Ложка исчезает, или три опыта с алюминием

Ложка исчезает, или три  опыта с алюминием

     Иногда  странным химическим превращениям подвергаются самые обыденные предметы и вещества, казалось бы, досконально нам известные. Кто не знает, что алюминиевая  посуда служит целыми десятилетиями? Но иногда с нею происходят удивительные вещи: она исчезает буквально на глазах.

     Возьмем алюминиевую ложку и тщательно  очистим ее мелкозернистой наждачной  бумагой, а потом обезжирим, опустив  на 5 – 10 минут в ацетон (СН₃)₂СО. После этого окунем ложку на несколько секунд в раствор нитрата ртути(II), содержащий в 100 мл воды 3,3 г Нg(NO₃)₂. Как только поверхность алюминия в растворе Нg(NO₃)₂ станет серой, ложку надо вынуть, обмыть кипяченой водой и высушить, промокая, но не вытирая фильтровальной или туалетной бумагой. На ваших глазах начнутся чудеса: металлическая ложка постепенно будет превращаться в белые пушистые хлопья, и вскоре от нее останется только невзрачная сероватая кучка «пепла».

     Что же произошло? Алюминий – активный в химическом отношении металл. Обычно он защищен от атмосферного кислорода и влаги тонкой пленкой на его поверхности, содержащей оксидный и молекулярный кислород в сложном химическом сочетании; это не просто оксид алюминия А1₂О₃, как это представляли себе раньше. Обрабатывая алюминий солью ртути, мы разрушаем защитную пленку. Вот как это происходит: находясь в растворе нитрата ртути(II), алюминий вытесняет (восстанавливает) из соли металлическую ртуть: 

     2А1 + 3Нg(NO₃)₂ = 3Нg↓ + 2Al(NO₃)₃ 

     Аl + Нg = (А1,Нg) 

     На  очищенной поверхности ложки  появляется тонкий слой амальгамы алюминия (сплава алюминия и ртути). Амальгама не защищает поверхность металла, и он превращается в пушистые хлопья метагидроксида алюминия:  

     4(А1,Нg) + 2Н₂О + ЗО₂ = 2АlO(OH)↓ + 3Н₂↑  

     Израсходованный в этой реакции алюминий пополняется  новыми порциями растворенного в ртути металла, а выделившаяся ртуть снова «пожирает» алюминий. И вот вместо блестящей ложки на бумаге остаются АlО(ОН) и мельчайшие капельки ртути, потерявшиеся в белых хлопьях метагидроксида алюминия.

     Если  после раствора нитрата ртути(II) алюминиевую ложку сразу же погрузить в дистиллированную воду, то на поверхности металла появятся пузырьки газа и чешуйки белого вещества. Это водород и метагидроксид алюминия:  

     2А1 + 4Н₂О = 2АlО(ОН) + 3Н₂↑  

     Подобным  же образом ведет себя алюминий в водном растворе хлорида меди(II) СuCl₂. Попробуйте опустить в этот раствор обезжиренную алюминиевую пластинку. Вы увидите образование коричневых хлопьев меди и выделение пузырьков газа. Выделение меди вполне объяснимо: более активный в химическом отношении металл алюминий восстанавливает медь из ее солей: 

     2А1 + 3СuСl = 3Сu↓ + 2А1Сl₃ 

     А как объяснить выделение газа? Оказывается, в этом случае тоже разрушается  защитная пленка на поверхности алюминия.   

Кислота-защитница

     Неожиданной защитницей алюминия оказывается концентрированная азотная кислота. Чтобы в этом убедиться, очищенную и обезжиренную алюминиевую проволоку опускают в пробирку, наполненную на треть высоты концентрированной азотной кислотой НNO₃, а через 5 минут вынимают и ополаскивают водой. Теперь погружают проволоку в другую пробирку с разбавленной (1:1) соляной кислотой НСl. Та часть проволоки, которая бывала в концентрированной азотной кислоте, останется без изменений, а на поверхности остальной (верхней) части проволоки начнется энергичное выделение газа.

     Протекает химическая реакция: алюминий взаимодействует  с соляной кислотой

     с выделением водорода и образованием хлорида алюминия АlСl₃ хорошо растворимого в воде: 

     2Al + 6HCl = 2AlCl₃ + 3H₂↑  

     Концентрированная азотная кислота пассивирует  алюминий, вызывая появление на активных участках его поверхности тончайшей защитной пленки. Она в дальнейшем защищает поверхность металла от опасных контактов с агрессивным раствором НСl.  

