Олег Ольгин - Опыты без взрывов
Важное предупреждение: пирофорное железо нельзя хранить, это может привести к пожару! По окончании опыта порошок обязательно прокалите на воздухе или обработайте кислотой, чтобы не осталось несгоревших частиц — они могут самовоспламениться.
Далее исследуем, как влияет размер поверхности твердого вещества на скорость его реакции с жидкостью. Возьмите два одинаковых кусочка мела и один из них разотрите в порошок. Поместите оба образца в пробирки и залейте одинаковыми объемами соляной кислоты. Мелкораздробленный мел, как и следовало ожидать, растворится гораздо быстрее. Еще один кусочек мела поместите в пробирку с серной кислотой. Начавшаяся было энергичная реакция вскоре затихает, а затем и вовсе прекращается. Отчего же? Ведь серная кислота не слабее соляной…
При реакции мела с соляной кислотой образуется хлорид кальция СаСl2 который легко растворяется в воде и не мешает притоку к поверхности мела новых порций кислоты. При взаимодействии с серной кислотой получается сульфат кальция CaSO4, а он очень плохо растворяется в воде, остается на поверхности мела и закрывает ее. Чтобы реакция пошла дальше, надо время от времени очищать поверхность мела или заранее превратить его в порошок. Знание таких подробностей процесса очень важно для химической технологии.
И еще один опыт. Смешайте в ступке два твердых вещества, дающих окрашенные продукты реакции: нитрат свинца и иодид калия, железный купорос и красную кровяную соль, и т. д. — и разотрите смесь пестиком. Постепенно, по мере растирания, смесь начнет окрашиваться, так как поверхность взаимодействия веществ все увеличивается. Если же налить на смесь немного воды, то сразу появится интенсивная окраска — ведь в растворе молекулы передвигаются значительно легче.
И в заключение опытов по кинетике поставим количественный эксперимент; единственный инструмент, который понадобится, — это секундомер или часы с секундной стрелкой.
Приготовьте 0,5 л 3 %-ного раствора серной кислоты (лить кислоту в воду!) и столько же 12 %-ного раствора тиосульфата натрия. Перед растворением тиосульфата добавьте в воду несколько капель нашатырного спирта.
На две цилиндрические склянки (стаканы, стопки) вместимостью 100 мл нанесите метки на уровне 50; 25; 12,5 и 37,5 мл, последовательно разделяя высоту пополам. Пометьте склянки и налейте в них до верхних меток (50 мл) приготовленные растворы.
Обычный тонкий стакан вместимостью 200 или 250 мл поставьте на темную бумагу и вылейте в него раствор тиосульфата, а затем — кислоты. Сразу заметьте время и перемешивайте смесь в течение одной-двух секунд. Чтобы не разбить стакан, лучше пользоваться деревянной палочкой. Как только раствор начнет мутнеть, запишите время, прошедшее с начала реакции. Опыт удобно проводить вдвоем: один следит за часами, другой сливает растворы и сигнализирует о помутнении.
Вымойте стакан и проведите опыт еще трижды; раствор тиосульфата наливайте в стакан до третьей (37,5), второй (25) и первой (12,5 мл) меток, доливая каждый раз воду до верхнего деления. Количество кислоты во всех опытах остается постоянным, и общий объем реагирующей смеси всегда равен 100 мл.
Теперь начертите график: как зависит скорость реакции от концентрации тиосульфата. Концентрацию удобно выразить в произвольных единицах: 1, 2, 3 и 4. Отложите их на оси абсцисс. Но как подсчитать скорость реакции?
Точно это сделать нельзя хотя бы потому, что момент помутнения мы определяем на глаз, в известной мере субъективно. К тому же помутнение показывает только, что мельчайшие частицы серы, которые выделяются в ходе реакции, достигли такого размера, что их можно заметить. И все же, за неимением лучшего, примем начало помутнения за окончание реакции (что, кстати, не очень далеко от истины). Сделаем еще одно допущение: скорость реакции обратно пропорциональна ее продолжительности. Если реакция шла 10 секунд, то будем считать, что скорость равна 0,1. Отложите скорости на оси ординат.
Четыре опыта дали четыре точки, пятая — начало координат. Все пять точек расположатся примерно на одной прямой. Ее уравнение записывается так:
v == k [Na2S2O3]
где v— это скорость реакции, квадратные скобки — принятое в химической кинетике обозначение концентрации, а k— константа скорости, которую легко найти из графика.
