ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

В опытах, которые так похожи на фокусы, бесцветные растворы окрашивались то в один, то в другой цвет, и происходило это сразу же, как по мановению волшебной палочки. И действительно, химические реакции идут очень быстро и, как правило, начинаются сразу же после смешения реагентов. Однако из этого правила есть исключения. Реакционная смесь может оставаться какое-то время бесцветной, а затем мгновенно окраситься. Хотите—через пять секунд, хотите—через десять; вы сами можете поставить «химические  часы»  на  требуемое время.

Приготовьте два раствора. Состав первого: 3,9 г йодата калия KJO₃ на литр воды. Состав второго: 1 г сульфита натрия Na₂SO₃, 0,94 г концентрированной серной кислоты (осторожно!) и немного, несколько миллилитров крахмального клейстера — тоже на литр воды. Оба раствора бесцветны и прозрачны.

Отмерьте по 100 мл обоих растворов и быстро, лучше при перемешивании, прилейте второй к первому. Опыт удобнее ставить вдвоем—пусть ваш товарищ сразу же начнет отсчет времени по секундомеру или по часам с секундной стрелкой. Через шесть-восемь секунд (точное время зависит от температуры) жидкость мгновенно окрасится в темно-синий, почти черный цвет.

Теперь отмерьте вновь 100 мл второго раствора, а 50 мл первого разбавьте водой ровно вдвое. С секундомером в руках вы убедитесь, что время, прошедшее с момента сливания растворов до их окрашивания, тоже увеличится в два раза.

Наконец, смешайте 100 мл второго раствора с 25 мл первого, разбавленного водой вчетверо, т. е. до тех же 100 мл. «Химические часы» будут работать в четыре раза дольше, чем в первом опыте.

Этот опыт демонстрирует один из фундаментальных химических законов — закон действия масс, согласно которому скорость реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Но вот в чем вопрос: почему растворы окрашиваются мгновенно после паузы, а не равномерно и постепенно, как этого следует ожидать?

Серная кислота в растворе вытесняет йодат- и сульфит-ионы из их солей. При этом в растворе образуется йодоводородная кислота HI, но живет она недолго и тут же вступает во взаимодействие с йодноватой кислотой HJO₃. В результате выделяется свободный йод, он-то и дает цветную реакцию с крахмалом.

Если бы все шло именно так, то раствор и темнел бы постепенно, по мере выделения иода. Однако параллельно идет еще один процесс: сернистая кислота Н₂SO₃ реагирует со свободным иодом и вновь образуется иодоводородная кислота. Эта реакция идет быстрее предыдущей, и йод, не успев окрасить крахмал, снова восстанавливается до JO3-.

Выходит, что окраска не должна появиться вовсе? Обратите внимание: в ходе реакции сернистая кислота непрерывно расходуется, и как только вся она превратится в серную, иоду ничто уже не будет мешать реагировать с крахмалом. И тогда раствор мгновенно окрасится по всему объему.

Разбавляя раствор вдвое и вчетверо, вы уменьшали концентрацию иодата калия, и скорость реакции уменьшалась пропорционально.

Объяснение, кажется, заняло больше времени, чем сам опыт с часами...

РАДУГА БЕЗ СОЛНЦА

В химических исследованиях очень часто используют оптические способы. Явление, которое вы сейчас будете наблюдать, применяют для того, чтобы определить температуру плавления вещества.

Подготовьте около пятнадцати одинаковых пластинок из тонкого стекла (годятся, например, старые фотопластинки). Горячей водой смойте с них эмульсию и нарежьте на квадратики размером примерно 5 х 5 см. Десять таких квадратиков положите один на другой и с торцов обмотайте изоляционной лентой, чтобы стопка не рассыпалась. На одну из оставшихся пластинок насыпьте немного тиосульфата натрия (гипосульфита) и аккуратно подогрейте, чтобы кристаллы расплавились. Другую свободную пластинку нагрейте и сразу накройте ею расплав. Между пластинками образуется тонкий прозрачный слой расплавленной соли. Если он окажется мутным, добавьте немного, буквально одну-две капли воды. При остывании расплава на воздухе гипосульфит начнет кристаллизоваться; это само по себе любопытно наблюдать через увеличительное стекло.