Зеркальная  колба

     Зеркала появились задолго до нашей эры. Сначала ими служили отполированные до блеска металлические пластинки из золота, серебра, меди и бронзы — сплава меди с оловом. Согласно летописям, с помощью бронзовых зеркал Архимед в 212 г. до н. э. сжег римские корабли в сражении при Сиракузах. Изготовлению зеркал современного типа (на стекле) положил начало в 1858 г. немецкий химик Юстус фон Либих.

     Либих поступал следующим образом. Обезжирив  внутреннюю поверхность колбы раствором  соды — карбоната натрия Na₂CO₃, он промывал ее водой, этиловым спиртом С₂Н₅ОН и диэтиловым эфиром (С₂Н₅)₂О. После этого Либих наливал в колбу несколько миллилитров 10%–ного водного раствора формальдегида НСНО. Добавив к смеси раствор аммиачного комплекса серебра состава [Ag(NH₃)₂]OH, он осторожно нагревал колбу, и через несколько минут она становилась зеркальной. Впоследствии вместо формалина Либих стал использовать для получения серебряного зеркала 10%-ный раствор глюкозы С₆Н₁₂О₆. Попробуйте повторить опыт Либиха, только точно следуйте его описанию.

     Чтобы приготовить раствор аммиачного комплекса серебра — гидроксида диамминсеребра(I) [Ag(NH₃)₂]OH, к водному раствору 1 г нитрата серебра в 100 мл воды по каплям добавляют 25%–ный водный раствор аммиака, пока выпавший вначале осадок оксида серебра Аg₂O не перейдет в раствор в виде комплексной соли. При этом происходят реакции: 

     2AgNO₃ + 2NH₃ + H₂O = Аg₂O↓ + 2NH₄NO₃ 

     Аg₂O + 4NH₃ + H₂O = 2[Ag(NH₃)₂]OH  

     Реакцию получения серебряного зеркала  описывает уравнение: 

     2[Ag(NH₃)₂]OH + НСОН = 2Ag↓ + HCOONH₄ + 3NH₃ + H₂O

     Комплексный катион [Ag(NH₃)₂]⁺ восстанавливается до металла Аg, а формальдегид окисляется до муравьиной кислоты НСООН, которая в присутствии избытка аммиака превращается в соль — формиат аммония НСООNH₄:  

     НСООН + NH₃ = НСООNH₄ 

     Реакции, вызывающие образование зеркала, стали  позднее использовать для качественного обнаружения в растворе альдегидов и глюкозы, а сам раствор комплексного соединения серебра получил название реактива Толленса по имени немецкого химика Бернгарда Толленса, предложившего в 1881 г. использовать это соединение в аналитической химии.  

Пожар под водой

     В 1808 г. английский химик Гемфри Дэви первым получил металлический магний. В то время о свойствах этого  металла не было известно ничего. Когда  кусочки полученного магния случайно загорелись, Дэви стал тушить их водой. Последовала вспышка, опалившая ему лицо. Сделаем этот опыт безопасным. Поставим перед собой прозрачный кран из оргстекла и наденем защитные темные очки (магний горит ослепительно белым пламенем). За экраном поместим стакан с водой, зажжем в металлической ложечке немного (не более 2 – 3 г) порошка магния и быстро опустим ложечку с горящим магнием в воду. Естественно, ложечка должна быть с длинной ручкой.

     Как только горящий магний коснется воды, она забурлит. Водород, выбрасываемый  водой, может вспыхнуть и гореть над ее поверхностью. Магний в воде будет гореть еще более ярким пламенем, чем на воздухе, а вода вокруг него начнет мутнеть.

     Этот  опыт можно осуществить и по-другому. Подожжем в фарфоровой чашке 2 – 3 г  порошка магния и затем с помощью  длинной пипетки вольем в чашку 5 – 10 мл воды. Сразу произойдет ослепительная вспышка.

     Магний  химически очень активен. Горящий  магний разлагает воду, превращаясь  в Мg(OH)₂; выделяющийся водород воспламеняется: 

     Мg + 2H₂O = Мg(OH)₂ + H₂↑  

     Горящий магний нельзя потушить ни водой, ни песком. Ведь песок — это диоксид кремния SiO₂, который, как и вода, будет взаимодействовать с горящим магнием с образованием оксида магния и аморфного кремния Si: 

     SiO₂ + 2Mg = Si + 2MgO 

     Только  асбестовые маты и асбестовые одеяла, помещенные на горящий магний, способны потушить пламя.  

