Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Химия»Содержание №35/2000
Б.Д. Степин

Химическая кунсткамера

Самые эффектные и красивые опыты

3.2. Дихроматные змеи

Чтобы осуществить этот опыт, смешивают и растирают в ступке 10 г   дихромата  калия K2Cr2O7, 5 г нитрата калия KNO3 и 10 г сахара (сахароза) C12H22O11. Полученную смесь увлажняют этанолом (этиловый спирт) C2H5OH или коллодием, который можно купить в аптеке. Потом эту смесь спрессовывают в стеклянной трубочке диаметром 5–8 мм.

Полученный столбик выталкивают из трубочки и поджигают с одного конца. Вспыхивает едва заметный огонек, из-под которого начинает выползать сначала черная, а потом зеленая «змея». Столбик смеси диаметром 4 мм горит со скоростью 2 мм в секунду. При горении он может удлиниться в 10 раз!

Реакция горения сахарозы C12H22O11 в присутствии двух окислителей – нитрата калия и дихромата калия – довольно сложна. Продукты реакции: черные частицы сажи, зеленый оксид хрома(III) Cr2O3, расплав карбоната калия K2CO3, а также диоксид углерода CO2 и нитрит калия KNO2. Газообразный диоксид углерода вспучивает смесь твердых продуктов и заставляет ее двигаться.

Другой способ приготовления смеси для дихроматной «змеи» включает смешивание порошков 1 г дихромата аммония (NH4)2Cr2O7, 2 г нитрата аммония NH4NO3 и 1 г сахарной пудры. Эту смесь смачивают водой, лепят из нее палочку и сушат на воздухе. Если палочку поджечь, из нее в разные стороны поползут черно-зеленые «змеи».

При поджигании смеси происходят следующие реакции:

(NH4)2Cr2O7 = Cr2O3 + N2­ + 4H2O,
NH4NO3 = N2O
­ + 2H2O­,
C12H22O11 + 6O2 = 6CO2
­ + 11H2O­ + 6C.

При разложении дихромата аммония образуются азот N2, водяной пар и зеленый оксид хрома(III) Cr2O3. Реакция протекает с выделением теплоты. В реакции термического разложения нитрата аммония выделяется бесцветный газ – оксид диазота N2O, который уже при слабом нагревании разлагается на кислород O2 и азот N2. Горение сахара дает еще один газ – диоксид углерода CO2, вдобавок происходит обугливание – выделение углерода. Много газов плюс твердые продукты окисления – вот причина «змеиного» поведения горящей смеси.

Хроматы и дихроматы

Хроматы – соли не существующей в свободном состоянии хромовой кислоты H2CrO4, получаемой лишь в виде водных растворов с концентрацией не выше 75%.

Хроматы, как правило, малорастворимы в воде (за исключением солей щелочных металлов и аммония). Растворы хроматов в воде имеют желтый цвет. При их подкислении, например добавлением небольшого количества разбавленной серной кислоты H2SO4, ионы CrO42- превращаются в дихромат-ионы Cr2O72–, отщепляя воду:

2CrO42– + 2H3O+ L Cr2O72– + 3H2O.

Почти все дихроматы хорошо растворимы в воде. Дихроматы – сильные окислители. В кислой среде для них характерна полуреакция:

Cr2O72– + 14H+ + 6е = 2Cr3+ + 7H2O,

где каждый атом хрома(VI) в анионе принимает по три электрона и превращается в катион Cr3+. Раствор при этом становится зеленым.

Особые свойства у дихромата аммония: он легко разлагается. При слабом нагревании дихромат аммония (NH4)2Cr2O7 самовоспламеняется с выбрасыванием искр – раскаленных частичек оксида хрома(III) Cr2O3, газообразного азота N2 и паров воды.

Хромат калия K2CrO4 плавится без разложения при 968 °С, а дихромат калия K2Cr2O7 разлагается в соответствии с уравнением реакции:

4K2Cr2O7 = 4K2CrO4 + 2Cr2O3 + 3O2­.

Коллодий

Коллодий – раствор нитроклетчатки (нитроцеллюлоза) в смеси этанола и диэтилового эфира в соотношении 1:10. Это – бесцветная, прозрачная жидкость, легко воспламеняющаяся даже от искры.

Когда коллодий намазывают на кожу тонким слоем, он после высыхания дает прочно пристающую пленку, нерастворимую в воде и похожую на лак. При добавлении к коллодию скипидара или касторового масла пленка делается эластичной.

Нитраты

Нитраты – соли азотной кислоты HNO3. Это – бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде. При нагревании они ведут себя по-разному в зависимости от катиона металла, входящего в их состав. Так, нитраты щелочных металлов плавятся с разложением, выделяя кислород O2 и превращаясь в нитриты. Например, нитрат калия переходит в нитрит калия:

2KNO3 = 2KNO2 + O2­.

Нитраты металлов, которые в ряду напряжений находятся между магнием и медью (включая эти два металла), при нагревании превращаются в оксиды металлов с выделением диоксида азота и кислорода:

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2­ + O2­.

