорошо растворим в воде (1170 л NH3 на 1 л воды при температуре О 0С). При этом он частично превращается в слабое основание — гидрат аммиака NH3∙H2O — и подвергается обратимому протолизу. На этих свойствах аммиака основан эффектный опыт — цветной фонтан.
Готовят сухую круглодонную колбу с резиновой пробкой и трубкой. Колбу закрепляют вверх дном в кольце штатива и наполняют сухим аммиаком, получая его нагреванием смеси 10 г хлорида аммония NH4Cl 16 г гидроксида кальция Са(ОН)2 в колбочке с газоотводной трубкой по реакции:
2NH4Cl + Са(ОН)2 = СаСl2 + 2H2O↑ + 2NH3↑
Аммиак легче воздуха, поэтому его собирают, вытесняя воздух из большой колбы. У ее горловины во время опыта держат влажную красную лакмусовую бумажку. Как только она посинеет, указывая на присутствие в воздухе большого количества аммиака (вещества с основными свойствами), круглодонную колбу закрывают пробкой с трубкой. Опустив трубку в чашу с водой, куда предварительно добавлен индикатор фенолфталеин, впрыскивают в колбу несколько капель воды.
Они растворяют собранный в колбу аммиак, создается разрежение, и под действием атмосферного давления вода с растворенным в ней индикатором с силой устремляется в колбу. Там она мгновенно окрашивается в малиновый цвет: среда в растворе аммиака щелочная.
Раствор-хамелеон
Удивительное животное тропических стран, меняющее на глаза окраску кожи: то она ярко-зеленая, то почти багровая, а потом — в жёлто-бурая... Это хамелеон. Есть и химический «хамелеон»: именно так называли химики-аналитики ХIХ в. растворы перманганата калия. Как же он меняет цвет?
В коническую колбу на 1/4 ее объема налейте темно-фиолетовый раствор перманганата калия КМnО4, Затем добавьте в колбу концентрированный водный раствор гидроксида калия в объеме, примерно равном 1/4 объема раствора КМnО4 и вращением колбы смешайте растворы. После этого прилейте концентрированный водный раствор сульфита калия К2SO3 в объеме, равном объему раствора KОН. Жидкость после перемешивания станет изумрудно-зеленой. Теперь быстро, сразу после появления окраски, добавьте в колбу хлорную воду (водный раствор хлора). Раствор в колбе снова станет фиолетовым.
Здесь протекают окислительно-восстановительные реакции. Первая из них приводит к образованию манганата калия К2MnO4, придающего раствору зеленый цвет:
2КМnО4 + 2KOH + K2SO4 = 2K2MnO4 + K2SO4 + H2O
Хлорная вода содержит сильный окислитель хлор Сl который превращает манганат калия в фиолетовый перманганат:
2К2MnO4 + Cl2 = 2КМnО4 + 2KCl
Добавление хлорной воды необходимо вести быстро, так как манганат калия неустойчив из-за способности к диспропорционированию. А это может вызвать исчезновение зеленой окраски раствора и появление черного осадка диоксида марганца MnO2:
3К2МnО4 + 2H2O = 2КМnО4 + MnO2↓ + 4KOH
Задумчивая реакция
Есть такие химические реакции, которые сразу после смешивания реагентов никак себя не проявляют. Растворы до поры до времени остаются бесцветными и прозрачными, хотя на самом деле в них протекает бурная химическая жизнь. Но вот наступает момент, когда реакция «просыпается», у раствора появляется окраска.
Понаблюдаем за одной из таких реакций. Приготовим две мерные колбы емкостью 1 л. В первую колбу надо насыпать 2 г порошка триоксоиодата(V) (иодата) калия КIО3 и налить из бюретки 13,3 мл концентрированной серной кислоты Н2SO4 с плотностью 1,84 г/мл, а затем дистиллированной воды до метки на горловине колбы. Во вторую колбу надо насыпать 1 г сульфита натрия Na2SO3, добавить 25 мл крахмального клейстера (1 г крахмала и 100 мл воды) и тоже долить дистиллированной воды до метки. Раствор во второй колбе неустойчив, его надо готовить непосредственно перед опытом. Оба раствора тщательно перемешаем, переворачивая каждую колбу, закрытую пробкой.
Итак, начнем. В стакан наливаем 100 мл раствора из первой колбы, включаем секундомер и при непрерывном перемешивании быстро добавляем 100 мл раствора из второй колбы. Вначале как будто ничего не происходит. Только пощелкивает секундомер. И вдруг... бесцветная жидкость внезапно становится темно-синей, почти черной. Если теперь взять новую порцию первого раствора — 50 мл и добавить к ней 50 мл воды, а дальше поступить, как указано выше, то секундомер «отстучит» до появления окраски вдвое большее время.
