Б.Д.СТЕПИН, Л.Ю.АЛИКБЕРОВА

Эффектные опыты по химии

C чего начинается увлечение химией – наукой, полной удивительных загадок, таинственных и непонятных явлений? Очень часто – с химических опытов, которые сопровождаются красочными эффектами, «чудесами». И так было всегда, по крайней мере тому есть множество исторических свидетельств.

В материалах рубрики «Химия в школе и дома» будут описаны простые и интересные опыты. Все они хорошо получаются, если строго соблюдать приведенные рекомендации: ведь на ход реакции часто влияют температура, степень измельчения веществ, концентрация растворов, наличие примесей в исходных веществах, соотношение реагирующих компонентов и даже порядок их прибавления друг к другу.

Любые химические опыты требуют при выполнении осторожности, внимания и аккуратности. Избежать неприятных неожиданностей поможет соблюдение трех простых правил.

Первое: не надо экспериментировать дома с незнакомыми веществами. Не забывайте, что слишком большие количества хорошо известных химикатов в неумелых руках тоже могут стать опасными. Никогда не превышайте количества веществ, указанные в описании опыта.

Второе: прежде чем выполнять любой опыт, надо внимательно прочесть его описание и понять свойства применяемых веществ. Для этого есть учебники, справочники и другая литература.

Третье: надо быть осторожным и предусмотрительным. Если опыты связаны с горением, образованием дыма и вредных газов, следует показывать их там, где это не вызовет неприятных последствий, например в вытяжном шкафу во время занятий химического кружка или под открытым небом. Если во время опыта какие-то вещества разбрасываются или разбрызгиваются, то необходимо обезопасить себя защитными очками либо экраном, а зрителей усадить на безопасном расстоянии. Все опыты с сильными кислотами и щелочами надо проводить, надев очки и резиновые перчатки. Опыты, отмеченные звездочкой (*), могут выполняться только учителем или руководителем химического кружка.

При соблюдении этих правил эксперименты будут успешными. Тогда химические вещества раскроют перед вами чудеса своих превращений.

Елочка в снегу

Для этого опыта надо достать стеклянный колокол, небольшой аквариум, в крайнем случае – пятилитровую стеклянную банку с широким горлом. Нужна также ровная доска или лист фанеры, на которую будут установлены эти сосуды вверх дном. Еще понадобится небольшая пластмассовая игрушечная елочка. Выполняют опыт следующим образом.

Сначала пластмассовую елочку обрызгивают в вытяжном шкафу концентрированной соляной кислотой и тотчас ставят ее под колокол, банку или аквариум (рис. 1). Выдерживают елочку под колоколом 10–15 мин, затем быстро, чуть-чуть приподняв колокол, помещают рядом с елочкой небольшую чашку с концентрированным раствором аммиака. Сразу же в воздухе под колоколом появляется кристаллический «снег», который оседает на елочке, и вскоре вся она покрывается кристаллами, похожими на иней.

Рис. 1 Опыт с елочкой

Этот эффект вызван реакцией хлороводорода с аммиаком:

НСl + NН₃ = NH₄Сl,

которая приводит к образованию мельчайших бесцветных кристалликов хлорида аммония, осыпающих елочку.

Искрящиеся кристаллы

Как поверить тому, что вещество при кристаллизации из водного раствора выделяет под водой сноп искр? Но попробуйте смешать 108 г сульфата калия К₂SO₄ и 100 г декагидрата сульфата натрия Nа₂SO₄•10Н₂О (глауберова соль) и добавить порциями при помешивании немного горячей дистиллированной или кипяченой воды, пока все кристаллы не растворятся. Раствор оставьте в темноте, чтобы при охлаждении началась кристаллизация двойной соли состава Nа₂SO₄•2К₂SO₄•10Н₂О. Как только начнут выделяться кристаллы, раствор будет искриться: при 60 °С слабо, а по мере охлаждения все сильнее и сильнее. Когда кристаллов выпадет много, вы увидите целый сноп искр.

Свечение и образование искр вызвано тем, что при кристаллизации двойной соли, которая получается по реакции

2К₂SO₄ + Na₂SO₄ + 10Н₂O = Nа₂SO₄•2К₂SO₄•10Н₂О,

выделяется много энергии, почти полностью превращающейся в световую.

