Опыты без взрывов

Вместо соды и кислоты можно взять два любых растворимых в воде вещества, которые при смешивании окрашиваются или дают осадок. Впрочем, в таких опытах трудно избежать потоков жидкости, искажающих картину, поэтому лучше ставить опыты в загущенных растворах. А загущать их можно желатиной.

Приготовьте 4%-ный раствор желатины, опустив ее в горячую воду (не кипятить!). Горячий раствор налейте в пробирку и, когда он остынет, в центр пробирки быстро, одним движением, введите пинцетом кристаллик перманганата калия, медного купороса или другого ярко окрашенного и растворимого в воде вещества. Пинцет сразу же выньте осторожным, но быстрым движением. В течение нескольких часов можно наблюдать очень красивую картину диффузии. Растворяемое вещество распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, образуя окрашенную сферу.

С загущенным раствором можно поставить еще один опыт. Налейте горячий желатиновый раствор в две пробирки и добавьте в одну немного раствора щелочи, а в другую - фенолфталеина. Когда содержимое пробирок застынет, пинцетом быстро введите в центр первой пробирки кусочек таблетки фенолфталеина, в центр второй - комок кальцинированной соды. В обоих случаях появится малиновая окраска. Но заметьте: во второй пробирке окраска распространяется гораздо быстрее. Ионы гидроксида, образовавшиеся при диссоциации щелочи, намного меньше и легче сложной органической молекулы фенолфталеина, и поэтому они движутся в растворе быстрее.

Перейдем теперь к твердым веществам. В реакциях между ними (или между твердым веществом с жидкостью либо газом) молекулы могут сталкиваться только на поверхности. Чем больше поверхность раздела, тем быстрее идет реакция. Убедимся в этом. Железо на воздухе не горит. Однако это справедливо только для железных предметов. Например, у гвоздей поверхность соприкосновения с воздухом невелика, реакция окисления идет слишком медленно. Железные опилки реагируют с кислородом намногої быстрее: на холоду раньше превращаются в ржавчину, а в пламени могут и загореться. Мельчайшие же крупинки способны вспыхнуть вообще без нагревания. Такое железо называют пирофорным. Его невозможно настругать даже самым мелким напильником, так что получают его химическим путем, например, разлагая соль щавелевой кислоты - оксалатї железа.

Смешайте водные растворы какой-либо соли двухвалентногої железа, например железного купороса, и щавелевой кислоты или ее растворимой соли. Желтый осадок оксалата железа отфильтруйте и заполнитеї им пробирку не более чем на пятую часть объема. Нагрейте вещество в пламени горелки, при этом держите пробирку горизонтально или чуть наклонно, отверстием вниз и в сторону от себя. Выделяющиеся капли воды снимайте жгутом фильтровальнойї бумаги или ватой. Когда оксалат разложится и превратится в черный порошок, закройте пробирку и охладите ее.

Понемногу и очень осторожно высыпайте содержимое пробирки на металлический или асбестовый лист: порошок будет вспыхивать яркими искрами. Особенно эффектен опыт в затемненном помещении.

Важное предупреждение: пирофорное железо нельзя хранить, это может привести к пожару! По окончании опыта порошок обязательно прокалите на воздухе или обработайте кислотой, чтобы не осталосьї 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 реакциях какая-то стадия протекает медленнее остальных. В нашем случае - последняя, в которой и образуется сера. Именно ее скорость мы, по сути дела, и измеряли.