Электрификация

Справочник домашнего мастера

Реакция йодные часы

Опыт «Йодные часы» (Реакция Бриггса-Раушера)

Реактивы и оборудование:

Пошаговая инструкция

Приготовим три раствора.

Р-р №1: смешаем перекись водорода (100 мл) и дистиллированную воду (250 мл).

Р-р №2: к раствору йодноватой кислоты (3,52 г HIO₃ + 300 мл воды) аккуратно прильем концентрированную серную кислоту H₂­SO₄ (1,1 мл).

Р-р №3: смешаем крахмал (0,08 г), малоновую кислоту CH₂(COOH)₂ (3,9 г), сульфат марганца(II) (0,85 г) и дистиллированную воду (200 мл).

В большой стакан сливаем три бесцветных раствора и наблюдаем изменение цвета. Жидкость сначала желтеет, затем принимает синюю окраску, а потом снова становится бесцветной.

Пояснение процесса

При взаимодействии компонентов раствор несколько раз будет менять окраску: от бесцветной к золотой и от золотой — к синей. Такие реакции называются колебательными. Во время первой реакции вырабатывается молекулярный йод — он придает раствору янтарную окраску. Далее йод превращается в трийодид-ион, который связывается с крахмалом и образует комплексное соединение темно-синего цвета. Параллельно протекает реакция между молекулярным йодом и малоновой кислотой — образуется йодмалоновая кислота. Концентрация йода падает (т.е. прекращается образование темно-синего комплекса с крахмалом), и раствор становится прозрачным. Под действием перекиси водорода происходит распад йодмалоновой кислоты с образованием углекислого газа, воды и йодид-иона. Далее снова образуется молекулярный йод, окрашивая раствор в янтарный цвет. Раствор периодически меняет окраску, и так повторяется много раз. После каждого цикла реакция замедляется, и следующий цикл происходит немного дольше, чем предыдущий. Со временем в растворе заканчивается малоновая кислота. Теперь нам нечем восстановить образовавшийся йод, и жидкость становится темно-синей — реакция затухает.

Меры предосторожности

Концентрированные растворы перекиси водорода и серной кислоты вызывают ожоги кожи и глаз — работайте с ними в резиновых перчатках и защитных очках.

Внимание! В эксперименте использованы токсичные и опасные для здоровья вещества. Не пытайтесь повторить этот опыт самостоятельно.

Как делать йодные часы

«Йодные часы» — это один из самых эффектных опытов, который демонстрирует химическую реакцию, а точнее – ее наглядное протекание с течением времени. В процессе волшебного эксперимента жидкость кардинально меняет цвет. Из полностью прозрачной она превращается в темно-синюю. Подготовив необходимые составляющие и затратив немного времени, этот опыт можно провести в домашних условиях.

Компоненты, необходимые для опыта

Подготовьте 3 стаканчика, емкость которых не должна быть меньше, чем 150 мл. Лучше брать стекло, но можно и плотный пластик. В аптеке необходимо приобрести обычный витамин С, в количестве 1 грамма. Можно использовать две таблетки, по 500 миллиграмм каждая. Там же купите 3%-ую перекись водорода и 2%-ый йодный раствор. Загляните в хозяйственный магазин. Там вам понадобится стаканчик для измерения количества жидкости (не менее 150 мл), мерные ложки и жидкий крахмал. Для проведения эксперимента подготовьте любые очки для защиты глаз.

Проведение опыта

Раствор №1. Измельчите в емкости таблетку витамина. Порошок должен получиться однородным, без комков. Можно раздавить ее чем-либо тяжелым, поместив в целлофановый пакет. Размешайте получившуюся пудру 60 мл небольшим количеством теплой воды.

Раствор №2. С помощью мерной ложки отберите 5 мл (чайную ложку) раствора №1 и поместите в чистый стакан. Добавьте столько же йодного раствора и 60 мл воды. Произойдет реакция, и раствор №2 станет прозрачным.

Раствор №3. Возьмите 15 мл раствора перекиси и добавьте к нему мерной ложечкой 2,5 мл крахмала. Это все залейте 60 мл теплой чистой воды.

Финальная и наиболее зрелищная часть опыта требует зрителей и восхищенных взглядов. Раствор №2 полностью вылейте в емкость с раствором №3. Аккуратно перемешайте получившуюся жидкость и разделите на две части в разные емкости. Не пройдет и минуты, как полученный раствор №4 окрасится в насыщенный синий цвет.

Узнайте так же, как сделать часы из жесткого диска или тарелки.

Что важно знать

Жидкий крахмал для опыта «йодных часов» можно заменить 0,5 ч.л. обычного сухого крахмала. В таком случае на реакцию понадобится немного больше времени.

По окончанию опыта следует уничтожить используемую посуду. Вторично использовать ее не рекомендуется. Руки необходимо помыть очень тщательно.

Учитывая химическую составляющую компонентов опыта, не разрешается проводить его детям без присутствия взрослых. Для глаз желательно использовать защитные очки.