Нитраты благородных металлов термически разлагаются, выделяя металл:

2AgNO3 = 2Ag + 2NO2­ + O2­.

Все нитраты в той или иной мере опасны, но особое место среди них занимает нитрат аммония NH4NO3: он является взрывчатым веществом. При нагревании он разлагается на оксид диазота N2O и воду:

NH4NO3 = N2O­ + 2H2O­.

В 1921 г. в немецком городке Оппау произошел взрыв на заводе, выпускавшем удобрения – смесь нитрата и сульфата аммония (NH4NO3 и (NH4)2SO4). Эти соли долго хранились на складе и слежались. Их решили раздробить небольшими взрывами, т. к. считали их совершенно безопасными.

Первый же небольшой взрыв вызвал детонацию (мгновенный взрыв) всей массы слежавшихся солей. Погибли 560 человек и было много раненых. Полностью были разрушены не только городок Оппау, но и некоторые дома в соседнем городе Мангейме, в шести километрах от места взрыва. Более того, взрывной волной выбило стекла в домах, расположенных в 70 км от Оппау.

Несчастье можно было предвидеть и предотвратить. Ведь еще раньше, в 1917 г., на химическом заводе в канадском городе Галифаксе произошел чудовищный взрыв из-за саморазложения нитрата аммония, стоивший жизни трем тысячам человек.

3.3. Содовая «гадюка»

Это очень простой и изящный опыт получения «черной змеи». Чтобы его осуществить, в столовую тарелку насыпают 3–4 ложки сухого просеянного речного песка и делают из него горку с углублением в вершине. Затем готовят реакционную смесь, состоящую из 1 чайной ложки сахарной пудры и 1/4 чайной ложки гидрокарбоната натрия NaHCO3 (питьевая сода). Пропитывают песок 96–98%-м раствором этанола C2H5OH и насыпают в углубление горки приготовленную реакционную смесь, после этого поджигают спирт.

Через 3–4 мин на поверхности смеси появляются черные шарики, а у основания горки – черная жидкость. Когда почти весь спирт сгорит, смесь чернеет, и из песка медленно выползает извивающаяся толстая черная «гадюка». У основания она окружена «воротником» догорающего спирта.

Диоксид углерода CO2, выделяющийся при разложении гидрокарбоната натрия и горении этилового спирта в соответствии с реакциями:

2NaHCO3 = Na2CO3 + H2O­ + CO2­,
C2H5OH + 3O2 = 2CO2
­ + 3H2O­,

вспучивает горящую массу, заставляя ее ползти, как змея. Чем дольше горит спирт, тем длиннее получается «змея», состоящая из карбоната натрия Na2CO3, смешанного с мельчайшими частичками угля, который образуется при окислении сахара.

Подобную картину можно наблюдать, если вместо гидрокарбоната натрия использовать нитрат аммония NH4NO3. В этом случае реакционная смесь должна состоять из 1/2 чайной ложки нитрата аммония и 1/2 чайной ложки сахарного песка, тщательно перетертых в ступке. Эту смесь засыпают в углубление пропитанной этиловым спиртом песочной горки, а потом поджигают спирт. После того как он почти весь выгорит, с вершины горки начинает сползать черная «гадюка».

Ее появление на свет вызвано взаимодействием нитрата аммония с сахаром:

2NH4NO3 + C12H22O11 = 11C + 2N2­ + CO2­ + 15H2O­.

Приводят в движение «гадюку» опять-таки образующиеся газы: азот N2, диоксид углерода CO2 и пары воды.

3.4. «Черный удав» из стакана

Этот опыт представляет собой захватывающее зрелище. Сахарную пудру в количестве 75 г помещают в высокий стеклянный стакан, смачивают ее 5–7 мл воды и перемешивают длинной стеклянной палочкой. Потом к влажному сахару приливают по этой палочке 30–40 мл концентрированной серной кислоты H2SO4. (Осторожно! Серная кислота – едкое и опасное вещество!) Затем смесь быстро перемешивают стеклянной палочкой, которую оставляют в стакане.

Через 1–2 мин содержимое стакана начинает чернеть, вспучиваться и в виде объемистой, рыхлой и ноздреватой массы подниматься, увлекая вверх стеклянную палочку. Смесь в стакане сильно разогревается и даже немного дымится. Она медленно выползает из стакана.

Серная кислота отнимает от сахара (сахароза C12H22O11) воду, разрушая его молекулярную структуру, и окисляет его, а сама превращается в диоксид серы SO2. При окислении сахара получается диоксид углерода CO2. Эти газы вспучивают образующийся уголь и выталкивают его из стакана вместе с палочкой.

Уравнение, передающее эти химические превращения, таково:

C12H22O11 + 2H2SO4 = 11C + 2SO2­ + CO2­ + 13H2O­.

Диоксиды углерода и серы вместе с парами воды увеличивают объем реакционной массы и заставляют ее перемещаться.