В былые времена, когда мыло было предметом роскоши, для стирки часто использовали другие, более доступные вещества, которые хотя и в меньшей степени, но все же отстирывали грязь. Попробуйте и вы, как действуют эти вещества. Можете взять для опыта порошок горчицы или отвар фасоли, но еще лучше - корни некоторых растений, например, примулы, вороньего глаза, цикламена, куколи. В этих корнях содержатся сапонины - вещества, обладающие моющим действием (возможно, в старых книжках вы встречали такое выражение мыльный корень). Все эти природные вещества стирают, конечно, хуже мыла, но вы без труда убедитесь, что они все же стирают.
Главу о моющих средствах закончим опытом, в котором, добавляя поверхностно-активные вещества и изменяя тем самым поверхностное натяжение воды, мы заставим предмет двигаться по воде.
Из тонкой медной проволоки сделайте плоскую спираль в несколько витков, слегка смажьте ее маслом или вазелином и очень осторожно опустите на поверхность воды. Поверхностное натяжение воды не дает спирали утонуть, а вода ее не смачивает. Теперь пипеткой аккуратно капните в самую середину спирали одну каплю мыльного раствора. Спираль сейчас же начнет вертеться. Растекаясь по поверхности, мыльный раствор доходит до конца спирали, выходит из нее и развивает небольшую реактивную тягу. Когда спираль остановится, капните мыльный раствор еще раз - вращение возобновится.
Такая спираль может послужить прибором для определения поверхностной активности различных жидкостей. Замените мыльный раствор другим веществом спираль станет двигаться с другой скоростью. Если капнуть раствор поваренной соли, то кругового движения не будет вовсе. А в растворе стирального порошка спираль быстро утонет. Он смывает слой масла, который удерживает проволоку на воде.
СВЕЧА ИЗ МЫЛА
Когда мы рассуждали о том, отчего мыло моет, то упоминали особое устройство его молекулы: "голова" и длинный "хвост", причем "голова" стремится к воде, а "хвост", напротив, от воды отталкивается...
Рассмотрим повнимательнее гидрофобный "хвост" - длинную углеводородную цепочку. Такого рода соединения очень распространены и крайне важны для промышленности. Они непременная составляющая часть многих жиров, масел, смазок и других полезнейших веществ. Одно из них - так называемый стеарин - мы сейчас и получим, взяв за основу хозяйственное мыло.
Ножом настрогайте с полкуска хозяйственного мыла и положите в чистую консервную банку (или в отслужившую свое кастрюльку). Налейте воды, так чтобы она с избытком покрывала мыльную стружку, и поставьте смесь на водяную баню. Помешивайте время от времени содержимое кастрюльки деревянной палочкой, чтобы мыло поскорее растворилось в воде. Когда это, наконец, произойдет, снимите сосуд с огня (разумеется, не голой рукой) и вливайте в него уксус. Под действием кислоты из раствора выделится и всплывет на поверхность густая белая масса. Это и есть стеарин - полупрозрачная смесь нескольких веществ, главным образом стеариновой C17H35COOH и пальмитиновой C15H31COOH кислот. Точный состав сказать невозможно, он зависит от веществ, которые пошли на приготовление мыла.
Из стеарина, как известно из художественной литературы, делают свечки. Вернее, делали раньше, потому что сейчас свечи большей частью не стеариновые, а парафиновые - получаемый из нефти парафин дешевле и доступнее. Но, коль скоро в нашем распоряжении есть стеарин, мы и приготовим из него свечу. Это, между прочим, само по себе занимательное занятие!
Когда банка совсем остынет, соберите стеарин с поверхности ложкой и переложите его в чистую посуду. Два-три раза промойте стеарин водой и заверните в чистую белую тряпку или в фильтровальную бумагу, чтобы впиталась лишняя влага. Когда стеарин совершенно высохнет, примемся за свечку.
Вот едва ли не самый простой прием: толстую витую нить, например, от фитиля для керосинки окунайте многократно в слегка подогретый расплавленный стеарин, каждый раз давая стеарину затвердеть на фитиле. Поступайте таким образом до тех пор, пока на фитиле не нарастет свеча достаточной толщины. Это хороший способ, хотя и несколько утомительный; во всяком случае, в давние времена так нередко готовили свечи.