Но скорость реакции должна зависеть и от концентрации серной кислоты. Оставляя количество тиосульфата неизменным и разбавляя серную кислоту, проверьте, как изменяется скорость реакции. Как ни странно, она не меняется!
Такие случаи не редкость. В нашем опыте идет сложная реакция, и ее продукт — сера выделяется не сразу при непосредственных столкновениях молекул тиосульфата и кислоты. И вообще реакций, где продукты получаются сразу, не так уж много.
В сложных последовательных реакцияхкакая-то стадия протекает медленнее остальных. В нашем случае — последняя, в которой и образуется сера. Именно ее скорость мы, по сути дела, и измеряли.
ИСКУССТВЕННОЕ ВОЛОКНО
В последние десятилетия химические волокна буквально завоевали мир. И хотя по-прежнему сеют хлопок и лен, разводят овец и коз, — даже к традиционным натуральным волокнам добавляют искусственные и синтетические для придания прочности, нарядности, несминаемости и других полезных свойств. Наконец, для экономии натуральных волокон…
Приготовить самостоятельно самые распространенные ныне химические волокна — полиамидные (типа капрона) и полиэфирные (типа лавсана) будет, пожалуй, сложновато. Остановим свой выбор на медно-аммиачном волокне. Это одно из самых первых искусственных волокон, сырьем для него служит целлюлоза, например, из опилок и других отходов лесной промышленности. Медноаммиачное волокно применяют и сейчас — в ковроткачестве, на трикотажных фабриках, но гораздо реже, чем раньше, потому что появились более прочные и дешевые волокна. Однако для самостоятельного эксперимента удобнее объекта, пожалуй, не найти.
Искусственные волокна формуют из вязких прядильных растворов, продавливая их сквозь узкие отверстия — фильеры. При этом растворенная клетчатка выделяется в виде нитей. В нашем случае основу раствора составляет соединение меди с аммиаком, имеющее общую формулу [Сu(NН3)n)(ОН)2. Чтобы приготовить такой раствор, прежде всего запаситесь основным карбонатом меди Сu(ОН)2CO3. Если нет готовой соли, приготовьте ее простейшим способом — слейте водные растворы медного купороса и кальцинированной (стиральной) соды, профильтруйте осадок и высушите его.
В склянку с узким горлышком налейте 20 мл 25 %-ного раствора аммиака (лучше делать это под тягой или на свежем воздухе) и добавьте 2 г основного карбоната меди. Закрыв склянку резиновой пробкой, взболтайте смесь, чтобы получилась темно-синяя однородная жидкость. Это медноаммиачный раствор. У него есть очень важное свойство: он способен растворять целлюлозу (клетчатку).
К двум небольшим склянкам подберите резиновые пробки и разлейте в эти склянки темно-синий раствор. В одну бросайте маленькими кусочками аптечную хлопчатобумажную вату; бросив очередную порцию ваты, закройте склянку пробкой и взболтайте содержимое. Во второй склянке точно так же, маленькими кусочками, растворите белую промокательную или фильтровальную бумагу. И в том и в другом случае должны получиться вязкие растворы, по густоте напоминающие сироп. Из них можно выделить клетчатку, составляющую основу волокна. Чтобы удостовериться в этом, налейте в стакан разбавленный уксус и по каплям прибавляйте любой из прядильных растворов. Хлопья клетчатки выпадут в осадок.
Однако из хлопьев пряжу не приготовить. Как же получить из раствора нить? Так же, как на заводе — продавливая раствор через узкое отверстие, причем в раствор серной кислоты — в нем фиксируется форма нити.
Чтобы посмотреть, как это происходит, поставьте такой опыт: в стакан с 10 %-ным раствором серной кислоты капайте из пипетки медноаммиачный раствор ваты или промокательной бумаги. Часть раствора будет опускаться на дно, оставляя за собой блестящую нить. Попробуйте ухватить эту нить пинцетом и осторожно вытянуть ее из стакана. Это и есть настоящее медноаммиачное волокно. Правда, нить получилась не очень ровной. Но это поправимо. Только ставить опыт надо вдвоем: один будет формовать нить, а другой извлекать ее из раствора.
Иглу от медицинского шприца вставьте по возможности плотнее в резиновую трубку с толстыми стенками. В трубку налейте прядильный раствор, закройте ее пробкой и погрузите иглу в ванночку или кювету с раствором серной кислоты. Ваш товарищ должен стоять с пинцетом наготове: вы будете сжимать постепенно трубку, а он подхватит пинцетом образовавшуюся нить и протянет ее через раствор, налитый в ванночку.
