Химическая кунсткамера

Самые эффектные и красивые опыты

10.2. Кислота Каро

В 1898 г. немецкий химик Генрих Каро получил красивые бесцветные кристаллы неизвестного вещества, которые легко плавились и крайне «неприязненно» относились к органическим соединениям. Некоторые из органических веществ, попав на эти кристаллы, сразу же вспыхивали, другие даже взрывались.

Вещество оказалось сильнейшим окислителем и вдобавок сильной кислотой. Ее назвали по имени первооткрывателя кислотой Каро. Современное название этого вещества – пероксомоносерная кислота, а химическая формула H₂SO₃(O₂), или просто H₂SO₅.

Проведем два опыта с кислотой Каро в безопасном варианте. В большую фарфоровую ступку, опущенную для охлаждения в чашу с ледяной крошкой, насыплем 2 г пероксодисульфата калия K₂S₂O₆(O₂), добавим 5–6 мл концентрированной серной кислоты H₂SO₄ и разотрем смесь, после чего ступке со смесью надо дать постоять во льду в течение 10–15 мин.

Затем половину кашицы вещества из ступки перенесем в химический стакан емкостью 150–200 мл.

Перед ступкой поставим защитный экран из фанеры или оргстекла, наденем защитные очки и к остатку смеси в ступке с помощью длинной пипетки добавим 2 капли бензола C₆H₆. Происходит сильная вспышка, которая сопровождается хлопком и выделением черного дыма.

Если вместо бензола добавить к смеси щепотку сахарной пудры (сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁), то раздастся сильный хлопок.

Ко второй порции смеси, находящейся в стакане, добавляют 25 мл ледяной воды и 25 мл анилина C₆H₅NH₂, а затем для нейтрализации кислоты – концентрированный водный раствор карбоната натрия Na₂CO₃. Происходит сильное вспенивание, раствор окрашивается в зеленый цвет, одновременно выпадает бесцветный кристаллический осадок с резким запахом…

Разберем эти химические явления.

При растирании в ступке пероксодисульфата калия K₂S₂O₆(O₂) с серной кислотой H₂SO₄ образуются пероксомоносерная кислота H₂SO₃(O₂) (кислота Каро) и сульфат калия.

Когда к кашице, состоящей из сульфата калия и кислоты Каро, добавляют (в ступке) бензол C₆H₆, он загорается, превращаясь в диоксид углерода CO₂, углерод и воду, а кислота, восстанавливаясь, дает диоксид серы SO₂ и воду:

5H₂SO₃(O₂) + 2C₆H₆ = 5SO₂­ + 2CO₂­ + 10C + 11H₂O.

Кислота Каро, находящаяся в стакане, окисляет анилин C₆H₅NH₂ до нитрозобензола C₆H₅NO, который окрашивает раствор в зеленый цвет: C₆H₅NH₂ + 2H₂SO₃(O₂) = C₆H₅NO + 2H₂SO₄ + H₂O.

Основная часть нитрозобензола превращается в димер (C₆H₅NO)₂, выпадающий в осадок в виде бесцветных кристаллов.

Если часть зеленого раствора перелить в пробирку и добавить к нему немного диэтилового эфира (C₂H₅)₂O, а затем взболтать и дать отстояться, то эфирный слой станет зеленым. Эфир извлекает из раствора нитрозобензол C₆H₅NO.

Пероксосерные кислоты и их соли

Известны две пероксосерные кислоты: пероксодисерная H₂S₂O₆(O₂), открытая в 1878 г. французским химиком Пьером Бертло, и пероксомоносерная H₂SO₃(O₂), впервые полученная немецким химиком Генрихом Каро в 1898 г.

Пероксодисерная кислота образует бесцветные легкоплавкие кристаллы с запахом озона O₃. На воздухе ее кристаллы легко расплываются, т. к. они гигроскопичны, в воде растворяются с шипением, распадаясь на серную кислоту и пероксид водорода:

H₂S₂O₆(O₂) + 2H₂O = 2H₂SO₄ + H₂O₂.

В этиловом спирте H₂S₂O₆(O₂) растворяется без разложения.

В молекуле кислоты два атома серы связаны «мостиком» - пероксогруппой [–О–О–]. Схематически молекулу H₂S₂O₆(O₂) можно представить в следующем виде:

Пероксомоносерная кислота (кислота Каро) H₂SO₃(O₂) также образует бесцветные гигроскопичные кристаллы красивой формы, очень легкоплавкие, устойчивые на воздухе в течение всего лишь нескольких дней. В воде они разлагаются.

Кислота Каро – очень сильный окислитель. В ее молекуле с атомом серы связана гидропероксидная группа НО₂^–, в которой атом водорода практически лишен возможности замещаться на атомы металлов. Схематически строение молекулы кислоты изображают так:

Соли пероксодисерной кислоты H₂S₂O₆(O₂) носят название пероксодисульфатов (раньше их называли персульфатами). Наиболее известны среди них пероксодисульфат калия K₂S₂O₆(O₂) и пероксодисульфат аммония (NH₄)₂S₂O₆(O₂). Первая соль малорастворима в ледяной воде (при ~0 °С), а вторая растворяется хорошо. Обе соли – сильные окислители. При нагревании их водных растворов они распадаются на гидросульфаты с выделением кислорода, например:

2K₂S₂O₆(O₂) + 2H₂O = 4KHSO₄ + O₂­,

причем одновременно выделяется и примесь озона O₃.

Соли пероксомоносерной кислоты – пероксомоносульфаты – малоустойчивы на воздухе и почти не изучены.

Бензол

Бензол C₆H₆ – бесцветная легкокипящая жидкость с характерным запахом, малорастворимая в воде и неограниченно растворимая в диэтиловом эфире (C₂H₅)₂O. Бензол и сам хороший растворитель для жиров, каучука, йода, в меньшей степени – для серы и белого фосфора.

Для бензола характерна устойчивость к действию окислителей и высоких температур. Только выше 650 °С он превращается в дифенил (С6Н5)2, а при 750 °С окончательно разлагается на углерод и водород.

Бензол был открыт случайно в 1825 г. английским химиком и физиком Майклом Фарадеем. В 1814 г. в Лондоне появилось газовое освещение улиц. Светильный газ хранили в железных баллонах под давлением. В летние ночи освещение было нормальным, а зимой, в сильные холода, – тусклым. Газ по какой-то причине не давал зимой яркого света.

Владельцы газового завода обратились за помощью к Фарадею, который установил, что зимой часть светильного газа собирается на дне баллона в виде прозрачной жидкости состава С₆Н₆. Он назвал это вещество, известное теперь как бензол, карбюрированным водородом. Название «бензол» первым применил немецкий химик Юстус Либих, а синтезировал это вещество в 1833 г. его соотечественник Эйльхард Мичерлих.

Нитрозобензол

Нитрозобензол C₆H₅NO в обычных условиях представляет собой бесцветные прозрачные кристаллы, состоящие из димера (C₆H₅NO)₂. Это вещество плавится при 68 °С с образованием изумрудно-зеленой жидкости, состоящей из молекул мономера C₆H₅NO.

Димерный нитрозобензол малорастворим в воде, но хорошо – в этиловом спирте. При переходе в водный раствор молекулы димера распадаются до молекул C₆H₅NO, которые окрашивают раствор в зеленый цвет. Раствор нитрозобензола в этиловом спирте – изумрудно-зеленого цвета.

Впервые нитрозобензол был получен немецким химиком Людвигом Гаттерманом в 1893 г.