Оранжевый свет

Появление этого удивительного свечения вызвано почти полным превращением энергии химической реакции в световую. Чтобы его наблюдать, к насыщенному водному раствору гидрохинона С₆Н₄(ОН)₂ приливают 10–15%-й раствор карбоната калия К₂СО₃, формалин – водный раствор формальдегида НСНО и пергидроль – концентрированный раствор пероксида водорода Н₂О₂. Свечение жидкости лучше наблюдать в темноте.

Причина выделения света – окислительно-восстановительные реакции превращения гидрохинона С₆Н₄(ОН)₂ в хинон С₆Н₄О₂, а формальдегида НСНО – в муравьиную кислоту НСООН:

С₆Н₄(ОН)₂ + Н₂О₂ = С₆Н₄О₂ + 2Н₂О,

НСНО + Н₂О₂ = НСООН + Н₂О.

Одновременно протекает реакция нейтрализации муравьиной кислоты карбонатом калия с образованием соли – формиата калия НСООК – и выделением диоксида углерода СО₂ (углекислого газа), поэтому раствор вспенивается:

2НСООН + К₂СО₃ = 2НСООК + СО₂ + Н₂О.

Гидрохинон (1,4-гидроксибензол) – бесцветное кристаллическое вещество. Молекула гидрохинона содержит бензольное кольцо, в котором два атома водорода в параположении замещены на две гидроксильные группы.

Гроза в стакане

«Гром» и «молния» в стакане воды? Оказывается, бывает и такое! Сначала взвесьте 5–6 г бромата калия КВrО₃ и 5–6 г дигидрата хлорида бария ВаС₁₂•2Н₂О и растворите эти бесцветные кристаллические вещества при нагревании в 100 г дистиллированной воды, а потом смешайте полученные растворы. При охлаждении смеси выпадет осадок малорастворимого на холоду бромата бария Ва(ВrO₃)_2:

2КBrO₃ + ВаСl₂ = Ва(ВrO₃)₂ + 2КСl.

Отфильтруйте выпавший бесцветный осадок кристаллов Ва(ВrO₃)₂ и промойте его 2–3 раза небольшими (5–10 мл) порциями холодной воды. Затем высушите промытый осадок на воздухе. После этого 2 г полученного Ва(ВrO₃)₂ растворите в 50 мл кипящей воды и профильтруйте еще горячий раствор.

Стакан с фильтратом поставьте охлаждаться до 40–45 °С. Это лучше всего сделать на водяной бане, нагретой до такой же температуры. Температуру бани проверяйте термометром и, если она понизится, снова подогрейте воду с помощью электрической плитки.

Закройте окна шторами или выключите свет в комнате, и вы увидите, как в стакане одновременно с появлением кристаллов будут то в одном, то в другом месте возникать голубые искры – «молнии» и раздаваться хлопки «грома». Вот вам и «гроза» в стакане! Световой эффект вызван выделением энергии при кристаллизации, а хлопки – возникновением кристаллов.

Дым из воды

В стакан наливают водопроводную воду и бросают туда кусочек «сухого льда» – твердого диоксида углерода СО₂. Вода тотчас же забурлит, и из стакана повалит густой белый «дым», образованный охлажденными парами воды, которые увлекает за собой возгоняющийся диоксид углерода. Этот «дым» совершенно безопасен.

Диоксид углерода. Твердый диоксид углерода возгоняется без плавления при низкой температуре, равной –78 °С. В жидком состоянии СО₂ может находиться только под давлением. Газообразный диоксид углерода – бесцветный, негорючий газ со слабым кисловатым вкусом. Вода способна растворять значительное количество газообразного СО₂: 1 л воды при 20 °С и давлении 1 атм поглощает около 0,9 л СО₂. С водой взаимодействует очень незначительная часть растворенного СО2, при этом образуется угольная кислота Н₂СО₃, которая только частично взаимодействует с молекулами воды, образуя ионы оксония Н₃О⁺ и гидрокарбонатные ионы НСО₃^–:

Н₂СО₃ + Н₂О НСО₃^– + Н₃О⁺,

НСО₃^– + Н₂О СО₃^2– + Н₃О⁺.