Есть способ и попроще: сразу обмазать фитиль подогретым до размягчения стеарином (можно даже только что приготовленным, еще не остывшим). Но в этом случае фитиль будет хуже пропитываться плавкой массой и свеча получится не очень хорошей, хотя и будет гореть.
Для красивых, фигурных свечей и способы изготовления непросты. И прежде всего надо сделать форму - деревянную, гипсовую, металлическую. Фитиль и в этом случае желательно сначала пропитать одним-двумя слоями стеарина; затем его закрепляют в форме так, чтобы он проходил точно посередине. Желательно, чтобы фитиль был немного натянут. И уже после этого в форму заливают горячий стеарин.
Между прочим, таким образом можно делать свечи из парафина, т. е., собственно, из покупных свечей, расплавляя их и придавая им ту форму, какая вам по душе. Однако предупреждаем - придется повозиться...
Получив свечу из мыла, проведем опыт в обратном направлении: приготовим мыло из свечи. Только не из парафиновой, из нее мыла вообще нельзя сделать, ибо у молекул парафинов нет "голов". Но если вы уверены, что свеча стеариновая, то смело можете готовить из нее хозяйственное мыло. Годится также натуральный пчелиный воск.
Несколько обломков стеариновой свечи нагрейте на водяной бане, достаточно горячей, но не доведенной до кипения. Когда стеарин полностью расплавится, добавьте к нему концентрированный раствор стиральной (кальцинированной) соды. Образовавшаяся белая вязкая масса и есть мыло. Подержите его еще несколько минут на водяной бане, а затем, надев рукавицу пли обмотав руку полотенцем, чтобы не обжечься, вылейте еще горячую массу в какую-либо форму - хотя бы в спичечный коробок. Когда мыло застынет, выньте его из коробка.
Убедиться в том, что это мыло и что оно моет, трудя не составит. Только, пожалуйста, не используйте его для мытья рук - ведь мы не знаем, насколько чистыми были вещества, входившие в состав свечки.
МЕЛ, МРАМОР, СКОРЛУПА...
Кусочек природного мела СаСО3 смочите каплей соляной кислоты НСl (можно взять аптечную кислоту). Там, куда упала капля, заметно энергичное вскипание. Внесите кусочек мела с "кипящей" каплей в пламя свечи или сухого спирта. Пламя окрасится в красивый красный цвет.
Это явление известное: кальций, входящий в состав мела, делает пламя красным. Но зачем кислота? Она, реагируя с мелом, образует растворимый хлорид кальция CaCl2, его брызги уносятся газами и попадают непосредственно в пламя от этого опыт становится эффектнее.
К сожалению, такой опыт с прессованным школьным мелом не удается - в нем есть примесь соды (соли натрия), и пламя окрашивается в оранжевый цвет. Лучше всего опыт получается с кусочком белого мрамора, смоченного той же кислотой. А убедиться в том, что соли натрия окрашивают пламя в интенсивный желтый цвет, вы сможете, внеся в пламя крупинку соли NaCl (или просто слегка "посолив" огонь).
Для следующего опыта с мелом понадобится свеча. Укрепите ее на негорючей подставке и внесите в пламя кусочек мела (мрамора, ракушки, яичной скорлупы). Мел покрывается копотью - значит, температура пламени мала. Мы собираемся обжечь мел, а для этого нужна температура 700-800+С. Как же быть? Надо увеличить температуру, продувая через пламя воздух.
С аптечной пипетки снимите резиновый колпачок и вместо него наденьте резиновую или пластмассовую трубку. Дуйте в трубку таким образом, чтобы через оттянутый конец пипетки воздух попал в пламя над самым фитилем. Язычок пламени отклонится в сторону, температура его повысится. Направьте язычок на самую острую часть мелка. Этот участок раскалится добела, мел превратится здесь в жженую (негашеную) известь СаО, а заодно выделится диоксид углерода.
Проделайте эту операцию несколько раз с кусочками мела, мрамора, яичной скорлупы. Обожженные кусочки положите в чистую жестянку. Пока они остывают, самый большой кусочек поместите в блюдце и капните воды на то место, которое было накалено. Раздастся шипение, вся вода поглотится, а прокаленный участок рассыплется в порошок. Этот порошок - гашеная известь Са (ОН)2.
Добавьте воды побольше и капните раствор фенолфталеина. Вода в блюдце станет красной; значит, гашеная известь образует щелочной раствор.
