Шоу-химия

Шоу-химия
"Есть многое на свете, друг Горацио,
Что и не снилось нашим мудрецам."
(В. Шекспир, "Гамлет")
Превращения веществ удивительны и невероятно эффектны, а многие химические
опыты позволяют сделать шаг к познанию окружающего мира и ответить на
вечные вопросы: "Как?", "Почему?" и "Зачем?" Станьте на время волшебником,
покажите друзьям химические чудеса. Простые и красивые опыты, описания
которых вы здесь найдете, не требуют каких-то особых химических навыков, а лишь
осторожности, внимания и аккуратности. Избежать неприятных неожиданностей
поможет соблюдение простых правил. Если эти правила будут соблюдены, то ваше
шоу будет иметь успех, и химические вещества раскроют перед вами очарование
своих чудесных превращений.
Как делать опыты?
Химические опыты дают возможность любому из нас стать на
время факиром и развлечь друзей необычным шоу. В вашем
представлении не будет акробатов и гимнастов, кроликов из
шляпы или карточных фокусов - только химические чудеса.
Простые и эффектные опыты, описания которых вы здесь
найдете, не требуют каких-то особых химических навыков, а
лишь осторожности, внимания и аккуратности.
Избежать неприятных неожиданностей поможет соблюдение трех простых правил.
Первое: не надо экспериментировать дома с незнакомыми веществами (да и слишком
большие количества хорошо известных химикатов в неумелых руках могут стать
опасными).
Второе: прежде чем выполнять любой опыт, надо внимательно прочесть его описание и
понять свойства применяемых веществ. Для этого есть учебники и справочники.
Третье: надо быть осторожным и предусмотрительным. Если опыты связаны с горением,
образованием дыма и вредных газов, показывать их можно там, где это не вызовет
неприятных последствий, например, под открытым небом; если во время опыта какие-то
вещества разбрасываются или разбрызгиваются, обезопасить себя защитными очками
либо экраном, усадить зрителей на безопасном расстоянии. При соблюдении этих правил
ваше ШОУ будет иметь успех, и химические вещества раскроют перед вами очарование
своих чудесных превращений.
Дым без огня
"Дозорный у будки
Поглядывал вокруг На север,
На юг,
На запад,
На восток, Не виден ли дымок."
(С. Я. Маршак, "Пожар")
Дымовые завесы в результате горения веществ без пламени и огня, эффектные клубы
дыма на концертной эстраде либо при съемке занимательного исторического кинофильма
или боевика -- все это дело рук химиков. Обычно для создания таких эффектов
используют легко возгоняющиеся вещества, образующие в воздухе мельчайшие твердые
частички дыма или тумана.
Такое поведение характерно, например, для парафина, хлорида аммония, нафталина.
Один из "дымящих" составов готовят, смешивая 5 г нашатыря (хлорида аммония), 2 г
нафталина, 2 г бертолетовой соли (хлората калия) и 1 г древесного угля. Поджигать
такую смесь можно только на открытом воздухе, поскольку при горении образуется
густой дым без пламени, с неприятным запахом аммиака и
нафталина.
Если вы хотите показать дым в закрытом помещении, надо смочить
стакан изнутри несколькими каплями соляной кислоты и, перевернув
его вверх дном, накрыть им ватку, смоченную нашатырным
спиртом. Все внутреннее пространство стакана тотчас же заполнится
белым дымом образующегося хлорида аммония. Чтобы поразить
зрителей небывалым впечатлением, можно получить дым из воды.
Для этого в стакан наливают воду и бросают туда кусочек "сухого
льда" -- твердого диоксида углерода. Вода тотчас же забурлит, и из стакана повалит густой
белый дым, образованный охлажденными парами воды. Это дым совершенно безопасен.
Горения без пламени можно добиться, используя катализаторы (ускорители химических
реакций), например, оксид хрома(III) Cr2O 3. Это зеленый порошок, который входит в
состав многих дешевых красок в качестве пигмента. Горение без пламени показывают так:
на керамическую плитку ставят металлическую чашку, куда накапывают от горящей
свечи немного парафина, стеарина или воска и сразу же, пока он не остыл, насыпают на
него горкой порошок Cr2O 3. Надо, чтобы расплавленный парафин пропитал порошок
только снизу, а верхний слой оксида хрома остался сухим. Теперь, если прикоснуться к
вершине горки зажженной спичкой, начнется выделение обильного дыма, но пламени
никто не увидит. В реакции горения парафина выделяется много тепла, поэтому он
постепенно плавится и под действием капиллярных сил поднимается к вершине горки,
испаряется и образует дым, состоящий из частичек твердого парафина.
