Химическая кунсткамера
Самые эффектные и красивые опыты
4.1. Маскирующий дым (окончание)Хлораты
Хлораты, или триоксохлораты(V), – соли хлорноватой кислоты HClO3, триоксохлората(V) водорода. HClO3 не выделена в индивидуальном состоянии и существует только в виде водного раствора. Выпаривание раствора хлорноватой кислоты – дело опасное: как только содержание HClO3 достигает 40% по массе, она разлагается со взрывом, выделяя хлор Cl2, кислород O2 и образуя воду:
4HClO3 = 2Cl2 + 5O2 + 2H2O.
Тщательно очищенный хлорат калия KClO3 плавится при 370 °С; если его нагреть выше этой температуры, то он разлагается до хлорида калия KCl и перхлората калия KClO4:
4KClO3 = 3KClO4 + KCl.
Примеси оксидов металлов (типа MnO2, Cr2O3, CuO) не только снижают температуру разложения хлората калия, но и направляют его по другому пути. Соль распадается, выделяя кислород O2 и превращаясь в хлорид калия KCl:
2KClO3 = 2KCl + 3O2.
В 1786 г. французский химик Клод Бертолле обнаружил, что если через водный раствор гидроксида калия KOH пропускать хлор, то выпадают кристаллы нового вещества – «бертолетовой соли». Так называли вещество с формулой KClO3, которое теперь мы знаем под названием «хлорат калия». В дальнейших опытах нам понадобятся его кристаллы. Поэтому, следуя Бертолле, рассмотрим самый простой способ получения этой соли.
В колбу наливают концентрированный водный раствор гидроксида калия, подогревают до 70–80 °С и пропускают в него ток газообразного хлора с такой скоростью, чтобы можно было считать пузырьки газа. Совершенно очевидно, что опыт надо проводить в вытяжном шкафу при хорошей вентиляции: хлор – вредный и опасный газ. Для получения хлора подойдет любой из известных по школьному учебнику способов, например взаимодействие оксида марганца(IV) с концентрированной соляной кислотой HCl:
MnO2 + 4HCl = MnCl2 + Cl2 + 2H2O,
или реакция концентрированной соляной кислоты HCl с кристаллическим перманганатом калия KMnO4:
2KMnO4 + 16HCl = 2KCl + 2MnCl2 + 5Cl2 + 8H2O.
Пропускание хлора приводит к выделению в растворе KOH бесцветных кристаллов хлората калия KClO3. Как только эти кристаллы перестанут выделяться, подачу хлора прекращают и охлаждают реакционную смесь. Затем отделяют выпавшие кристаллы фильтрованием, промывают их на фильтре небольшим количеством ледяной воды и высушивают между листами фильтровальной бумаги при комнатной температуре. Хранить хлорат калия следует в закрытой склянке, смочив кристаллы небольшим количеством воды.
Реакция получения KClO3 по способу Бертолле описывается уравнением:
6KOH + 3Cl2 = KClO3Ї + 5KCl + 3H2O.
Сухой хлорат калия KClO3 – опасное в обращении вещество, особенно при контакте с органическими веществами и разного рода восстановителями.
Взрывчатые свойства KClO3 Бертолле обнаружил случайно. Он начал растирать сухие кристаллы соли в ступке, в которой на стенках, как потом выяснилось, были почти незаметные следы серы, оставшиеся от других опытов. Вдруг раздался сильный хлопок, пестик вырвался из рук Бертолле, лицо его было обожжено. Так с риском для жизни Бертолле впервые осуществил реакцию, которую много позже станут применять в так называемых «шведских» спичках:
2KClO3 + 3S = 2KCl + 3SO2.
Клод-Луи Бертолле
Французский химик Клод-Луи
Бертолле (1748–1822) – коллега и соратник
А.-Л.Лавуазье, доктор медицины и лейб-медик при
дворе герцога Орлеанского, член Парижской
академии наук, правительственный инспектор
государственных красильных фабрик, смотритель
Монетного двора и, наконец, научный консультант
Наполеона I. Бертолле сопровождал императора
Франции в военном походе в Египет. Наполеон
осыпал его почестями, назначил сенатором и
присвоил ему графский титул, но это не помешало
Бертолле как члену Сената голосовать в 1814 г. за
отставку Наполеона.
Бертолле отличало непостоянство характера, он был неравнодушен к почестям, беспринципен и тщеславен. Тем не менее, будучи талантливым ученым, он вошел в историю как автор многих химических открытий. Его считали другом Лавуазье, однако он не потрудился защитить того от преследования и казни, хотя и был членом революционного комитета Франции.
