Ложка исчезает, или три опыта с алюминием

Вулкан  Бёттгера

В 1843 г. Рудольф Бёттгер получил дихромат аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ — оранжево-красное кристаллическое вещество. Он решил испытать это вещеcтво на способность взрываться от удара и воспламеняться от горящей лучины. Удар молотом на чугунной плите всего лишь превратил кристаллы дихромата аммония в порошок. Затем, насыпав на тарелку Горку кристаллов, Вёттгер поднес к ней горящую лучинку. Кристаллы не вспыхнули, но вокруг конца горящей лучинки что-то закипело, начали стремительно вылетать раскаленные частицы. Горка стала увеличиваться и скоро приняла внушительные размеры. Изменился и ее цвет: вместо оранжевого он стал зеленым.                                                                                                                                            Позднее было установлено, что дихромат аммония самопроизвольно разлагается не только от зажженной лучинки или спички, но и от нагретой стеклянной палочки. При этом выделяется газообразный азот N₂, пары воды, твердые частички раскаленного оксида хрома Сr₂O₃ и большое количество теплоты.                                                                                                                            Идет внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция:                                                (NH₄)₂Cr₂O₇ = Сr₂O₃ + N₂↑ + 4H₂O↑  

                                                      Железный вулкан Лемери

Французский химик, аптекарь и врач Никола Лемери в 1б73 наблюдал нечто похожее на вулкан, когда, смешав в железной чашке 2 г  железа Fе в виде опилок и 2 г порошкообразной серы S, дотронулся до смеси сильно нагретой стеклянной палочкой. Буквально через несколько секунд из смеси начали вылетать частицы черного цвета, а сама она сильно увеличившись в объеме, так разогрелась, что начала светиться.                                                                                 Вулкан Лемери — результат взаимодействия железа и серы:  Fe + S = FeS                                          Эта реакция сопровождается значительным выделением энергии в форме теплоты. 

                                                             Цинковый вариант

     Шведский  химик Георг Брандт исследовал свойства цинка и выполнил опыт, похожий  на реакцию Лемери. Он смешал тонко  из мельченные серу (1 г) и цинк (2 г), а  потом прикоснулся к смеси раскаленным железным шпателем. Появились пламя и густой белый дым, содержащий мельчайшие частицы сульфида цинка ZnS:  Zn + S = ZnS  

                                  !!!      Ферратный вулкан

Чтобы показать эффектный  опыт — извержение ферратного вулкана, смешивают 1 г железного порошка или железной пудры с 2 г сухого нитрата калия КNO₃, предварительно растертого в ступке. Смесь помещают в углубление горки, сделанной из 4—5 столовых ложек сухого просеянного речного песка, смачивают этиловым спиртом или одеколоном и поджигают.                                                                                                                                

Начинается бурная реакция с выделением искр, буроватым  дымом и сильным разогревом —  почти полная картина вулканической деятельности!                                                                   При взаимодействии нитрата калия с железом образуется феррат(VI) калия К₂FeO₄ и газообразный монооксид азота NO, который окисляется на воздухе и дает красно-бурый газ — диоксид азота NO₂:      2KNO₃ + Fe = K₂FeO₄ + 2NO↑        2NO + O₂ = 2NO₂                                                                      Если твердый остаток после окончания реакции поместить в стакан с холодной кипяченой водой, получится красно-фиолетовый раствор феррата(VI) калия. При подкислении этого раствора происходит выделение кислорода O₂:

Угольный  вулкан

В фарфоровой чашке  расплавляют 2—3 г нитрата калия  КNO₃ и в расплав бросают кусочек древесного угля. Происходит «извержение вулкана»: уголь начинает ярко гореть, подпрыгивая над расплавом, и может даже вылететь из чашки. Поэтому перед опытом нужно надеть защитные очки, а после начала горения надо отойти от чашки подальше, на расстояние полтора-два метра.                                                                                                                                           Реакция заканчивается образованием нитрита калия КNO₂ и выделением диоксида углерода СО₂:   2КNO₃ + С = 2КNO₂ + СО₂↑                                                                                                                                            Этот вулканический опыт будет выглядеть особенно эффектно, если показывать его в сумерках или ночью на открытом воздухе. Показывая этот и другие подобные опыты, позаботьтесь о безопасности зрителей, усадив их подальше. Помните: нельзя наклоняться над вулканом  и прикасаться к нему, пока процесс не закончится и все вещества не остынут!   