Оксид хрома также поможет показать таинственное исчезновение вещества без пламени и
дыма. Для этого складывают горкой несколько таблеток "твердого спирта" (сухого
горючего), а сверху насыпают щепотку предварительно разогретого Cr2O 3. Через
некоторое время вся горка превратится в щепотку зеленого порошка. Окисление
уротропина -- основы твердого спирта в присутствии катализатора идет в соответствии c
реакцией, где все продукты горения газообразны. Полоска бумаги, пропитанная
раствором ацетата свинца и высушенная на воздухе, тоже горит без пламени; она только
тлеет. При этом ацетат свинца превращается в оксид свинца и выделяется углекислый газ.
Наконец, бездымное и беспламенное горение вещества можно показать, если налить в
стакан 10--15 мл ацетона (Осторожно! Ацетон огнеопасен!) и опустить туда
раскаленную медную проволоку так, чтобы она не касалась поверхности жидкости.
Медная проволока будет светиться до тех пор, пока не израсходуется весь ацетон. Чтобы
опыт стал еще эффектнее, в комнате гасят свет. На поверхности меди (которая служит
катализатором и ускоряет реакцию) протекает окисление паров ацетона до уксусной
кислоты и уксусного альдегида с выделением большого количества тепла.
Вулканы на столе
И ты,
Вулкан, что пред горнами
В дне ада молнию куешь!"
(Г.Р. Державин, "Афинейскому витязю")
Самый известный из "домашних" вулканов - дихроматный -первым наблюдал немецкий
химик Рудольф Бёттгер, который прославился как изобретатель современных спичек и
взрывчатого вещества пироксилина.
Вулкан Бёттгера
В 1843 году Рудольф Бёттгер получил дихромат аммония (NH4)2Cr2O7 - оранжевокрасное кристаллическое вещество. Он решил испытать это вещество. Насыпав на тарелку
горку кристаллов, он 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 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, пары воды,
твердые частички раскаленного оксида хрома и большое количество теплоты. Идет
внутримолекулярная окислительно-восстановительная реакция.
Вулкан Лемери
Французский химик, аптекарь и врач Никола Лемери (1645-1715) в свое время тоже
наблюдал нечто похожее на вулкан, когда, смешав в железной чашке 2 г железных опилок
и 2 г порошкообразной серы, дотронулся до нее раскаленной стеклянной палочкой. Через
некоторое время из приготовленной смеси начали вылетать частицы черного цвета, а сама
она, сильно увеличившись в объеме, так разогрелась, что начала светиться. Вулкан
Лемери - результат простой химической реакции взаимодействия железа и серы с
образованием сульфида железа. Эта реакция протекает весьма энергично и
сопровождается значительным тепловыделением.
Безопасный вулкан
Чтобы приготовить вулкан, вполне безопасный и тем не менее очень эффектный,
потребуется тарелка, пластилин, питьевая сода (гидрокарбонат натрия), уксусная
кислота (можно воспользоваться столовым уксусом - 3 - 9%-ным раствором уксусной
кислоты), краситель (можно взять фукорцин из домашней аптечки или красный пищевой
краситель, или даже свекольный сок), любая жидкость для мытья посуды.
Пластилин делят на две части и одну из них раскатывают в плоский "блин" - основание
вулкана, а из второй лепят полый конус с отверстием наверху (склоны вулкана). Защепив
обе части по краям, надо налить внутрь воду и убедиться, что "вулкан" не пропускает ее
снизу. Объем внутренней полости "вулкана" не должен быть очень велик (лучше всего
100-200 мл, это емкость чайной чашки или обычного стакана). Вулкан на тарелке ставят
на поднос.
Чтобы "зарядить" вулкан "лавой", готовят смесь жидкости для мытья посуды (1 столовая
ложка), сухой питьевой соды (1 столовая ложка) и красителя (достаточно нескольких
капель). Эту смесь наливают в "вулкан", а потом добавляют туда уксус (четверть чашки).
Начинается бурная реакция с выделением углекислого газа. Из жерла вулкана
показывается ярко окрашенная пена...
После опыта не забудьте тщательно вымыть тарелку.
Химические диковинки
"Я чудеса творю что день
В капризе прихотливом..."