Положите на стол лист черной бумаги, а поверх него — чистое тонкое стекло. Включите яркую лампу и сядьте у стола так, чтобы сквозь стопку, которую вы будете держать, было видно отражение лампы в тонком стекле, лежащем на столе. Меняя наклон стопки, наклоняясь ближе к столу, либо отдаляясь от него, найдите такое положение, при котором отраже ние лампы померкнет. На стопку лучше смотреть под острым углом. Если вам мешает прямой свет от лампы, прикройте стопку экраном или ладонью, но так, чтобы видеть свет, отраженный от стола.

Свободной рукой возьмите пластинки с гипосульфитом и поместите их между стопкой и столом так, чтобы они оказались на пути света. Слегка поворачивайте и наклоняйте их—и вы увидите очень красивую радугу.

Объяснение опыта завело бы нас в мир уже нс химических, а физических явлений. Расскажем только, как с помощью таких стопок — их называют поляризационными—измеряют температуру плавления. Радуга, которую вы наблюдали, появляется только в кристаллах. Если же постепенно нагревать твердое вещество, то в тот самый момент, когда вещество перейдет в жидкое состояние, радуга исчезнет.

СВЕТЯЩИЕСЯ РАСТВОРЫ

Во время некоторых химических реакций часть энергии выделяется в виде света. Такой процесс называют хемилюминесценцией. Иногда хемилюминесценция происходит в живых организмах: самый наглядный пример — всем известные светляки. Слабое свечение появляется и при окислении некоторых органических соединений. Вы можете наблюдать его в опыте с окислением гидрохинона. Заключительную стадию этого опыта надо проводить в темноте, чтобы свечение было лучше заметно.

Растворите 1 г гидрохинона и 5 г карбоната калия (поташа) в 40 мл аптечного формалина — водного раствора формальдегида. Перелейте реакционную смесь в большую колбу или в бутылку емкостью не менее литра.

В небольшом сосуде приготовьте 15 мл концентрированного раствора пероксида (перекиси) водорода. Можно воспользоваться таблетками гидроперита — соединения пероксида водорода с мочевиной (второй компонент опыту не помешает). Поставьте оба сосуда в темной комнате так, чтобы они были под рукой. Как только глаза привыкнут к темноте, добавьте раствор пероксида в большой сосуд. Тотчас смесь начнет вспениваться (из-за этого мы и просим вас взять сосуд побольше) и появится отчетливое оранжевое свечение.

Химическая энергия, выделяющаяся при окислении гидрохинона пероксидом в щелочной среде, почти полностью переходит в световую, а не в тепловую, как обычно. Тем не менее тепло в реакции тоже выделяется, поэтому формальдегид немного испаряется. А так как он неприятно пахнет, то, во-первых, не наклоняйтесь над сосудом и, во-вторых, сразу после опыта проветрите помещение.

Свечение может появиться не только при окислении. Иногда оно возникает при кристаллизации. Явление это давно известно; вы можете наблюдать его.

Самый простой объект наблюдения — поваренная соль. Растворите ее в воде, причем соли возьмите столько, чтобы на дне стакана оставались нерастворившиеся кристаллы. Полученный насыщенный раствор перелейте в другой стакан и по каплям, с помощью пипетки, осторожно добавляйте к этому раствору концентрированную соляную кислоту. Соль начнет кристаллизоваться и при этом возникнет свечение—в растворе будут проскакивать маленькие искры. Чтобы заметить их, опыт также надо ставить в темноте.