                                                               Дымящий вулкан

На дно высокого химического стакана насыпают слой песка толщиной 3—4 см и ставят фарфоровую чашку, в которую из пипетки наливают по 10 мл концентрированной азотной  кислоты HNO₃ (плотностью 1,50 г/мл) и концентрированной серной кислоты Н₂SO₄ (плотностью 1,84 г/мл). Стакан с чашкой помещают в вытяжной шкаф и из пипетки приливают по каплям только что перегнанный скипидар. Каждая капля, попадая на поверхность смеси двух кислот, воспламеняется и сгорает с выделением густого черного дыма с большим количеством копоти.     Азотная кислота является окислителем скипидара, а серная кислота действует как обезвоживающее средство, при сгорании скипидара образуются вода и диоксид углерода СО₂.  

                                                             !!!   Вулкан Шееле

В 1779 г. шведский аптекарь-химик  Карл Шееле впервые получил глицерин и назвал полученную жидкость  «сладкое масло». Изучая свойства глицерина, он однажды смешал его с кристаллическим перманганатом калия. Неожиданно произошла вспышка смеси.                            Теперь этот эффектный опыт с выбросом огня осуществляют следующим образом.                       В фарфоровую чашку или на керамическую плитку насыпают в виде горки тщательно растертый в ступке перманганат калия КМnО₄. В вершине горки делают небольшое углубление, вносят ту да несколько капель глицерина С₃Н₅(ОН)₃, не содержащего примеси воды, и сразу же отходят в сторону: сейчас «вулкан» проснется! Через 1—2 минуты происходит вспышка фиолетового цвета из-за разбрызгивания небольшой части КМnО₄; глицерин при этом воспламеняется.                Реакция, вызвавшая вспышку, отвечает уравнению:                                                                 14КМnО₄ + 3С₃Н₅(ОН)₃ = 7K₂CO₃ + 14MnO₂ + 12H₂O↑ + 2CO₂↑                                                                               и сопровождается большим выделением энергии в форме теплоты и газообразных продуктов (СО₂, пары воды), которые увлекают за собой раскаленные твердые частицы диоксида марганца МnО₂ и карбоната калия К₂CO₃. Полная иллюзия извержения вулкана! 