(Г. Гейне, "Книга песен")
Искрящиеся кристаллы
Попробуйте смешать 108 г сульфата калия и 100 г декагидрата сульфата натрия
(глауберовой соли) и добавить порциями при помешивании немного горячей кипяченой
воды, пока все кристаллы не растворятся. Раствор оставьте в темноте для охлаждения и
кристаллизации двойной соли. Как только начнут выделяться кристаллы, раствор будет
искриться: при 60 oС слабо, а по мере охлаждения все сильнее и сильнее. Когда
кристаллов выпадет много, вы увидите целый сноп искр. Если провести по выделившимся
кристаллам на дне сосуда стеклянной палочкой, то снова появятся искры. Свечение и
искрообразование вызваны тем, что при кристаллизации двойной соли состава Na2SO4 .
2K2SO4 . 10H2O выделяется много энергии, почти полностью превращающейся в
световую.
Оранжевый свет
Это тоже результат почти полного превращения энергии химической реакции в световую.
Чтобы его наблюдать, приливают к насыщенному водному раствору гидрохинона 1015%-й раствор карбоната калия, формалин и пергидроль. Свечение жидкости лучше
наблюдать в темноте. Свечение вызвано окислительно-восстановительными реакциями
превращения гидрохинона в хинон, а формальдегида - в муравьиную кислоту.
Одновременно протекает реакция нейтрализации муравьиной кислоты с карбонатом калия
с выделением углекислого газа, и раствор вспенивается.
Красный осадок белого вещества
Сульфат бария BaSO4 - тяжелый белый порошок, нерастворимый в воде. Это известно
всем химикам, таким он и описан во всех справочниках и книгах по химии. Но вот вы
взяли раствор бесцветного сульфата калия K2SO4 с добавкой фиолетового перманганата
калия KMnO4, добавили к нему раствор хлорида бария и, к своему удивлению,
обнаружили, что выпал осадок красного цвета. Промывка красного осадка для удаления
примеси перманганата калия не дает никакого результата, осадок остается красным.
Осадок красного цвета представляет собой не чистый сульфат бария, а твердый раствор
KMnO4 в BaSO4, где в кристаллической решетке сульфата бария часть сульфат-ионов
замещена перманганат-ионами. Ясно, что такой осадок не обесцветится даже при самой
тщательно промывке водой.
Облако из колбы
Обыкновенная колба выпускает в пространство целое облако дыма. Вот как это
происходит.В большую колбу насыпают кристаллический карбонат калия слоем 1-2 см и
осторожно наливают 10%-й водный раствор аммиака в таком количестве, чтобы его слой,
покрывающий кристаллы, был не толще 2 мм. Затем очень тонкой струйкой вливают в
колбу немного концентрированной соляной кислоты. Из горла колбы вырывается
плотная струя густого белого дыма, который под собственной тяжестью сползает по ее
наружным стенкам, стелется по поверхности стола и, добравшись до края, хлопьями
медленно падает на пол. Появление белого дыма вызвано реакциями:
NH3 + HCl = NH4Cl,
K2CO3 + 2HCl = 2KCl + CO2 + H2O
Аэрозоль (воздушная взвесь мельчайших кристалликов) хлорида аммония, который
получается по первой реакции, увлекается из колбы углекислым газом, выделяющимся по
второй реакции. Углекислый газ тяжелее воздуха, и поэтому "дым" падает на пол.
Сад химика
"Под небом голубым есть город золотой
С прозрачными воротами и яркою звездой.
А в городе том сад -- все травы да цветы..."
(А. Волохонский и А. Хвостенко)
Висячие сады Семирамиды называли одним из семи чудес света.
Чего там только не было, каких диковин из растительного мира!..
Однако точно не было кристаллических растений, которые может
вырастить дома любой начинающий химик.
Сатурново дерево называют иногда деревом Парацельса (14931541) - врача-алхимика, основателя фармацевтической химии.
Готовя одно из своих лекарств растворением в уксусной кислоте
металлического свинца, он задумал добавить еще и ртуть, а потому внес в сосуд кусочки
цинка (в те времена многие химические элементы и даже очень распространенные
металлы еще не были по-настоящему идентифицированы, и считалось, что цинк содержит
много ртути, от этого он такой легкоплавкий). Не имея времени продолжить опыт,
Парацельс оставил сосуд на несколько дней, и как же сильно он был поражен, увидав на
кусочках цинка блестящие веточки неизвестной природы! Ученый счел, что ртуть,
затвердев, вышла из кусочков цинка. Позже красивое "дерево" получило название
сатурнова по алхимическому названию свинца: ведь "ствол", "сучья" и "ветки" его состоят
из свинца.
