Уксусная кислота слабая, и цинк растворяется в ней очень медленно пузырьки водорода еле выделяются. Как ускорить реакцию? Нагреть раствор. Правильно. А нельзя ли иначе? Поступим так: понемногу станем добавлять в пробирку чистую воду, каждый раз хорошо перемешивая. Внимательно последите за пузырьками. Удивительное дело: кислота уже разбавлена вдвое, втрое, а реакция вместо того чтобы замедляться, идет все быстрее!
Если вы ставите этот опыт на занятиях кружка, то замените цинк маленьким кусочком магниевой стружки и ничем ее не обрабатывайте. С разбавленной уксусной кислотой магний реагирует еще энергичнее, чем цинк.
Такое "исключение" из правила становится понятным, если его хорошо изучить. Наш опыт с уксусной кислотой объясняется следующим образом. Скорость, с которой цинк или магний взаимодействуют с кислотой, зависит от концентрации ионов водорода в растворе. Эти ионы образуются при растворении в воде любой кислоты. Но когда воды мало, слабая уксусная кислота находится в растворе почти исключительно в виде недиссоциированных молекул. По мере разбавления водой все больше молекул уксусной кислоты распадается на ионы, и реакция идет быстрее. Но если добавить слишком много воды, то реакция вновь замедлится, уже по другой причине: из-за сильного разбавления концентрация ионов водорода опять уменьшится. Быстрее всего реагирует с цинком 15%-ная уксусная кислота.
Конечно, мы разобрали этот опыт отнюдь не ради того, чтобы просто показать, какими необычными бывают химические превращения. Мы хотели обратить ваше внимание вот на что: для управления скоростью реакции обязательно надо знать, как она идет.
Всякая реакция начинается с того, что молекулы веществ сталкиваются друг с другом. Посмотрим, как начинается реакция.
Возьмите не очень широкую стеклянную трубку длиной в несколько десятков сантиметров и подберите к ней две пробки, С внутренней стороны, обращенной к трубке, вставьте в обе пробки по небольшому стеклянному стерженьку и намотайте на них по кусочку ваты. Один кусочек смочите несколькими каплями концентрированной соляной кислоты, другой - концентрированным раствором аммиака. Одновременно вставьте пробки с ватками в трубку с обеих концов. Через несколько минут - в зависимости от длины трубки - в ней, ближе к ватке с соляной кислотой, появится белое кольцо хлорида аммония NH4Cl.
Обычно при химических реакциях смесь перемешивают, чтобы процесс шел быстрее. Мы умышленно этого не сделали и не пытались даже помочь молекулам встретиться - они двигались сами. Такое самостоятельное передвижение молекул в той пли иной среде называют диффузией. Испаряясь с ваты, молекулы обоих веществ испытывали миллиарды столкновений в секунду с молекулами воздуха и друг с другом. И хотя скорость молекул очень велика, она исчисляется сотнями метров в секунду, при 0+С и нормальном давлении свободный пробег, т. е. расстояние, которое успевает пройти молекула от одного столкновения до другого, составляет для этих веществ всего около 0,0001 мм. Поэтому-то аммиак и хлористый водород (из соляной кислоты) так медленно двигались в трубке. Столь же медленно распространяется по комнате с неподвижным воздухом пахучее вещество.
Но отчего белое кольцо появилось не посередине трубки? Оттого, что молекулы аммиака меньше, они продвигаются через воздух быстрее. Если же из трубки откачать воздух, то молекулы аммиака и хлористого водорода встретятся через доли секунды - длина свободного пробега молекул значительно увеличится.
Советуем вам самостоятельно провести небольшое исследование, чтобы узнать, как влияют на диффузию силы тяжести и температура. Для этого располагайте трубку вертикально и наклонно, а также нагревайте отдельные ее части (включая то место, где оседает хлорид аммония). Выводы попробуйте сделать сами.
От газов перейдем к жидкостям. В них диффузия идет еще медленнее. Проверим это на опыте.
На гладкую и чистую стеклянную пластинку капните рядом по нескольку капель трех жидкостей: в середине - воды, по бокам от нее - растворов соды и соляной кислоты. Жидкости до начала опыта не должны соприкасаться. Затем очень осторожно, избегая перемешивания, палочкой соедините растворы. Должен выделяться диоксид углерода, но это произойдет не сразу. А когда газ начнет выделяться, то пузырьки его расположатся вдоль границы, разделяющейї области диффузии кислоты и соды.
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.
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, маленькимиї 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 пинцетомї 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.
Такой опыт после небольшой тренировки обычно удается хорошо. Для удобства попробуйте наматывать полученную нить на катушку. Вместо резиновой трубки можно взять большой шприц или старый велосипедный насос.
И вискозное, и ацетатное волокно получают примерно так же, только берут другие растворители для клетчатки. Во всех случаях ее молекулы располагаются таким образом, что образуется ориентированная нить.
Из нити, вами полученной, не соткать, наверное, и платочка. Но мы к этому и не стремились. Этот раздел книги называется, как вы помните, "Своими глазами", а вы и впрямь увидели собственными глазами,ї как из невзрачной бумаги, растворенной в темно-синей жидкости, получилась красивая шелковая нить.
ХИМИЧЕСКИЙ СТОРОЖ
Вот и последний опыт в нашей книге. Он, наверное,ї несколько сложнее предыдущих, потому что для него придется самостоятельно изготовить небольшой прибор. Мы назвали его химическим сторожем, а более строгое его название хемотронный датчик. Хемотроника - новая отрасль науки, она возникла на стыке электроники и химии. В отличие от электроникиї она изучает процессы в жидкости, где передвигаются ионы. Так как ионы намного тяжелее электронов, то хемотронные процессы идут медленнее. Но далеко не всегда быстродействие самое главное. Хемотронные устройства очень надежны, им уже сейчас находят много применений.
Разумеется, настоящие хемотронные приборы сложны. И все же вы можете сделать модель одного такого устройства - датчика. Прежде всего, любопытно посмотреть, как работают хемотроны. А вдобавок этот датчик наверняка сослужит вам добрую службу.