#химия | Йодные часы. Прозрачная жидкость станет темно-синей

Порой наука подобна волшебству и тот небольшой пример, который мы сегодня рассмотрим, превосходно это демонстрирует. В ходе эксперимента вы увидите, как абсолютно прозрачная жидкость становится темно-синей. Потребуются некоторые приготовления и аптечные компоненты, в частности раствор йода. Но усилия стоят того!

Предостережения

Детям не следует проводить этот эксперимент без взрослых. Йод оставляет пятна на всем, куда он попадает и он может представлять опасность. Перекись водорода может быть опасна для глаз и кожи, вызывая раздражение, поэтому эксперимент следует проводить только в защитных очках. При наличии любых сомнений в понимании свойств используемых веществ, аккуратности и дисциплинированности всех проводящих эксперимент, от его проведения следует воздержаться.

Оборудование и компоненты

3 чистых прозрачных пластиковых стаканчика, емкостью не менее 150 миллилитров; таблетка аптечного витамина (1000 миллиграмм, можно использовать две по 500 миллиграмм); 2-процентный аптечный раствор йода; 3-процентный аптечный раствор перекиси водорода; жидкий крахмал для стирки; защитные очки; мерные ложечки; мерный стакан.

Благодаря материалам ресурса Science Bob и взрослые, и дети смогут познакомиться с увлекательной стороной науки. Порой теория скучна, и именно это мешает многим усваивать интереснейший материал. Но всего этого можно избежать, иллюстрируя изучение физики и химии занимательными экспериментами. Это позволит лучше запомнить и надолго усвоить изучаемый материал.

Ход эксперимента

1. Наденьте защитные очки и растолките таблетку витамина C, поместив ее в пластиковый пакет и придавливая ее большой ложкой. Желательно, чтобы получилась однородная пудра без крупных вкраплений. Всыпьте эту пудру в пластиковый стаканчик и залейте ее 60 миллилитрами теплой воды. Тщательно перемешайте в течение не менее чем 30 секунд. Вода станет слегка мутноватой. Назовем этот состав «Жидкостью А».

2. Теперь 1 чайную ложку (5 миллилитров) «Жидкости А» влейте в другой стаканчик, залейте ее 60 миллилитрами теплой воды и добавьте туда же 5 миллилитров аптечного раствора йода. Обратите внимание на то, как коричневый йод станет прозрачным. Это «Жидкость Б».

3. В третьем стаканчике смешайте 60 миллилитров теплой воды с 15 миллилитрами перекиси водорода и 2,5 миллилитрами жидкого крахмала для стирки. Вот и получилась «Жидкость В».

4. А теперь, после всех утомительных приготовлений, пора переходить к самой интересной части эксперимента. Влейте всю «Жидкость Б» в «Жидкость В». Перемешайте жидкости и распределите их по двум стаканам. И ждите… Ожидание займет от нескольких секунд до нескольких минут, и в конечном итоге жидкость приобретет темно-синий цвет.

Пояснение

Перед нами пример химической реакции, известной как «реакция йодных часов» (iodine clock reaction). Ее называют «часами», поскольку меняется промежуток времени, которого будет достаточно для того, чтобы жидкость стала синей. В противодействие вступает жидкий крахмал, который старается сделать йод синим и витамин C, предотвращающий посинение йода. В конечном итоге витамин C «проигрывает схватку» и жидкость приобретает синий цвет.

Если вы не нашли жидкого крахмала для стирки, вы можете использовать половину чайной ложки обычного картофельного или кукурузного крахмала. В этом случае жидкости станут более мутными, а реакция займет несколько больше времени. Но это не помешает ей произвести немалое впечатление на всех наблюдателей.

После эксперимента всю одноразовую посуду, которая для нее использовалась, следует выкинуть, а руки тщательно помыть с большим количеством воды.

Следует отметить, что это не единственная химическая реакция, в ходе которой жидкость меняет свой цвет. Благодаря изменению цвета раствора экстракта краснокочанной капусты, например, можно приблизительно определить уровень pH того или иного вещества. И понять, почему кислое является кислым.

Pages: || 2 | ХИМИЯ ХИМИЯ ВРЕМЯ В ХИМИИ А. Л. БУЧАЧЕНКО Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова ХИМИЧЕСКАЯ КИНЕТИКА Время в химию вводится химической кинетикой – науTIME IN CHEMISTRY кой о скоростях химических процессов. Эта наука универсальна, она пригодна для описания всех химичесA. L. BUCHACHENKO ких реакций – от образования руд в геохимических процессах с длительностью во много миллионов лет до Time, as a fundamental parameter, is repreвзрыва, происходящего за миллионные доли секунды.

sented in chemistry by chemical kinetics and Химическая кинетика вошла во все разделы химии, она chemical dynamics. The former measures the поднялась на уровень общехимической науки, стала rates of chemical reactions, i.e., it counts the химической культурой, составной частью химического мышления.

number of chemical events in time unit; the Кинетические понятия и законы (порядок реакlatter monitors fast atomic motions at the ции, закон действующих масс, уравнение Аррениуса) moment of the reaction itself. The time boundпреобразовались в кинетические признаки и критерии ary between kinetics and dynamics spans the механизмов химических реакций. Фактически кинетиrange of 10- 11–10- 12 s. ка сформировала само это фундаментальное понятие – химический механизм, то есть представление о том, в какой последовательности и в каких комбинациях реаВремя как фундаментальный параметр гируют молекулы, какие промежуточные частицы (инпредставлено в химии кинетикой и химичетермедиаты) реагирующая система создает на своем ской динамикой. Первая измеряет скоропути от старта (реагенты) до финиша (продукты).

