Подборка химических вулканов.
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, ведь 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.