Таинственное исчезновение

Оксид хрома(III) поможет показать, как вещество бесследно исчезает, исчезает без пламени и дыма. Для этого складывают горкой несколько таблеток «сухого спирта» (твердого горючего на основе уротропина), а сверху насыпают щепотку предварительно разогретого в металлической ложечке оксида хрома(III) Сr₂O₃. И что же? Нет пламени, нет дыма, а горка постепенно уменьшается в размерах. Через некоторое время от нее остается только щепотка неизрасходованного зеленого порошка – катализатора Сr₂О₃.

Окисление уротропина (СН₂)₆N₄ (гексаметилентетрамина) – основы твердого спирта – в присутствии катализатора Сr₂O₃ идет по реакции:

(СН₂)₆N₄ + 9O₂ = 6СO₂ + 2N₂+ 6Н₂О,

где все продукты – диоксид углерода СО₂, азот N₂ и пары воды Н₂O – газообразны, бесцветны и не имеют запаха. Заметить их исчезновение невозможно.

Ацетон и медная проволока

Можно показать еще один опыт с таинственным исчезновением вещества, который на первый взгляд кажется просто колдовством. Готовят медную проволоку толщиной 0,8–1,0 мм: очищают ее наждачной бумагой и сворачивают в кольцо диаметром 3–4 см. Отгибают отрезок проволоки длиной 10–15 см, который будет служить ручкой, а чтобы держать ее было не горячо, на конец этого отрезка надевают кусок карандаша, из которого заранее удален грифель.

Затем наливают в стакан 10–15 мл ацетона (СН₃)₂СО (не забывайте: ацетон огнеопасен!).

Вдали от стакана с ацетоном нагревают кольцо из медной проволоки, держа ее за ручку, а потом быстро опускают его в стакан с ацетоном так, чтобы кольцо не касалось поверхности жидкости и находилось от нее в 5–10 мм (рис. 2). Проволока раскалится и будет светиться до тех пор, пока не израсходуется весь ацетон. Но ни пламени, ни дыма не будет! Чтобы опыт был еще эффектнее, в комнате гасят свет.

Рис. 2. Исчезновение ацетона

На поверхности меди, которая служит катализатором и ускоряет реакцию, протекает окисление паров ацетона до уксусной кислоты СН₃СООН и уксусного альдегида СН₃СНО:

2(СН₃)₂СО + О₂ = СН₃СООН + 2СН₃СНО,

с выделением большого количества теплоты, поэтому проволока раскаляется докрасна. Пары обоих продуктов реакции бесцветны, их выдает только запах.

«Сухая кислота»

Если в колбу положить кусочек «сухого льда» – твердого диоксида углерода – и закрыть ее пробкой с газоотводной трубкой, а конец этой трубки опустить в пробирку с водой, куда заранее добавили синий лакмус, то вскоре произойдет маленькое чудо.

Колбу слегка подогрейте. Очень скоро синий лакмус в пробирке покраснеет. Это значит, что диоксид углерода – кислотный оксид, при его реакции с водой получается угольная кислота, которая подвергается протолизу, и среда становится кислотной:

Н₂СО₃ + Н₂О НСО₃^– + Н₃О⁺.

Волшебное яйцо

Как очистить куриное яйцо, не разбивая скорлупы? Если опустить его в разбавленную соляную или азотную кислоту, то скорлупа полностью растворится и останутся белок и желток, окруженные тонкой пленкой.

Этот опыт можно продемонстрировать весьма эффектным способом. Надо взять колбу или стеклянную бутылку с широкой горловиной, налить в нее на 3/4 объема разбавленную соляную или азотную кислоту, положить на горловину колбы сырое яйцо, а потом осторожно подогреть содержимое колбы. Когда кислота начнет испаряться, будет происходить растворение скорлупы, и через недолгое время яйцо в эластичной пленке проскользнет внутрь сосуда с кислотой (хотя яйцо больше в сечении, чем горловина колбы).

Химическое растворение скорлупы яйца, главным компонентом которой является карбонат кальция, отвечает уравнению реакции:

СаСО₃ + 2НСl = СаСl₂ + Н₂О + СО₂.