Чтобы вырастить сатурново дерево, наливают в высокий стакан или стеклянный цилиндр
водный раствор 25-30 г ацетата свинца в 100 мл воды и погружают в него очищенную
тонкой наждачной бумагой пластину или стержень из цинка. Можно вместо этого
подвесить на нитке несколько кусочков цинка, тоже очищенных наждачной бумагой. С
течением времени на цинковой поверхности вырастают ветвистые и блестящие сросшиеся
между собой кристаллы свинца. Их появление вызвано реакцией восстановления свинца
из соли более активным в химическом отношении металлом цинком.
Парацельсу приписывают и получение кристаллов олова на кусочках цинка - дерева
Юпитера. Чтобы вырастить такое "дерево", в высокий стеклянный сосуд наливают
водный раствор 30-40 г хлорида олова SnCl2 в 100 мл воды и погружают цинковую
пластинку. Очень быстро на ней вырастает дерево из кристалликов олова черного цвета.
Серебряное деревце Дорфмана получается, если в стеклянный стакан с каплей ртути на
дне налить 10%-й водный раствор нитрата серебра AgNO3. Сначала ртуть покрывается
серой пленкой амальгамы серебра (сплава ртути с серебром), а через 5-10 секунд на ней
начинают очень быстро расти блестящие игольчатые кристаллы серебра. Спустя
несколько минут иглы начинают ветвиться, а через час в сосуде вырастает сверкающее
серебряное деревце. Здесь очень важно точно соблюсти рекомендованную концентрацию
нитрата серебра: при более низком содержании AgNO3 роста кристаллов металлического
серебра не наблюдается, а при более высоком - кристаллизация серебра идет по всей массе
раствора без образования ветвистых кристаллов.
Ферроцианидные цветные кустики необычного цвета, похожие то на веточки кораллов,
то на заросли джунглей, получаются:
если в раствор 30-50 г желтой кровяной соли в 1 л воды добавить два-три
кристаллика хлорида или сульфата марганца, цинка, никеля;
если в раствор 100-150 г медного купороса или 30-50 г хлорида никеля в 1 л воды
добавить кристаллики красной кровяной соли.
В результате взаимодействия катионов солей с гексацианоферрат-анионами выпадают
труднорастворимые осадки, из которых вырастают синие, зеленые, розовые или белые
ветвистые "кустики".
Химический "осенний сад" с желтой травой и золотистыми листьями "вырастает", если:
в раствор 30-50 г хромата калия в 1 л воды добавить кристаллик хлорида бария;
в раствор 100-150 г нитрата свинца добавить несколько кристалликов хромата
калия;
слить 10%-е растворы нитрата свинца и иодида калия. Осадку иодида свинца дают
отстояться, сливают с него жидкость и растворяют в подкисленной уксусной кислотой
горячей воде. Медленно охлаждая сосуд с раствором, получают "парящие" в жидкости
тончайшие золотистые пластинки кристаллов иодида свинца. Происходит образование
желтых нитевидных кристаллов малорастворимых солей - хромата бария и хромата
свинца и золотисто-желтых пластинчатых кристаллов иодида свинца ( "осенний сад" в
стеклянной банке.
Химический аквариум получается, если в стеклянную банку с водным раствором 1 л
жидкого стекла в 0,5-0,7 л воды одновременно из двух стаканов вылить водные растворы
сульфата хрома Cr2(SO4)3 и хлорида железа FeCl3, то в банке вырастут силикатные
"водоросли" желто-зеленого цвета, которые, причудливо переплетаясь, опускаются сверху
вниз. А добавив в банку по каплям раствор медного купороса, мы заселим аквариум
"морскими звездами" и "морскими ежами". Рост "водорослей" - результат кристаллизации
соединений железа, меди и хрома - гидроксидов и гидроксосиликатов, которые
образуются в результате обменных реакций.
Чтобы запечатлеть фантастические пейзажи, существует следующий способ. Готовят
теплый раствор 2-3 г желатина в 100 мл воды и 10-15%-е водные растворы окрашенных
солей ( сульфата меди, дихромата калия, нитрата никеля и т.п.). Затем раствор
желатина смешивают с десятикратным объемом раствора соли и выливают смесь на
обезжиренную стеклянную пластинку. Через пару дней тонкий слой раствора желатина с
примесями солей теряет воду, высыхает, и на стекле появляются причудливые узоры из
цветных кристаллов.