Вот что происходит в жидкости.
Триоксоиодат-ион 
окисляет
сульфитный ион 
а
сам восстанавливается до йодид-иона
:
+
3 =
+
3
Эта реакция протекает медленно. Как только в растворе появляются йодид-ионы, начинается вторая реакция, более быстрая:
+
5 +
6
=
3
+
9
Еще быстрее идет третья реакция:
+
+
3 =
2 +
+
2
Свободный йод, который окрашивает крахмал в синий цвет, является в растворе лишь после окисления всех сульфитных анионов.
Описанный здесь опыт впервые выполнил немецкий химик Ганс Генрих Ландольт в 1892 г. Впоследствии сам опыт стали называть опытом Ландольта, а реакции такого типа — реакциями Ландольта.
Союз ионов меди и йода
Что произойдет, если в водном растворе вдруг
встретятся катионы меди Сu2+ и
йодид-анионы 
?
Образуется ли соединение и какое именно? Или они, встретившись, пойдут
каждый своей дорогой? Попробуем разобраться в этой химической ситуации
посредством эксперимента.
В коническую колбу нальем 50 мл водного раствора сульфата меди(II), содержащего 2 г CuSO4 в 100 мл воды. К нему добавим 5—10 мл водного раствора иодида калия КI (20 г соли и 80 мл воды). Если дать колбе немного постоять, то мы увидим на дне бурый осадок, а над осадком — коричневую жидкость. Если к содержимому колбы добавить при перемешивании водный раствор тиосульфата натрия Na2S2O3 (2 г в 100 мл воды), можно добиться обесцвечивания раствора и осадка. Сольем жидкость с белого осадка, добавим около 100 мл дистиллированной воды, перемешаем, вращая колбу, и перенесем часть суспензии в Химический стакан. Сюда же добавим избыток раствора тиосульфата натрия до исчезновения осадка и получения бесцветного прозрачного раствора.
Теперь рассмотрим наблюдаемые химические явления. В первой реакции произошло выделение йода и образование белого осадка иодида меди(I) СuI:
2CuSO4 + KI = 2CuI↓ + I2 + 2K2SO4
Вначале кажется, что осадок СuI
— бурого цвета. Но это не так. Дело в том, что йод в условиях избытка
йодид-ионов превращается
в дииодоиодат-ионы [I(I)2]-,
которые окрашивают раствор в интенсивно- коричневый цвет:
I2 + KI = K[I(I)2]
При добавлении небольшого количества тиосульфата натрия в колбе протекает окислительно-восстановительная реакция:
2Na2S2O3 + K[I(I)2] = Na2S4O6 + 6NaI + KI
Все продукты этих реакций бесцветны. Вот почему исчезает бурая окраска жидкости и осадка. Растворение белого осадка иодида меди(I) СuI при введении избытка тиосульфат-ионов связано с реакциями образования тиосульфатного комплекса состава [Cu(SO3S)2]3– — бис(тиосульфато)купрат(I)-иона:
СuI + 2Na2S2O3 = Na[Cu(SO3S)2] + NaI
Беспокойный металл
Этот чрезвычайно эффектный опыт следует вести, приняв необходимые меры предосторожности — металлический натрий бурно взаимодействует с водой. Особенно следует беречь глаза!
Достаньте пинцетом из склянки с безводным керосином кусочек металлического
натрия, осушите его фильтровальной бумагой и отрежьте ножом небольшую порцию. Бросьте этот кусочек в чашу с водой, куда предварительно добавили 5—6 капель спиртового раствора фенолфталеина. Кусочек натрия расплавится, превратится в блестящую капельку металла, которая начнет беспорядочно «бегать» по поверхности воды, при этом оставляя за собой красно-малиновый след. При движении капельки слышно потрескивание, иногда она окутывается слабо-синеватым пламенем. Если капелька беспокойного металла прилипнет к стеклянной стенке чаши, то произойдет небольшой взрыв!
Все эти химические явления наблюдал в 1807 г. английский химик Гемфри Дэви, впервые получивший металлический натрий. Только фенолфталеина у него не было, этот индикатор был синтезирован много позже.