                                                Ганс Гольдшмидт и вулканический термит

В 1898 г. немецкий инженер-металлург  Ганс Гольдшмидт изобрел способ выплавки металлов из их оксидов с помощью  алюминия как восстановителя. Смесь  порошкообразных алюминия и оксида выплавляемого металла он назвал термитом (от греческого «терме» — жар, теплота). В реакциях с участием оксидов металлов и алюминия развивается температура около 2400 °С, а сама эта окислительно-восстановительная реакция начинается, когда температура смеси достигает 1000 °С. Способ получения металлов с помощью термита назвали алюмотермией, а смесь порошков оксида металла и алюминия — термитом Гольдшмидта.               Попробуем провести получение железа из его оксида Fe₂O₃ способом Гольдшмидта, который внешне напоминает извержение лавы из кратера вулкана. Для опыта предварительно готовят совершенно сухой речной песок, высушивая его при 200 ^oС в сушильном шкафу или просто в духовке. Одновременно высушивают небольшой цветочный горшок. Ненужный железный тазик наполняют сухим песком, а над ним укрепляют в кольце штатива глиняный цветочный горшок и закрывают его донное отверстие листом фильтровальной бумаги. Высушенные порошки оксида железа(III) и алюминия смешивают в соотношении 3:1 по массе. Этой смеси — термита — берут не более 200 г (около 50 г Аl и приблизительно 150 г Fe₂O₃) и засыпают ее в горшок на 3/4 его объема. Для приготовления термитной смеси не следует вместо алюминиевого порошка брать алюминиевую пудру: реакция с ней идет слишком бурно и приводит к разбрызгиванию смеси.                                                                                        В термитной смеси, засыпанной в горшок, делают по центру углубление и помещают в него запал — обрезок магниевой ленты, зачищенной мелкозернистой наждачной бумагой. С помощью длинной лучинки зажигают магниевую ленту и быстро отходят в сторону на расстояние 2—3 м. После того как сгорает запал, начинается бурная реакция. Над горшком появляется пламя и дым, из него вылетают раскаленные частички оксида железа(III), а из донного отверстия вытекает струйка расплавленного железа, образовавшегося по реакции: 2Al + Fe₂O₃ = 2Fe + Al₂O₃        Алюминий — металл, более активный в химическом отношении, чем железо, поэтому он в полной мере проявляет свою восстановительную способность, отнимая у оксида железа(III) кислород и превращаясь в оксид алюминия Аl. Когда расплавленное железо остынет, извлекают образовавшийся королек из песка и очищают от шлака — оксида алюминия.                                      Теперь понятно, почему песок должен быть совершенно сухим? Из влажного песка будет испаряться вода, и капли расплавленного железа начнут разбрызгиваться. В этом случае опыт станет крайне опасным.  

                                                                   Цинковый вулкан

Давайте смастерим  вулкан из 1,5 г цинковой пыли и 2 мл тетрахлорида углерода ССl₄. Смешаем эти вещества и добавим к смеси 1—2 г оксида магния МgO или такое же количество оксида цинка ZnO, чтобы Получить густую массу. Затем на листе железа или в старой миске сделаем из этой массы горку. Дальнейшие операции надо выполнять в вытяжном шкафу либо на открытом воздухе. Разместим железный лист или миску со смесью на двух кирпичах, между которыми разведем небольшой костер. Ясно, что в лаборатории вместо костра можно будет взять спиртовку. Все это будет необходимо, чтобы разогреть смесь до 150— 200 ^оС. Как только такая температура достигнута, начинается бурная реакция. Из смеси то появляется, то исчезает пламя, выделяется густой черный дым. Вот вам и вулкан в момент извержения!                              Тетрахлорид углерода и цинк реагируют с образованием хлорида цинка ZnCl₂ и углерода (сажи):    СCl₄ + 2Zn = 2ZnCl₂↓ + C                                                                                                                         Хлорид цинка легко испаряется, а на холоду конденсируется в твердые частицы, жадно поглощающие из воздуха влагу.  

                                                                      Йодный вулкан

Для этого опыта  смешиваем 10 г йода, мелко истертого  в фарфоровой ступке, с 2,5 г цинковой пыли. Смесь высыпаем горкой в старую тарелку или на керамическую плитку. В вершине горки выдавливаем  сухим дном небольшой пробирки углубление, в которое вносим 2—3 капли разбавленной соляной кислоты и сразу накрываем стеклянным колоколом или большой стеклянной банкой. Через 1—2 минуты начинается бурная реакция. Горка воспламеняется, выделяются фиолетовые пары йода, из которых на холодных стенках банки или на поверхности кол кола образуются мельчайшие кристаллики.                                                                                  Цинк реагирует с йодом и дает иодид цинка ZnI₂:  Zn + I₂ = ZnI₂                                                                                        Выделяющаяся при этом теплота нагревает смесь и способствует возгонке йода, а соляная кислота служит инициатором этой реакции. 

                                                                             Искристый вулкан