сти реакций, то есть считает число химиХимическая кинетика установила принципиальческих событий в единицу времени; дина- ные механизмы огромного числа химических процессов и объединила их в группы по принципу общности мика осуществляет мониторинг атомных кинетических признаков и механизма: молекулярные, движений в момент самой реакции. Граница цепные, каталитические, автокаталитические, радимежду кинетикой и динамикой лежит в инкальные, ионные. По существу через химическую китервале 10- 11–10- 12 с.

нетику различные типы реакций обрели свое характерное индивидуальное “лица необщее выраженье” – от горения водорода до металлокомплексного и ферментативного катализа. Именно через кинетику были открыты цепные реакции, проложившие прямые пути в химические лазеры и ядерную энергетику.

Скорость реакции, измеренная количеством расходуемого реагента (или накопленного продукта) в единицу времени (обычно в одну секунду), зависит от концентрации реагента и потому не является характеристикой реагентов. Только константа скорости (скорость, отнесенная к единичной концентрации каждого из реагентов) является химической характеристикой www.issep.rssi.ru реагентов, количественным выражением их реакционной способности . В свою очередь, реакционная БУЧАЧЕНКО А.Л. ВРЕМЯ В ХИМИИ Бучаченко А.Л., © ХИМИЯ способность является функцией электронно-ядерной а структуры молекул-реагентов.

Измеряя константу скорости, кинетика выступает как химический бухгалтер: она считает число реагирующих молекул, то есть число актов реакции в единицу времени. Другими словами, она считает количество химических событий, происходящих за единичное время (например, за одну секунду). Фактически кинетика измеряет интервал времени между этими событиями, но ничего не говорит о самом событии.

r(I–I)/ r(Br–I)/ ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ КАК СОБЫТИЕ Собственно химическая реакция, то есть преобразоваб ние молекул-реагентов в молекулы-продукты, включает перегруппировку атомов и преобразование их элек- r(I–I)/ тронных “одежд”. Это центральное событие, вокруг (BrI) = J = которого обращается вся химия, это сердце химии. Это событие происходит на поверхности потенциальной энергии реагирующей системы , когда система движется из долины реагентов в долину продуктов через перевал, высота которого по отношению к уровню долины реагентов есть энергия активации реакции, а конфигурация (взаимное расположение) атомов реагирующей системы на вершине перевала есть переходное состояние реакции. Пример энергетической поверхнос(I2) = 0; ET = 145 см–ти показан на рис. 1; перемещение из долины реагентов в долину продуктов означает перегруппировку атомов, составляющих реагирующую систему. Времена этих перемещений и атомных перегруппировок сравнимы с 2 3456 r(Br–I)/ периодами колебаний атомов в молекулах и составляют 10- 12–10- 11 с (1–10 пс). Другими словами, длиРис. 1. Двумерная поверхность потенциальной тельность собственно химического события составля- энергии реакции Br + I2 Br I + I, протекающей через линейную трехатомную систему Br–I–I. Энергия ет величину порядка нескольких пикосекунд. Так, на является функцией двух параметров: расстояний рис. 1 движение по траектории преобразования реагенI–I и Br–I (вверху). Внизу показана одтов Br + I2 в продукты BrI + I занимает 17,6 пс.

на из траекторий движения реагирующей трехатомной системы из долины реагентов (стартовая точка За последние пять лет в химию активно вторглись показана квадратом) в долину продуктов (финиш новые, лазерные технологии исследования. Разработапоказан крестиком). На старте указаны исходная кина техника генерации и детектирования ультракорот- нетическая энергия реагентов ЕT и колебательное квантовое число молекулы иода (I2); на финише поких лазерных импульсов с длительностью 10- 15–10- 14 с казаны колебательное квантовое число (BrI) и вра(1–10 фс), эти времена гораздо короче периодов колещательное квантовое число J баний атомов в молекулах. Используя такие короткие и повторяющиеся зондирующие импульсы, можно осуатомов в момент преобразования реагентов в продукществить почти непрерывный мониторинг движения ты. И если химическая реакция – сердце всей химии, атомов реагирующей системы на пути из долины реато графические отображения химической динамики гентов в долину продуктов (включая вершину перевала есть кардиограммы этого сердца .

и его окрестности).

