Химическая кунсткамера

Самые эффектные и красивые опыты

6.2. 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 CoCl₂•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 несколько раз сильно подуйте на него. Платок увлажнится и станет бледно-розовым.

Причина изменений цвета состоит в том, что при нагревании розовый гексагидрат хлорида кобальта CoCl₂•6H₂O – 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 приобретает розовую окраску.

6.3. «Фруктовый кисель»

Чтобы попасть в чудесный край лакомств, делают следующее. В стакан наливают на 1/5 часть его объема водный раствор хлорида кальция СаCl₂ (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 красным и густым, как желе или кисель, так что стеклянная палочка может стоять вертикально.

Своим получением «желе» обязано химической реакции образования силикатов кальция и одновременно идущему гидролизу полисиликата натрия (жидкого стекла) с образованием щелочной среды и последующим выделением «студня» поликремниевой кислоты (H₂SiO₃)_n. Фенолфталеин в щелочной среде приобретает малиновый цвет. Упрощенно эти реакции можно записать так:

Na₂SiO₃ + СаCl₂ = CaSiO₃Ї + 2NaCl,

Na₂SiO₃ + 2H₂O = H₂SiO₃Ї + 2NaOH.

Фенолфталеин

Фенолфталеин – бесцветное кристаллическое органическое вещество сложного строения, молекулы которого включают три бензольных цикла, связанных через атом углерода, и две гидроксильные группы.

Фенолфталеин малорастворим в воде и хорошо растворяется в этиловом спирте. Он может служить кислотно-основным индикатором: его раствор, бесцветный в нейтральной и кислой средах, в щелочной среде становится малиново-красным. Раствор фенолфталеина для химических лабораторий обычно содержит 0,1 г этого индикатора в 125 мл этилового спирта, к которому добавлено еще 25 мл воды.

Фенолфталеин – это не только индикатор, но и лекарственное средство (сильное слабительное) и поэтому продается в аптеке. Синтез фенолфталеина впервые осуществил в 1871 г. немецкий химик Адольф фон Байер, будущий лауреат Нобелевской премии.

Жидкое стекло

Жидкое стекло – водный раствор полисиликатов калия или натрия с общей формулой M₂O•xSiO₂, где M = K или Na, а x = 4,0ё4,5 (для калиевого стекла) и x = 1,5ё3,5 (для натриевого).

Еще мастера-стеклоделы древности обнаружили интересное химическое явление. При сплавлении смеси белого речного или морского кварцевого песка (диоксид кремния SiO₂) с древесным углем и поташом (карбонат калия K₂CO₃) получались серые полупрозрачные «камни». Из расплава этих «камней» можно было выдувать шарики, похожие на стеклянные, но медленно растворявшиеся в воде. При этом получались вязкие, как клей, растворы сероватого цвета – жидкое стекло.

Реакцию получения полисиликатов условно можно выразить уравнением:

SiO₂ + K₂CO₃ + C = K₂SiO₃ + 2CO­.

Здесь написана формула K₂SiO₃ – метасиликата калия, простейшей соли метакремниевой кислоты H₂SiO₃. Полисиликаты же – соли поликремниевых кислот, имеющих полимерное строение, которое отвечает формуле (H₂SiO₃)_n.

Куски полисиликата калия, растертые в порошок и смоченные небольшим количеством воды, превращаются в «студень», который потом легко растворяется в воде. Это и есть жидкое стекло – обычный силикатный конторский клей.

В кислой среде полисиликаты щелочных металлов разлагаются с выделением поликремниевых кислот сложного состава, которые постепенно выделяют воду, переходя в гидратированный диоксид кремния. При этом сначала образуется гель – желеобразное вещество состава SiO₂•xH₂O. В закрытых сосудах жидкое стекло устойчиво, но на воздухе разлагается под действием слабой угольной кислоты H₂CO₃, которую дает при растворении в воде содержащийся в атмосфере диоксид углерода.

6.4. «Молочная река»

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 воду в каждый стакан примерно на 1/4 часть их объема. Затем полученные растворы сливают вместе, и жидкость становится белой, как молоко.

Этот опыт надо демонстрировать быстро, т. к. карбонат кальция СаСО₃ выпадает в осадок, и зрители могут заметить, что это вовсе не молоко. Но если добавить к смеси избыток хлороводородной кислоты HCl, то «молоко», закипев, мгновенно превращается в «газированную воду».

«Молоко» получается в результате реакции:

СаСl₂ + Na₂CO₃ = CaCO₃Ї + 2NaCl,

а «газированная вода» образуется под действием кислоты:

CaCO₃ + 2HCl = СаСl₂ + H₂O + CO₂­.

Где есть «молоко», там получится и «творог». Если к разбавленному водному раствору хлорида бария BaCl₂ или нитрата свинца Pb(NO₃)₂ добавить раствор сульфата калия K₂SO₄, то сразу же образуется рыхлый белый осадок творожистого вида, состоящий соответственно из сульфата бария BaSO₄ или сульфата свинца PbSO₄ по обменным реакциям:

BaCl₂ + K₂SO₄ = BaSO₄Ї + 2KCl,

Pb(NO₃)₂ + K₂SO₄ = PbSO₄Ї + 2KNO₃.

Эти вещества довольно скоро оседают на дно стакана.

6.5. Вода превращается в «вино»

Чтобы проделать это чудесное превращение, в два стакана на 1/4 часть их объема наливают воду и добавляют в один из них 3–4 капли спиртового раствора фенолфталеина (см. подразд. 6.3), а в другой – чайную ложку карбоната натрия Na₂CO₃ (сода).

Если теперь соединить содержимое обоих стаканов (вылить раствор из первого стакана во второй), жидкость сразу же станет малиново-красной 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 всегда окрашивается в малиновый цвет в щелочной среде (при рН около ~8–10). Причина щелочности среды в нашем растворе – гидролиз карбоната натрия.

Сначала протекает диссоциация соли на катионы натрия Na⁺ и карбонат-анион CO₃^2–. Потом карбонат-анион, который ведет себя в растворе как слабое основание, принимает от молекулы воды протон, превращаясь в гидрокарбонат-анион HCO₃^– и создавая повышенную концентрацию гидроксид-ионов OH^–:

Na₂CO₃ = 2Na⁺ + CO₃^2–,

CO₃^2– + H₂O L HCO₃^– + OH^–.

Вот откуда щелочная среда, а значит, и окраска индикатора.

А теперь давайте превратим «вино» снова в воду. Для этого в освободившемся стакане приготовим раствор серной кислоты H₂SO₄. (В стакан на 1/4 часть его объема нальем воды и добавим 5 мл 20%-й серной кислоты.) Если полученный раствор вылить в «вино», оно должно обесцветиться.

Серная кислота взаимодействует с карбонатом натрия c образованием продуктов, не подверженных гидролизу, – сульфата натрия Na₂SO₄, диоксида углерода CO₂ и воды:

Na₂CO₃ + H₂SO₄ = Na₂SO₄ + CO2­ + H₂O.

«Вино» из воды получают и другим способом, используя реакцию взаимодействия хлорида железа FeCl₃ и тиоцианата калия KNCS или аммония NH₄NCS. Для опыта берут очень разбавленные водные растворы этих веществ. А обесцвечивание «вина» достигается добавлением раствора фторида натрия или калия (см. подразд. 6.1).