Шаровая молния в растворе

     В 1868 г. французский химик Гастон Планте проводил электролиз водного раствора хлорида натрия и увидел на поверхности  жидкости у одного из электродов светящийся и вращающийся шарик. Шарик шипел  и потрескивал, как сало на сковородке. Планте посчитал, что этот шарик представляет собой маленькую шаровую молнию.

     Опыт  Планте нетрудно повторить на занятиях химического кружка. Предварительно собирают небольшую установку. К  электрической сети подключают автотрансформатор, а к нему — выпрямитель, позволяющий получить постоянный ток силой 10 А. Получится электролизер, роль которого будет играть химический стакан с электродами и раствором электролита, для контроля напряжения и силы тока подключают амперметр и вольтметр. Установку размещают в вытяжном шкафу, при чем экспериментатор должен надеть резиновые перчатки и защитные очки. Опыт проводят следующим образом.

     В химический стакан на половину его  емкости заливают дистиллированную воду и высыпают туда чайную ложку гидрокарбоната натрия NaHCO₃ (питьевой соды), а затем погружают в раствор на расстоянии около 1 см друг от друга два железных электрода (это могут быть толстые гвозди, железные или стальные пластинки). Электрод, соединенный с положительным полюсом выпрямителя (анод), погружают почта до дна стакана, а второй электрод (катод) — на глубину 2 – 3 мм от поверхности раствора.

     Включают  ток и начинают плавно повышать напряжение на электродах. Через некоторое время, когда амперметр покажет 3 А, раствор  электродов начнет пузыриться и над поверхностью его возникнет паровая дымка. Если напряжение поднять до 110 В, то у катода появляются искры. Раствор становится темно бурым, а во все стороны начинают лететь брызги. У катода, едва касающегося поверхности раствора, образуется устойчивое «пламя» овальной формы, слышится шипение, резкие хлопки. При напряжении 220 В пламя становится ярко-белым в центре и желтым по краям. Внешне оно будет напоминать шаровую молнию. Этот бело-желтый шарик — не что иное, как низкотемпературная плазма!

     Рассмотрим  химическую сторону наблюдаемого явления. У электродов протекают следующие  реакции:

            Катод (–):          2Н₂О + 2е^- =  Н₂↑ + 2ОН ^–

            Анод (+):           2НСО₃¯  – 2е^- =  2СО₂↑ + 2ОН ^–

            Fe + 3ОН ^–  – 3е^- = FeO(OH)↓ + H₂O 

     Образующийся  метагидроксид железа FeO(OH) вызывает появление темно-бурой окраски раствора. Желтый цвет края пламени — результат попадания в него брызг раствора с катионами натрия Na⁺, которые всегда делают бесцветное пламя желтым (это качественная реакция на натрий).  

Это тоже амальгама!

     Известно, что образование амальгамы свойство присущее многим металлам. Однако на этот раз речь пойдет об амальгаме аммония!

     В стеклянный цилиндр, поставленный на большую  фарфоровую тарелку, наливают до половины его высоты концентрированной водный раствор хлорида аммония NH₄Cl. К раствору добавляют 10 – 15 г жидкой амальгамы натрия (Na,Hg). Тотчас же начинается химическая реакция образования амальгамы аммония, очень неустойчивого вещества, быстро распадающегося на ртуть Нg, аммиак NH₃ и водород Н₂. Выделяющийся водород вспучивает амальгаму, и ноздреватая масса серого цвета медленно выползает из цилиндра на тарелку. Это эффектное зрелище связано с двумя реакциями: 

     (Na,Hg) + NH₄Cl = (NH₄⁺,Hg ^– ) + NaCl

     2(NH₄⁺,Hg ^– ) = 2NH₃↑ + 2Hg + H₂↑  

     В первой реакции амальгама аммония образуется, а во второй — она распадается. Как было установлено, атом ртути в амальгаме натрия «отбирает» у атома натрия электрон (это означает, что образуется меркурид натрия). Да и катион аммония в амальгаме не расстается со своим положительным зарядом, видимо, это тоже химическое соединение — меркурид аммония.  