Наука, исследующая временне поведение реагиОТ КИНЕТИКИ К ДИНАМИКЕ рующей системы на перевале и его окрестностях, названа химической динамикой. В отличие от химической Очевидно единство кинетики и динамики и их взаимной кинетики, которая измеряет время между химическими дополнительности: кинетика отвечает на вопрос, каков событиями, ее наследник – химическая динамика из- механизм реакции, в каких комбинациях молекулы меряет время самого события, следит за движением реагентов вступают в реакцию, какие промежуточные СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №8, ХИМИЯ частицы возникают на пути к продуктам и в какой по- рождаются молекулы-продукты. При этом реагенты следовательности они реагируют; динамика сообщает, готовятся в заданном состоянии (с известной скорокак движутся атомы на поверхности потенциальной стью и энергией вращения и колебания, с нужной ориэнергии, как осуществляется перегруппировка атомов ентацией, угловым моментом и электронной энергией), в момент рождения новых молекул из реагентов. Путь а для молекул-продуктов, образовавшихся при встречах от кинетики к динамике был непрост, он занял почти реагентов в скрещении молекулярных пучков, измерявсе ушедшее столетие. В табл. 1 показано, как соверша- ются скорость, энергия вращений и колебаний, ориенлась эволюция химической кинетики в химическую тация, угол рассеяния. Фактически методы скрещендинамику. Ведущим началом в этой эволюции были ных пучков дают полную характеристику и реагентов и экспериментальные методы измерения скоростей реак- продуктов.

ций, их быстродействие.

Главное достоинство этих технологий даже не в том, что они вплотную придвинулись к коротким вреСначала разрабатывались простые, “кухонные” менам контакта реагентов, а в том, что они “работают” методы (типа отбора и контроля проб), они годились с молекулами как с квантовыми объектами, строго залишь для неторопливых реакций, происходящих за часы давая квантовые состояния реагентов и фиксируя кванили в лучшем случае за минуты (105–102 с). Для быстрых товые состояния продуктов . И все-таки даже эти реакций (102–10- 4 с) позднее были созданы методы бысблестящие, элитарные технологии остаются кинетичетрого турбулентного смешения потоков реагентов (в гаскими: они говорят все о реагентах и продуктах, но низе или жидкости). Дальнейшее продвижение в область чего не сообщают о главном событии – как произошло быстрых реакций (с временами 10- 4–10- 11 с) связано с преобразование реагентов в продукты, это еще не хисозданием новых технологий химического эксперимическая динамика.

мента – молекулярных пучков и импульсных лазерных технологий. Они породили новую крупную область – СОВРЕМЕННАЯ ХИМИЧЕСКАЯ ДИНАМИКА экспериментальную физику химических реакций, включающую методы инфракрасной и оптической хе- Рождение химической динамики из химической кинемилюминесценции, когерентного возбуждения, лазер- тики происходит на рубиконе времени 10- 12 с. Новое но-индуцированной флуоресценции, время-пролетной поколение лазеров внесло в химию новые технологии масс-спектрометрии и допплер-эффекта, резонансно- коротких лазерно-оптических импульсов длительносусиленной многофотонной ионизации, когерентного тью 10- 15–10- 13 с (1–100 фс). За это время атомы в реакомбинационного рассеяния, спектроскопии нулевой гирующих молекулах перемещаются на расстояние кинетической энергии. Эти методы открыли огромные 0,1–0,01. Это означает, что мониторинг движения возможности в приготовлении реагентов в заданных атомов реагирующей системы на поверхности потенсостояниях с точной и контролируемой энергией коле- циальной энергии (включая вершину перевала и его баний и вращений, с заданной скоростью и электрон- окрестности) осуществляется через каждые 0,1–0,ной энергией, с заданной ориентацией и угловым мо- (с шагом 10- 13–10- 15 с по времени и 0,1–0,01 по межментом. атомному расстоянию). Ясно, что речь идет о спектроскопии и химической динамике переходного состояБыл создан метод молекулярных потоков (молекуния. Это динамика собственно химического события – лярных пучков), когда каждый из реагентов готовится в преобразования реагентов в продукты. И это крупный виде молекулярного пучка, вылетающего из узкого отпрорыв в химии: то, что всегда было предметом лишь верстия. Далее пучки двух реагентов направляются друг теории, теперь стало объектом экспериментального на друга под заданным углом (скрещенные молекулярнаблюдения и зондирования. Этот блестящий прорыв ные пучки), и в столкновениях молекул-партнеров стал крупным событием в химии только что ушедшего века. Его главным вдохновителем стал американский Таблица 1. Химическая кинетика и химическая динамика:

физик Ахмед Зевайл, увенчанный в 1999 году Нобелевиерархия времен ской премией.