В 1807 г. Бертолле, оставив официальную службу, поселился в парижском предместье Аркей, где создал свою химическую лабораторию и основал Аркейское научное общество, в состав которого входили самые выдающиеся ученые Франции.
Гексахлорэтан
Гексахлорэтан (перхлорэтан) C2Cl6 – бесцветное кристаллическое вещество с «камфорным» запахом, негорючее и невзрывчатое. Нагретый водно-спиртовой раствор гидроксида калия превращает C2Cl6 в соль щавелевой кислоты – оксалат калия K2C2O4, одновременно образуется хлорид калия KCl:
C2Cl6 + 8KOH = K2C2O4 + 6KCl + 4H2O.
При нагревании C2Cl6 выше 180 °С он возгоняется.
Перхлораты
Перхлораты, или тетраоксохлораты(VII), – это соли хлорной кислоты HClO4, тетраоксохлората(VII) водорода. HClO4 – сильная кислота, в водном растворе подвергается протолизу и целиком превращается в катионы оксония H3O+ и перхлорат-ионы ClO4–:
HClO4 + H2O = ClO4– + H3O+.
Перхлораты щелочных и щелочно-земельных металлов – бесцветные кристаллические вещества, умеренно растворимые в воде. При нагревании некоторые из них, например перхлорат калия KClO4, разлагаются еще до плавления:
5KClO4 = 4KClO3 + KCl + 4O2.
Перхлорат аммония NH4ClO4 при нагревании превращается в смесь газов – хлора Cl2, оксида диазота N2O, кислорода O2 и водяного пара:
4NH4ClO4 = 2Cl2 + 2N2O + 3O2 + 8Н2O.
Свои окислительные свойства перхлораты проявляют при нагревании их кристаллов с твердыми восстановителями, например с сульфидом калия K2S:
KClO4 + K2S = K2SO4 + KCl
4.2. Когда парафин дымит?
Горения без пламени можно добиться, используя катализатор, например, оксид хрома(III) Cr2O3. Это зеленый порошок, который входит в состав многих дешевых красок в качестве пигмента.
Опыт 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 зеленый порошок Cr2O3. Надо, чтобы расплавленный парафин пропитал порошок только снизу, а верхний слой Cr2O3 остался сухим. Теперь, если поднести к вершине горки зажженную спичку, начнется обильное выделение дыма, но пламени не будет.
В реакции взаимодействия парафина с кислородом воздуха с образованием CO2 и воды выделяется много теплоты, поэтому парафин постепенно плавится и под действием капиллярных сил поднимается к вершине горки. Одновременно с окислением часть парафина испаряется и, попав в холодный воздух, снова затвердевает. При этом образуется дым, который содержит частички твердого парафина и продукт его неполного сгорания – сажу.
Парафин
Парафины – распространенное название алифатических углеводородов (алканы), в молекулах которых атомы углерода соединены между собой одинарными химическими связями и образуют цепи. Такие соединения называют еще насыщенными, или предельными. Самые простые из них, как известно, – метан и этан, а общая формула соединений этого ряда CnH2n+2.
Парафин (в обиходном смысле слова) – смесь предельных углеводородов с числом атомов углерода в молекуле от 18 до 35, иначе говоря, смесь соединений с составом от C18H38 до C35H72. Это бесцветное легкоплавкое вещество, практически нерастворимое в воде, оно легко возгоняется и загорается.
Если не считать горючести парафина, в остальном его химические свойства свидетельствуют об его инертности по отношению к большинству обычных реагентов – кислотам, щелочам, растворам окислителей и восстановителей. Однако стоит упомянуть об одном довольно курьезном случае, когда парафин, обычно инертный, оказался участником неожиданной реакции.
Однажды на лекции демонстрировался опыт: плавление серы в пробирке. Вдруг все почувствовали отвратительный запах. Лекция была сорвана. «В чем же дело?» - недоумевал профессор. Все оказалось просто: в пробирку с серой попали кусочки парафина.
Смесь парафина и серы при нагревании выделяет сероводород H2S и сажу. Чем сильнее нагревать эту смесь, тем в большем количестве будет происходить выделение сероводорода – не только дурно пахнущего, но и ядовитого газа. Но стоит только прекратить нагревание, как реакция останавливается.
Этот способ получения сероводорода рекомендуют использовать в лабораториях, если требуется небольшое его количество.