Секретные чернила
"Давно повывелись
в миру чернильницы
и нет лиловых
навзрыд чернил."
(А. Вознесенский, "Рукопись")
Приходится признать, что некоторые виды чернил или давно
исчезли из употребления, или применяются только в таких
таинственных целях, как секретная переписка. Для такого рода
тайнописи существует много способов, и все они используют секретные или
"симпатические" чернила -- бесцветные или слегка окрашенные жидкости. Написанные
ими послания становятся видимыми только после нагревания, обработки специальными
реактивами или в ультрафиолетовых либо инфракрасных лучах. Известно немало
рецептов подобных чернил.
Тайные агенты Ивана Грозного писали свои донесения луковым соком. Буквы
становились видимыми при нагревании бумаги. Ленин использовал для тайнописи сок
лимона или молоко. Для проявления письма в этих случаях достаточно прогладить бумагу
горячим утюгом или подержать ее несколько минут над огнем.
Знаменитая шпионка Мата Хари тоже использовала секретные чернила. Когда она была
арестована в Париже, в ее гостиничном номере нашли пузырек с водным раствором
хлорида кобальта, что и стало одной из улик при разоблачении ее шпионской
деятельности. Хлорид кобальта можно успешно использовать для тайнописи: буквы,
написанные его раствором, содержащим в 25 мл воды 1 г соли, совершенно невидимы и
проявляются, делаясь синими, при легком нагревании бумаги.
Секретные чернила широко применялись и в России революционерами-подпольщиками.
В 1878 году Вера Засулич стреляла в петербургского градоначальника Трепова. Судом
присяжных Засулич была оправдана, но жандармы пытались снова арестовать ее при
выходе из здания суда. Однако ей удалось скрыться, сообщив заранее своим друзьям о
плане побега по окончании суда при любом его решении. Записка с просьбой принести
кое-что из одежды содержала на обратной стороне листка информацию, написанную
водным раствором хлорида железа FeCl3 (Засулич принимала это вещество как
лекарство). Такую записку можно прочесть, обработав ее ватным тампоном, смоченным
разбавленным водным раствором тиоцианата калия: все невидимые буквы станут
кроваво-красными из-за образования тиоцианатного комплекса железа.
Члены тайной организации "Черный передел" тоже использовали в переписке невидимые
чернила. Но из-за предательства одного из чернопередельцев, знавшего секрет
расшифровки писем, почти все были арестованы... Тайные письма были написаны
разбавленным водным раствором медного купороса. Проявлялся написанный такими
чернилами текст, если бумагу подержать над склянкой с нашатырным спиртом. Буквы
окрашиваются в ярко-синий цвет из-за образования аммиачного комплекса меди.
А вот китайский император Цин Шихуанди (249--206 гг. до н. э.), во время правления
которого появилась Великая Китайская стена, использовал для своих тайных писем густой
рисовый отвар, который после высыхания написанных иероглифов не оставляет никаких
видимых следов. Если такое письмо слегка смочить слабым спиртовым раствором иода,
то появляются синие буквы. А император для проявления письма пользовался бурым
отваром морских водорослей, видимо, содержащим иод.
Еще один рецепт секретных чернил включает применение 10%-го водного раствора
желтой кровяной соли. Написанные этим раствором буквы исчезают при высыхании
бумаги. Чтобы увидеть надпись, надо смочить бумагу 40%-м раствором хлорида железа.
Ярко-синие буквы, которые появляются при такой обработке, уже не исчезают при
высыхании. Появление букв связано с образованием комплексного соединения,
известного под названием "турнбулева синь".
Помните историю с исчезновением записки Фантомаса? Исчезающие чернила можно
приготовить, если смешать 50 мл спиртовой настойки иода с чайной ложкой декстрина и
отфильтровать осадок. Такие синие чернила полностью теряют цвет через 1-2 дня из-за
улетучивания иода.
А не попробовать ли и вам, любезные наши читатели, приготовить секретные чернила и
написать ими таинственное письмо? Ведь, как утверждает в своих "Лирических
одностишиях" наш современник поэт Вл. Вишневский, "Мы в детстве все не доиграли в
прятки..."