, с Техника Прорыв в короткие времена не просто количественный скачок, это еще и новое качество. Время 10– Кинетика 105–102 Контроль проб 50 фс мало по отношению к периоду колебаний атомов 102–10- 2 Струя в молекуле (102–103 фс), так что в момент фемтосекунд10- 2–10- 4 Остановленная струя ного импульса атомы остаются почти неподвижными, 10- 4–10- 8 Молекулярные пучки сохраняя свои положения. Например, в молекуле NaI в 10- 8–10- 11 Лазерные технологии потенциальной яме основного состояния межатомные Динамика 10- 12–10- 15 Современные лазеры расстояния осциллируют между 2,5 (сжатое состояние) БУЧАЧЕНКО А.Л. ВРЕМЯ В ХИМИИ ХИМИЯ и 5 (растянутая связь). Фемтосекундный импульс Потенциальная энергия а схватывает ансамбли молекул с определенным межатомным расстоянием и фазой колебаний и переносит Ионное состояние:

Na+ + Iих мгновенно в новый потенциал возбужденного состояния (рис. 2). В этом новом потенциале атомы начинают новое, теперь уже синхронное, когерентное движение. Такой ансамбль есть когерентный волновой пакет – ансамбль молекул-осцилляторов с фиксироКовалентное состояние:

ванной фазой колебаний, заданным стартовым межаNa + I томным расстоянием и заданной энергией. Таким образом, химическая динамика – это не только временнй мониторинг движения ядер на потенциальной поверхности, это временне поведение новой коллективной частицы – волнового пакета, когерентного ансамбля молекул-осцилляторов. И эта динамика оперирует с такими понятиями, как расплывание волнового пакета, интерференция, эхо, фаза, фазовая турбулентность.

Вернемся к рис. 2. Волновой пакет, заброшенный в NaI* 2/3 Na + I верхний потенциал, осциллирует в нем (то есть межRx = 6,0 5 10 15 атомные расстояния в каждой из молекул этого пакета Межъядерное расстояние, б синхронно и периодически изменяются от 3 до 12 ).

Сигнал, отн. ед.

При межатомном расстоянии 6,93 верхний и нижний 0,потенциалы сильно сближаются (их энергии в этой Na точке почти одинаковы). Это точка бифуркации, здесь пакет распадается: часть пакета проходит эту точку, не замечая ее, и продолжает жить в верхнем потенциале.

Другая часть “ныряет” на нижний потенциал и распа- 0,дается на атомы Na и I. При каждом колебании волновой пакет в точке 6,93 частично распадается, рождая атомы Na. Поэтому выход атомов осциллирует с периодом колебаний 1,2 пс (это видно в правой части рисун0,ка). Атомы Na появляются только в моменты прохождения точки бифуркации. Амплитуда пакета падает, так что к седьмому колебанию он почти исчезает и атомы Na больше не образуются. Волновой пакет закончил свою упорядоченную, когерентную жизнь, другой у него и не было .

-2 0 2 4 6 Время задержки, пс Таким образом, прорыв из химической кинетики в химическую динамику создал новую науку – когерентРис. 2. Фемтосекундная динамика фотодиссоцианую химию, которая имеет дело с новой коллективной ции NaI. а – потенциальные кривые ковалентного и ионного состояний, б – экспериментальная динамичастицей – волновым пакетом, ансамблем абсолютно ка волновых пакетов, детектируемая по выходу атотождественных молекул с синхронно (когерентно) комов Na (дифференциальный выход – нижняя осциллеблющимися атомами (с одной частотой и фазой) и лирующая кривая, интегральный выход – верхняя синхронно реагирующими, так что когерентность реа- кривая) гентов переносится и сохраняется в продуктах. Такой ансамбль ведет себя как полк солдат на параде – образ превращения. Фактически это новая наука – химия не слишком точен, но нагляден.

переходного состояния. Она получила название “фемОсуществляя мониторинг движения атомов на по- тохимия”, так как разыгрывается на временах, измерятенциальной поверхности, можно также и вмешивать- емых фемтосекундами (напомним: 1 фс = 10- 15 с). И ся в химическое поведение переходного состояния, фемтохимия, и когерентная химия – прекрасные черты осуществляя его энергетическую накачку или изменяя нового лица химии XXI века. Они имеют дело с движефазу. Это означает управление переходным состояни- нием атомов – и хаотическим, и когерентным – в моем, его химической судьбой, каналами его химического менты главных химических событий, когда реагенты СОРОСОВСКИЙ ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ, ТОМ 7, №8, ХИМИЯ преобразуются в продукты. События эти разыгрывают- волновых пакетах атомы принуждаются двигаться ся на химической сцене за времена 10- 12–10- 15 с. синхронно, когерентно, так и в электронных волновых пакетах движение электронов синхронизовано и упоЗевайл разработал также блестящую эксперименрядочено. Хаос в движении заменяется строгим управтальную технику прямого наблюдения за перемещениляемым порядком.

ями атомов в переходном состоянии – в те моменты, когда из реагентов рождаются продукты. В этой техни- Физики сейчас активно работают над созданием ке переходное состояние зондируется прами фемтосе- нового поколения лазеров, способных генерировать кундных лазерных импульсов. Первый импульс на- такие ультракороткие импульсы, способные когеренправляется на катод и генерирует фотоэмиссию пучка тизировать движение электронов в молекулах. Есть наэлектронов, которые ускоряются сильным электричес- дежды на их успех, и с этим успехом ожидается крупким полем. Второй фемтосекундный импульс направля- ный прорыв к новым горизонтам химии.