Разберем по порядку все наблюдения. Взаимодействие натрия с водой сопровождается значительным выделением теплоты, от этого он плавится и превращается в шарик. Плотность расплавленного натрия меньше плотности воды, поэтому он и плавает на поверхности воды, а не тонет. Продуктами реакции являются газообразный водород Н2, пузырьки которого подталкивают шарик и заставляют его «бегать» по поверхности воды, и гидроксид натрия NaOH. Гидроксид натрия создает за двигающимся натрием щелочную среду, от которой фенолфталеин приобретает красно-малиновый цвет, образующий «дорожку» за шариком. Уравнение протекающей реакции довольно простое:
2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑
Потрескивание создают лопающиеся пузырьки водорода.
Вода-поджигательница
Для этого опыта требуются гидрид кальция СаН2, гидрид натрия NaН или гидрид лития LiН. Можно также провести его, имея в своем распоряжении какой-либо из гидридных комплексов, например тетрагидридоалюминат лития Li[AlH4] или тетрагидридоборат натрия Na[BH4]. Несколько кристаллов исходных веществ поместите в фарфоровую чашку и химической пипеткой или с помощью длинной стеклянной трубки внесите туда же 3—4 капли воды. Через несколько секунд содержимое чашки разогреется настолько, что выделяющийся при реакции конмутации газообразный водород загорится.
Реакция конмутации будет отвечать, например, уравнениям:
СаН2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + 2Н2↑
Li[А1Н4] + 4Н2O = LiOH + Al(OH)3 + 4Н2↑
Тепло из воды
При смешивании концентрированной серной кислоты с водой выделяется большое количество теплоты. При определенном соотношении H2SO4 и Н20 температура смеси может достичь 149 °С.
Чтобы показать, насколько сильно разогревается смесь при внесении в воду H2S04, отмеряют точно 100 мл 98% -ной серной кислоты и 100 мл воды. Затем осторожно в химическом стакане смешивают жидкости, медленно приливая по стеклянной палочке серную кислоту в воду (но не наоборот!). Стакан сильно разогревается. Это можно обнаружить на ощупь или с помощью термометра. Наглядная демонстрация разогрева достигается, если в тот же стакан погрузить пробирку с диэтиловым эфиром или хлороформом (эти летучие жидкости закипают и испаряются).
Противопожарные хитрости
Можно ли потушить загоревшийся бензин водой? Давайте попробуем. В фарфоровую чашку нальем 15 мл бензина. Поставим чашку на кирпич, асбестированную сетку или железный лист и с помощью длинной лучинки подожжем бензин. Попробуем потушить пожар, наливая в чашку воду (из стеклянного стакана или из металлического чайника).
Бензин всплывает на воде и продолжает гореть еще интенсивнее, поскольку увеличивается поверхность его соприкосновения с воздухом. Вот почему тушить загоревшийся бензин рекомендуют песком, асбестовой кошмой или углекислотным огнетушителем (но не водой).
Попробуем вылить в пламя горящего бензина 20—30 мл тетрахлорида углерода. Образующиеся тяжелые пары СС14 прекращают доступ кислорода к пламени, и бензин гаснет. Вот и еще один способ потушить пожар!
Негасимый... карбид
Известно, что при взаимодействии с водой карбид кальция выделяет горючий газ ацетилен, в соответствии с реакцией необратимого гидролиза:
СаС2 + 2Н2О = Са(ОН)2 + С2Н2↑
Положим в фарфоровую чашку несколько гранул карбида кальция, добавим немного воды и подожжем выделяющийся газ. А теперь направим в сторону ацетиленового пламени струю воды из промывалки. Но пламя не гаснет!
Ацетилен можно гасить только теми способами, которые применяются для бензина: песком, тетрахлоридом углерода, асбестовой кошмой или углекислотным огнетушителем (но не водой).
Фокусник слил в сосуд два бесцветных раствора и как только смесь начала пениться, погасил свет. Зрители увидели отчетливое оранжевое свечение.
Фокусник прилил к водному раствору гидрохинона С6Н4(ОН)2, дополнительно содержавшему карбонат калия К2СО3 и формальдегид НСНО, концентрированный водный раствор пероксида водорода Н2О2. В сосуде начались окислительно-восстановительные реакции с превращением гидрохинона в хинон СбН4(О)2 и формальдегида в муравьиную кислоту НСООН. Одновременно протекала реакция взаимодействия К2СО3 с образующейся муравьиной кислотой; при это выделялся газообразный диоксид углерода СО2, который вспенивал раствор:
НСНО + Н2О2 = НСООН + Н2О
K2СО3 + 2НСООН = 2НСООK + СО2↑ + Н2О
Энергия, выделяющаяся в окислительно-восстановительных реакциях, почти полностью превращается в световую, чем и обусловлено оранжевое свечение раствора.
•
•
Copyright © 2005 - 2007 Webmaster