Подобным образом ведут себя при кристаллизации и некоторые другие соли—хлорид калия, хлорат бария. Во всех случаях искры появляются лишь при добавлении соляной (хлороводородной) кислоты. Но, пожалуй, наиболее эффектен опыт со смесью сульфатов калия и натрия. Смешайте 200 г калиевой и 80 г натриевой соли и небольшими порциями добавляйте к ним горячую воду. Когда все кристаллы растворятся, оставьте раствор для охлаждения. Помещение, в котором вы ставите опыт, должно быть затемнено. Первые, совсем слабые искры появятся уже при 60°С. Потом их будет становиться все больше и больше. Когда кристаллов выпадет много, вы увидите целый сноп искр, но этого приходится ждать долго — иной раз целый час. Если приложить ухо к стенке сосуда, можно услышать нечто вроде грома. Свечение в этом случае вызвано, вероятно, образованием двойной соли 2K₂SO₄*Na₂SO₄*10H₂O.

Раствор с кристаллами не выливайте — опыт можно повторить и после того, как свечение прекратится. Проведите стеклянной палочкой по кристаллам, которые находятся под жидкостью, или просто встряхните несколько раз сосуд с кристаллами—искры появятся вновь.

Вот еще опыт со свечением при кристаллизации (это явление называют кристаллолюминесценцией), Для него придется приготовить бромат бария Ва(ВrO₃)₂ из более доступных веществ—бромата калия КВrО₃ и хлорида бария ВаСl₂. Так как растворимость первого из них невелика, придется брать разбавленные растворы, примерно 3 %-ной концентрации. Если смесь реагентов охлаждать, то в осадок выпадет искомая соль: в холодной воде бромат бария почти не растворяется.

Отфильтруйте, промойте холодной водой и высушите бромат бария, затем отвесьте 2 г, растворите в 50 мл кипятка и вновь профильтруйте раствор. Стакан с раствором поставьте охлаждаться, но не при комнатной температуре, а при несколько более высокой — 40—45 °С (лучше всего — в сушильном шкафу). При этой температуре в растворе будут появляться голубые искры и раздаваться хлопки—опять микрогроза в химическом стакане...

СВЕЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Раствор бромата бария, приготовленный в предыдущем опыте, охладите до комнатной температуры; в осадок должны выпасть белые кристаллы соли. Когда их соберется достаточно, разотрите их стеклянной палочкой. Может быть, и не с первого раза (требуется навык), но при растирании появятся вспышки света.

По какой же причине — ведь химические процессы уже не идут, и кристаллизация тоже закончилась?

Действительно, причина тут иная—трение. И явление это — триболюминесценция (по-гречески трибос—трение). Есть вещества, которые очень чувствительны к трению и начинают светиться в темноте не только при растирании, но даже при встряхивании. Правда, эти вещества—не из самых распространенных, но может быть, они есть в школьном кабинете химии или в химическом кружке. Вот два из них: сульфид цинка ZnS с добавкой 0,02 % сульфида марганца MnS; сульфид кадмия CdS. Однако среди веществ, испускающих свет при трении, есть и на удивление обыденные. Например, сахароза.

В большую фарфоровую ступку насыпьте на дно немного рафинированного (т. е. очищенного) сахарного песка. Войдите в темное помещение и пробудьте в нем несколько минут. Когда глаза привыкнут к темноте, сначала медленно, потом постепенно убыстряя темп, растирайте круговыми движениями сахарный песок фарфоровым пестиком. Вскоре появятся голубоватые искры, которые сольются в светящееся кольцо. Если не убыстрять темп растирания, то искры будут вспыхивать под пестиком тут и там.

Упрощенный вариант опыта: крепко зажмите в руке кусок сахара-рафинада и чиркните им несколько раз по шероховатой поверхности — фаянсовой, керамической. Проделайте это, как и прежде, в темноте. Если глаза к ней привыкли, вы увидите светящиеся полосы, которые гаснут, едва вспыхнув.

Излучение при триболюминесценцин объясняется электрическими разрядами, возникающими при разрушении кристаллов. Вот почему оно прекращается, когда кристаллы сахара в ступке уже перетерты. Сахарная пудра от трения не светится.