ется на молекулярный пучок; он генерирует волновой пакет или переходное состояние исследуемой реакции.

ЛИТЕРАТУРА Далее происходит дифракция ускоренных электронов, 1. Бучаченко А.Л. Современная химическая физика: Цели и созданных первым импульсом, на атомах переходного пути прогресса // Успехи химии. 1987. Т. 56, № 11. С. 1593– состояния, и по рассеянию электронов восстанавлива1638.

ется геометрия переходного состояния (межатомные 2. Степанов Н.Ф. Потенциальные поверхности и химические расстояния и углы). Изменяя интервал времени между реакции // Соросовский Образовательный Журнал. 1996. № 10.

ХИМИЧЕСКИЕ ЧАСЫ

В опытах, которые так похожи на фокусы, бесцветные растворы окрашивались то в один, то в другой цвет, и происходило это сразу же, как по мановению волшебной палочки. И действительно, химические реакции идут очень быстро и, как правило, начинаются сразу же после смешения реагентов. Однако из этого правила есть исключения. Реакционная смесь может оставаться какое-то время бесцветной, а затем мгновенно окраситься. Хотите—через пять секунд, хотите—через десять; вы сами можете поставить «химические часы» на требуемое время.

Приготовьте два раствора. Состав первого: 3,9 г йодата калия KJO3 на литр воды. Состав второго: 1 г сульфита натрия Na2SO3, 0,94 г концентрированной серной кислоты (осторожно!) и немного, несколько миллилитров крахмального клейстера — тоже на литр воды. Оба раствора бесцветны и прозрачны.

Отмерьте по 100 мл обоих растворов и быстро, лучше при перемешивании, прилейте второй к первому. Опыт удобнее ставить вдвоем—пусть ваш товарищ сразу же начнет отсчет времени по секундомеру или по часам с секундной стрелкой. Через шесть-восемь секунд (точное время зависит от температуры) жидкость мгновенно окрасится в темно-синий, почти черный цвет.

Теперь отмерьте вновь 100 мл второго раствора, а 50 мл первого разбавьте водой ровно вдвое. С секундомером в руках вы убедитесь, что время, прошедшее с момента сливания растворов до их окрашивания, тоже увеличится в два раза.

Наконец, смешайте 100 мл второго раствора с 25 мл первого, разбавленного водой вчетверо, т. е. до тех же 100 мл. «Химические часы» будут работать в четыре раза дольше, чем в первом опыте.

Этот опыт демонстрирует один из фундаментальных химических законов — закон действия масс, согласно которому скорость реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Но вот в чем вопрос: почему растворы окрашиваются мгновенно после паузы, а не равномерно и постепенно, как этого следует ожидать?

Серная кислота в растворе вытесняет йодат- и сульфит-ионы из их солей. При этом в растворе образуется йодоводородная кислота HI, но живет она недолго и тут же вступает во взаимодействие с йодноватой кислотой HJO3. В результате выделяется свободный йод, он-то и дает цветную реакцию с крахмалом.

Если бы все шло именно так, то раствор и темнел бы постепенно, по мере выделения иода. Однако параллельно идет еще один процесс: сернистая кислота Н2SO3 реагирует со свободным иодом и вновь образуется иодоводородная кислота. Эта реакция идет быстрее предыдущей, и йод, не успев окрасить крахмал, снова восстанавливается до JO3-.

Выходит, что окраска не должна появиться вовсе? Обратите внимание: в ходе реакции сернистая кислота непрерывно расходуется, и как только вся она превратится в серную, иоду ничто уже не будет мешать реагировать с крахмалом. И тогда раствор мгновенно окрасится по всему объему.

Разбавляя раствор вдвое и вчетверо, вы уменьшали концентрацию иодата калия, и скорость реакции уменьшалась пропорционально.

Объяснение, кажется, заняло больше времени, чем сам опыт с часами…

РАДУГА БЕЗ СОЛНЦА

В химических исследованиях очень часто используют оптические способы. Явление, которое вы сейчас будете наблюдать, применяют для того, чтобы определить температуру плавления вещества.

Подготовьте около пятнадцати одинаковых пластинок из тонкого стекла (годятся, например, старые фотопластинки). Горячей водой смойте с них эмульсию и нарежьте на квадратики размером примерно 5 х 5 см. Десять таких квадратиков положите один на другой и с торцов обмотайте изоляционной лентой, чтобы стопка не рассыпалась. На одну из оставшихся пластинок насыпьте немного тиосульфата натрия (гипосульфита) и аккуратно подогрейте, чтобы кристаллы расплавились. Другую свободную пластинку нагрейте и сразу накройте ею расплав. Между пластинками образуется тонкий прозрачный слой расплавленной соли. Если он окажется мутным, добавьте немного, буквально одну-две капли воды. При остывании расплава на воздухе гипосульфит начнет кристаллизоваться; это само по себе любопытно наблюдать через увеличительное стекло.