Когда обожженные кусочки охладятся, поместите их в стеклянную банку или бутылку, залейте водой, закройте крышкой и взболтайте - вода станет мутной. Вы уже знаете, что мы сейчас получим известковую воду. Дайте жидкости отстояться и слейте прозрачный раствор в чистую склянку. Отлейте немного известковой воды в пробирку - и можно ставить с нею описанные ранее опыты с газами. А можно и фокусы, вроде превращения "воды" в "молоко" или "воды" в "кровь". Описание таких фокусов вы найдете в разделе "Ловкость рук".
ЭЛЕКТРОЛИЗ В СТАКАНЕ
Опыты с электричеством еще не раз встретятся вам в этой книге. Сейчас самые простые. Чтобы провести их, достаточно трех-четырех батареек для карманного фонаря.
Вообще-то опыты по электрохимии часто пытаются ставить дома, но не всегда они выходят: какая-нибудь мелочь - и ничего не получается. Если вы будете следовать всем нашим указаниям, можете быть уверены, что опыт удастся.
Начнем с очень простого, но тем не менее поучительного опыта. Для него понадобится один-единственный реактив: чернила любого цвета. Правда, придется немного потрудиться над прибором.
Возьмите две металлические полоски длиной 8-10 см и шириной 1-2 см. Они могут быть из железа, меди, алюминия - безразлично, лишь бы свободно проходили в прозрачный сосуд - высокую мензурку или большую пробирку. Перед опытом просверлите в пластинах с одной стороны отверстия для прикрепления проводников. Приготовьте две одинаковые, толщиной буквально в несколько миллиметров, пластмассовые или деревянные прокладки и склейте их с металлическими полосками так, чтобы те, расположившись параллельно, не касались друг друга. Клей годится практически любой - БФ, "Момент" и др.
В мензурку или пробирку налейте воду и капните в нее столько чернил, чтобы раствор не был очень насыщенного цвета (однако он не должен быть и прозрачным). Опустите в него конструкцию из двух полосок, соедините их проводками с двумя батарейками, подключенными последовательно, "плюс" к "минусу". Несколько минут спустя, чернильный раствор между пластинками станет светлеть, а на дне и вверху будут собираться темные частицы.
В состав чернила входят очень мелкие окрашенные частицы, взвешенные в воде. Под действием тока они слипаются и не могут уже плавать в воде, а опускаются на дно под действием силы тяжести. Понятно, что раствор при этом становится все более и более бледным.
Но как же частицы попали наверх? При действии тока на растворы нередко образуются газы. В нашем случае газовые пузырьки подхватывают твердые частицы и уносят их наверх.
В следующем опыте толстостенный чайный стакан, расширяющийся кверху, будет служить электролитической ванной. Приготовьте фанерный кружок такого диаметра, чтобы он прижался к стенке стакана в трех-четырех сантиметрах выше дна. В кружке заранее просверлите два отверстия (или вырежьте в нем по диаметру прорезь), неподалеку шилом проколите два отверстия: через них будут проходить проводки. В большие отверстия или в прорезь вставьте два карандаша длиной 5-6 см, очиненные с одного конца. Карандаши, точнее, их грифели, будут служить электродами. На неочиненных концах карандашей сделайте зарубки, чтобы обнажились грифели, и примотайте к ним оголенные концы проводков. Проводки скрутите и тщательно обмотайте изоляционной лентой, а чтобы изоляция была совсем надежной, лучше всего спрятать проводки в резиновых трубках. Все детали прибора готовы, остается только собрать его, т. е. вставить кружок с электродами внутрь стакана.
Поставьте стакан на тарелку и налейте в него до краев раствор стиральной кальцинированной соды Na2CO3 из расчета 2-3 чайные ложки на стакан воды. Таким же раствором заполните две пробирки. Одну из них закройте большим пальцем, переверните вверх дном и погрузите в стакан так, чтобы в нее не попал ни один пузырек воздуха. Под водой наденьте пробирку на электрод-карандаш. Точно так же поступите со второй пробиркой.