Огниво  Дёберейнера

     Немецкий  химик Иоганн Дёберейнер в 1823 г. занимался  изучением химии платины. Он получил  губчатую, очень пористую платину  в виде черной массы мельчайших крупинок т («платиновую чернь»). Во время одного из опытов чернь в фарфоровой чашке случайно оказалась около прибора для получения водорода. Струя водорода попала на «чернь», он вспыхнул и загорелся. Дёберейнер сразу оценил значение своего открытия. Спичек в то время не было; чтобы зажечь огонь, прибегали к помощи кресала и трута. Дёберейнер сконструировал прибор для зажигания водорода, получивший название «огниво Дёберейнера» или «настольная химическая зажигалка».

     Попробуем воспроизвести опыт Деберейнера. В пробирку или коническую колбу с резиновой пробкой и стеклянной газоотводной трубкой поместим кусочки гранулированного цинка Zn, прильем до 1/3 объема разбавленную (1:2) серную кислоту и добавим несколько капель водного раствора сульфата меди(II) СuSO₄, позволяющего ускорить выделение водорода по реакции: 

Zn + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂↑

     После этого к оттянутому концу газоотводной трубки поднесем пинцетом кусочек платинированного асбеста (он более удобен в обращении, чем платиновая чернь). Одна - две  минуты — и платинированный асбест раскаляется, поджигая водород, который горит бесцветным пламенем со слабым голубоватым оттенком. Платинированный асбест служит катализатором окисления водорода.

Неугасимый  магний

     Когда при случайном возгорании магниевой  ленты или стружек этого металла их пытаются затушить «углекислотным» огнетушителем (т. е. струей газообразного диоксида углерода СО₂), то ничего хорошего из этого не получается. Удивительно, но этот металл продолжает пылать и в углекислом газе, который, как известно, не поддерживает горения.

Посмотрим, как это происходит. Стеклянный цилиндр  емкостью 1 л наполним диоксидом  углерода из аппарата Киппа или из баллона с углекислым газом. Газ  обычно подводят по длинной трубке — так вот, пусть эта стеклянная трубка будет опущена до самого дна цилиндра. Зажжем лучинку и внесем ее в верхнюю часть цилиндра. Если она потухнет, цилиндр полон углекислого газа. И пусть СО₂ понемногу поступает в цилиндр во время опыта. Теперь, взяв щипцами магниевую ленту, очищенную наждачной бумагой, зажигаем ее и опускаем медленно в цилиндр, И что же?.. Магниевая лента продолжает гореть, а стенки цилиндра покрываются черно-белым налетом.

     Магний  принадлежит к числу сильных  восстановителей. Он взаимодействует  с СО₂, выделяя из него углерод и присоединяя к себе кислород: 

     2Мg + CO₂ = 2MgO + C 

Налет на стенках цилиндра — это смесь  белого оксида магния и чёрного угля. Если этот налет обработать разбавленной соляной кислотой, получится прозрачный раствор хлорида магния с плавающими в нём частичками угля: 

     МgO + 2HCl = MgCl₂ + H₂O   

Серебряная  монета

«Медную» (на самом деле — латунную) монету можно сделать «серебряной». Для  этого ее надо сначала опустить с  помощью пинцета в фарфоровую чашку с концентрированной азотной  кислотой. Затем, ополоснув монету в чистой воде, следует перенести ее в другую чашку с раствором нитрата ртути (II). Через 1—2 минуты монету можно вынуть из раствора, промыть в воде и вытереть сухой тряпочкой: монета стала «серебряной». Но долго она такой не будет — уже через сутки ртуть испарится и монета примет прежний вид.

Процесс «серебрения» основан на образовании  амальгамы меди, которая образуется после реакции меди с нитратом ртути(II): 

     Cu + Hg(NO₃)₂  = Cu(NO₃)₂  + Hg↓

     Hg + Cu = (Cu,Hg) 

При выполнении опыта надо помнить, что соли ртути и ртуть ядовиты.  

Растворимая ложка

     Чайная  ложка, изготовленная из легкоплавкого  сплава Вуда (температура плавления 69⁰С), при 80 ⁰С полностью расплавится. Следовательно, в горячем чае такая ложка будет превращаться в бесформенный комок металла. Чтобы «чудо» выглядело еще более эффектно, можно обклеить нижнюю часть стакана с чаем черной бумагой — тогда слиток металла не будет виден.

Состав  сплава Вуда: 25% свинца, 12,5% олова, 12,5% кадмия, 50% висмута.