Положите на стол лист черной бумаги, а поверх него — чистое тонкое стекло. Включите яркую лампу и сядьте у стола так, чтобы сквозь стопку, которую вы будете держать, было видно отражение лампы в тонком стекле, лежащем на столе. Меняя наклон стопки, наклоняясь ближе к столу, либо отдаляясь от него, найдите такое положение, при котором отраже ние лампы померкнет. На стопку лучше смотреть под острым углом. Если вам мешает прямой свет от лампы, прикройте стопку экраном или ладонью, но так, чтобы видеть свет, отраженный от стола.

Свободной рукой возьмите пластинки с гипосульфитом и поместите их между стопкой и столом так, чтобы они оказались на пути света. Слегка поворачивайте и наклоняйте их—и вы увидите очень красивую радугу.

Объяснение опыта завело бы нас в мир уже нс химических, а физических явлений. Расскажем только, как с помощью таких стопок — их называют поляризационными—измеряют температуру плавления. Радуга, которую вы наблюдали, появляется только в кристаллах. Если же постепенно нагревать твердое вещество, то в тот самый момент, когда вещество перейдет в жидкое состояние, радуга исчезнет.

СВЕТЯЩИЕСЯ РАСТВОРЫ

Во время некоторых химических реакций часть энергии выделяется в виде света. Такой процесс называют хемилюминесценцией. Иногда хемилюминесценция происходит в живых организмах: самый наглядный пример — всем известные светляки. Слабое свечение появляется и при окислении некоторых органических соединений. Вы можете наблюдать его в опыте с окислением гидрохинона. Заключительную стадию этого опыта надо проводить в темноте, чтобы свечение было лучше заметно.

Растворите 1 г гидрохинона и 5 г карбоната калия (поташа) в 40 мл аптечного формалина — водного раствора формальдегида. Перелейте реакционную смесь в большую колбу или в бутылку емкостью не менее литра.

В небольшом сосуде приготовьте 15 мл концентрированного раствора пероксида (перекиси) водорода. Можно воспользоваться таблетками гидроперита — соединения пероксида водорода с мочевиной (второй компонент опыту не помешает). Поставьте оба сосуда в темной комнате так, чтобы они были под рукой. Как только глаза привыкнут к темноте, добавьте раствор пероксида в большой сосуд. Тотчас смесь начнет вспениваться (из-за этого мы и просим вас взять сосуд побольше) и появится отчетливое оранжевое свечение.

Химическая энергия, выделяющаяся при окислении гидрохинона пероксидом в щелочной среде, почти полностью переходит в световую, а не в тепловую, как обычно. Тем не менее тепло в реакции тоже выделяется, поэтому формальдегид немного испаряется. А так как он неприятно пахнет, то, во-первых, не наклоняйтесь над сосудом и, во-вторых, сразу после опыта проветрите помещение.

Свечение может появиться не только при окислении. Иногда оно возникает при кристаллизации. Явление это давно известно; вы можете наблюдать его.

Самый простой объект наблюдения — поваренная соль. Растворите ее в воде, причем соли возьмите столько, чтобы на дне стакана оставались нерастворившиеся кристаллы. Полученный насыщенный раствор перелейте в другой стакан и по каплям, с помощью пипетки, осторожно добавляйте к этому раствору концентрированную соляную кислоту. Соль начнет кристаллизоваться и при этом возникнет свечение—в растворе будут проскакивать маленькие искры. Чтобы заметить их, опыт также надо ставить в темноте.

Подобным образом ведут себя при кристаллизации и некоторые другие соли—хлорид калия, хлорат бария. Во всех случаях искры появляются лишь при добавлении соляной (хлороводородной) кислоты. Но, пожалуй, наиболее эффектен опыт со смесью сульфатов калия и натрия. Смешайте 200 г калиевой и 80 г натриевой соли и небольшими порциями добавляйте к ним горячую воду. Когда все кристаллы растворятся, оставьте раствор для охлаждения. Помещение, в котором вы ставите опыт, должно быть затемнено. Первые, совсем слабые искры появятся уже при 60°С. Потом их будет становиться все больше и больше. Когда кристаллов выпадет много, вы увидите целый сноп искр, но этого приходится ждать долго — иной раз целый час. Если приложить ухо к стенке сосуда, можно услышать нечто вроде грома. Свечение в этом случае вызвано, вероятно, образованием двойной соли 2K2SO4*Na2SO4*10H2O.

Раствор с кристаллами не выливайте — опыт можно повторить и после того, как свечение прекратится. Проведите стеклянной палочкой по кристаллам, которые находятся под жидкостью, или просто встряхните несколько раз сосуд с кристаллами—искры появятся вновь.

Вот еще опыт со свечением при кристаллизации (это явление называют кристаллолюминесценцией), Для него придется приготовить бромат бария Ва(ВrO3)2 из более доступных веществ—бромата калия КВrО3 и хлорида бария ВаСl2. Так как растворимость первого из них невелика, придется брать разбавленные растворы, примерно 3 %-ной концентрации. Если смесь реагентов охлаждать, то в осадок выпадет искомая соль: в холодной воде бромат бария почти не растворяется.