Батарейки - числом не менее трех - нужно соединить последовательно, "плюс" одной к "минусу" другой, а к крайним батарейкам подсоединить проводки от карандашей. Сразу начнется электролиз раствора. Положительно заряженные ионы водорода Н+ направятся к отрицательно заряженному электроду - катоду, присоединят там электрон и превратятся в газ водород. Когда у карандаша, подсоединенного к "минусу", соберется полная пробирка водорода, ее можно вынуть и, не переворачивая, поджечь газ. Он загорится с характерным звуком. У другого электрода, положительного (анода) выделяется кислород. Наполненную им пробирку закройте пальцем под водой, выньте из стакана, переверните и внесите тлеющую лучинку - она загорится.
Итак, из воды Н2О получился и водород Н2, и кислород О2; а для чего же сода? Для ускорения опыта. Чистая вода очень плохо проводит электрический ток, электрохимическая реакция идет в ней слишком медленно.
С тем же прибором можно поставить еще один опыт - электролиз насыщенного раствора поваренной соли NaCl. В этом случае одна пробирка наполнится бесцветным водородом, а другая - желто-зеленым газом. Это хлор, который образуется из поваренной соли. Хлор легко отдает свой заряд и первым выделяется на аноде.
Пробирку с хлором, в которой находится также немного раствора соли, закройте пальцем под водой, переверните и встряхните, не отнимая пальца. В пробирке образуется раствор хлора - хлорная вода. У нее сильные отбеливающие свойства. Например, если добавить хлорную воду к бледно-синему раствору чернил, то он обесцветится.
При электролизе поваренной соли образуется еще одно вещество - едкий натр. Эта щелочь остается в растворе, в чем можно убедиться, капнув в стакан возле отрицательного электрода немного раствора фенолфталеина или самодельного индикатора.
Итак, мы получили в опыте сразу три ценных вещества - водород, хлор и едкий натр. Именно поэтому электролиз поваренной соли так широко используют в промышленности.
С помощью тока и насыщенного раствора поваренной соли можно проделать еще один занимательный опыт. Займемся сейчас тем, что будем сверлить металл обыкновенным карандашом.
Приготовьте в чайном блюдце насыщенный раствор поваренной соли. Соедините проводком лезвие безопасной бритвы с положительным полюсом батарейки для карманного фонаря (лезвие будет анодом). На заточенном конце карандаша обломайте грифель и примерно на полмиллиметра выковыряйте его иголкой. На 2-3 см выше сделайте ножом зарубку до грифеля и намотайте на нее конец оголенного провода; это место оберните изоляционной лентой, а другой конец провода присоедините к отрицательному полюсу батарейки (карандаш будет катодом).
Положите лезвие в блюдце с раствором и коснитесь карандашом-катодом лезвия. Тотчас вокруг карандаша начнут бурно выделяться пузырьки водорода. А лезвие-анод будет растворяться: атомы железа приобретут заряд, превратятся в ионы и перейдут в раствор. Так минут через десять-пятнадцать в лезвии получится сквозное отверстие. Особенно быстро оно образуется, если батарейка новая, а лезвие тонкое (0,08 мм). В алюминиевой же фольге отверстие просверливается буквально за секунды.
Если вы захотите просверлить карандашом отверстие в определенном месте тонкой металлической пластинки, то лучше заранее покрыть обрабатываемую деталь лаком, а там, где вы будете сверлить, лак снять.
Углубление в грифеле понадобилось затем, чтобы грифель не касался металла. Иначе цепь сразу замкнется, ток не пойдет через раствор и никакого электролиза не будет.
Сверлить карандашом можно и без электролитической ванны (в нашем случае, без чайного блюдца). Пластинку-анод положите на доску или на тарелку, капните воды, обмакните карандаш, присоединенный к батарейке, в соль и погрузите заточенный его конец в каплю. Время от времени удаляйте тряпочкой продукты электролиза и наносите новую каплю. Повторяя эту операцию, можно, не прикладывая усилий, просверлить металлическую фольгу или жесть от консервной банки. Так же, между прочим, можно сделать отверстие в сломанном стальном ноже, чтобы приделать к нему новую ручку.
Конечно, для сверления металла толщиной более миллиметра одной батарейки мало - надо включить параллельно несколько батареек или воспользоваться понижающим трансформатором с выпрямителем - например, от детской железной дороги или от прибора для выжигания по дереву. И независимо от источника тока и способа электролиза придется несколько раз менять раствор электролита и хорошо очищать лунку - гвоздем или шилом.