Отфильтруйте, промойте холодной водой и высушите бромат бария, затем отвесьте 2 г, растворите в 50 мл кипятка и вновь профильтруйте раствор. Стакан с раствором поставьте охлаждаться, но не при комнатной температуре, а при несколько более высокой — 40—45 °С (лучше всего — в сушильном шкафу). При этой температуре в растворе будут появляться голубые искры и раздаваться хлопки—опять микрогроза в химическом стакане…

СВЕЧЕНИЕ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Раствор бромата бария, приготовленный в предыдущем опыте, охладите до комнатной температуры; в осадок должны выпасть белые кристаллы соли. Когда их соберется достаточно, разотрите их стеклянной палочкой. Может быть, и не с первого раза (требуется навык), но при растирании появятся вспышки света.

По какой же причине — ведь химические процессы уже не идут, и кристаллизация тоже закончилась?

Действительно, причина тут иная—трение. И явление это — триболюминесценция (по-гречески трибос—трение). Есть вещества, которые очень чувствительны к трению и начинают светиться в темноте не только при растирании, но даже при встряхивании. Правда, эти вещества—не из самых распространенных, но может быть, они есть в школьном кабинете химии или в химическом кружке. Вот два из них: сульфид цинка ZnS с добавкой 0,02 % сульфида марганца MnS; сульфид кадмия CdS. Однако среди веществ, испускающих свет при трении, есть и на удивление обыденные. Например, сахароза.

В большую фарфоровую ступку насыпьте на дно немного рафинированного (т. е. очищенного) сахарного песка. Войдите в темное помещение и пробудьте в нем несколько минут. Когда глаза привыкнут к темноте, сначала медленно, потом постепенно убыстряя темп, растирайте круговыми движениями сахарный песок фарфоровым пестиком. Вскоре появятся голубоватые искры, которые сольются в светящееся кольцо. Если не убыстрять темп растирания, то искры будут вспыхивать под пестиком тут и там.

Упрощенный вариант опыта: крепко зажмите в руке кусок сахара-рафинада и чиркните им несколько раз по шероховатой поверхности — фаянсовой, керамической. Проделайте это, как и прежде, в темноте. Если глаза к ней привыкли, вы увидите светящиеся полосы, которые гаснут, едва вспыхнув.

Излучение при триболюминесценцин объясняется электрическими разрядами, возникающими при разрушении кристаллов. Вот почему оно прекращается, когда кристаллы сахара в ступке уже перетерты. Сахарная пудра от трения не светится.

Сеансе чёрной магии и её разоблачение: йодные часы или реакция Бриггса—Раушера

Сегодня в «Сеансе чёрной магии и ее разоблачение» действительно что-то сложное: йодные часы или реакция Бриггса—Раушера.

Йодные часы – это автоколебательная реакция, которую сегодня попробуем рассмотреть коротко и понятно, обозначив основные направления её протекания.

Во-первых, это колебательная реакция протекает при взаимодействии пероксида водорода, йодноватой кислоты, сульфата марганца (II), серной, малоновой кислот и в присутствии крахмала, как индикатора наличия йода.

Во-вторых, протекание реакции зависит от двух основных процессов (каждый из которых включает несколько одновременных реакций):

А) (нерадикальный процесс) – медленное взаимодействие свободного йода с малоновой кислотой в присутствии иодата. Этот процесс включает промежуточное получение иодид-иона.

B) (радикальный процесс) – быстрый автокаталитический процесс с участием промежуточных продуктов взаимодействия марганца и свободных радикалов, который превращает перекись водорода и иодат в свободный йод и кислород. Этот процесс также может расходовать иодид.

Но процесс B может протекать только при низких концентрациях иодида, создавая петлю обратной связи следующим образом:

в начале количество иодида небольшое, а процесс В генерирует свободный йод, который постепенно накапливается. Между тем процесс А медленно генерирует промежуточный иодид-ион из свободного йода с возрастающей скоростью, пропорциональной концентрации I₂. В какой-то момент это подавляет процесс B, останавливая производство свободного йода, который все еще потребляется процессом A. Таким образом, в конечном итоге концентрация свободного йода (и, следовательно, иодида) падает достаточно низко, чтобы процесс B снова запускался и цикл повторяется до тех пор, пока исходные реагенты не закончатся.

Общий результат обоих процессов (упрощённо):

IO³⁻ + 2H₂O₂ + CH₂(COOH)₂ + H⁺ → ICH(COOH)₂ + 2O₂ + 3H₂O.

Изменения цвета, наблюдаемые во время реакции, соответствуют действиям двух процессов: медленно растущий янтарный цвет обусловлен образованием свободного йода по способу В. Когда процесс B останавливается, в результате увеличение иодид-иона позволяет получить мгновенный синий цвет крахмала. Но так как процесс A все еще идёт, то он медленно исчезает.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх