Книга по химии для домашнего чтения

Степин Борис Дмитриевич

Если в стакан с газированной водой бросить щепотку соли, то растворенный газ — диоксид углерода CO₂ — сразу начнет выделяться. Почему?

Объяснение этому обыденному явлению будет не таким уж простым. Вспомним, что в чистой воде газ растворим лучше, чем в растворе соли, а газированная вода — это пересыщенный раствор диоксида углерода CO₂ (углекислого газа) в воде. Чтобы избыток газа выделился, нужны «зародыши», например микропузырьки воздуха. Однако добавление к газированной воде речного песка не приведет к выделению газа. Правильное объяснение включает два механизма процесса: как только кристаллы соли попадут в стакан, они начнут растворяться, и вокруг них образуется пленка концентрированного раствора; в результате растворимость газа вблизи

кристаллов резко уменьшается, появляются маленькие пузырьки газа — «зародыши». Как только «зародыши» вырастают, они отрываются от кристаллов, и в соприкосновение с солью приходят новые порции раствора. Этот процесс продолжается до тех пор, пока вся соль не растворится или пока не выделится весь диоксид углерода.

Если посолить нагретую до 70–80° C водопроводную воду, она «вскипает» от выделившихся пузырьков растворенного воздуха. Объяснение этому явлению — то же.

5.18. ЭТО ВСЕГО ЛИШЬ КАРБОНАТЫ

И стеклянные, и хрустальные вазы покрываются изнутри налетом, если в них слишком долго держать в воде цветы. Чтобы избавиться от налета, рекомендуют обработать стекло слабым раствором кислоты.

Налет на стекле — это карбонат кальция CaCO₃, частично — магния MgCO₃ или железа FeCO₃, которые появляются из-за взаимодействия гидрокарбонатов этих металлов [M(HCO₃)₂, где M = Mg, Ca, Fe], всегда присутствующих в воде («солей жесткости»), аммиаком NH₃ (см. 1.44) и органическими аминами сока растений например, CH₃NH₂, которые в водной среде дают щелочную реакцию:

NH₃ + H₂O <-> NH₃•H₂O <-> NH⁺₄ + OH^– ,

CH₃NH₂ + H₂O <-> CH₃ NH⁺₃ + OH^– .

Появление в воде ионов ОН^– приводит к осаждению на стекле карбонатов:

Ca(HCO₃)₂ + OH^– = CaCO₃V + HCO^– ₃ + H₂O.

Осадки карбонатов, в частности карбонат кальция, могут быть разрушены многими кислотами, в том числе даже уксусной CH₃COOH (см. 1.50):

CaCO₃ + 2СН₃СООН = Ca(CH₃COO)₂ + CO₂^ + H₂O.

5.19. «ХИМИЧЕСКАЯ ГРЕЛКА»

Известно несколько видов «обыкновенных химических грелок». Устройство их очень простое: обычно это два пакета (маленький и большой) из водонепроницаемого и химически стойкого материала (пленки, ткани). Внутри маленького пакета — вещество или смесь веществ. Чтобы грелка начала работать, сюда надо добавить немного воды и перемешать содержимое пакета. Потом пакет закрывают, вставляют в большой и еще раз тщательно закупоривают; теперь грелкой можно пользоваться. Одна из самых простых химических грелок содержит оксид кальция CaO (негашеную известь), который взаимодействует с водой с образованием гидроксида кальция (см. 3.23):

CaO + H₂O = Ca(OH)₂.

Реакция сопровождается тепловыделением. Температура грелки может достигать 70–80° С. В химической грелке другого вида используют взаимодействие металлов (в виде стружки) и солей. Совершенно сухую смесь железной (Fe) или алюминиевой (Al) стружки с солями меди (например, CuCl₂)

можно хранить довольно долго, а при добавлении воды температура сразу же повышается почти до 100oC за счет реакции:

Fe + CuCl₂ = FeCl₂ + CuV.

При этом грелка, в которой хлорид меди CuCl₂ превращается в хлорид железа FeCl₂, сохраняет тепло около десяти часов.

5.20. УДИВИТЕЛЬНЫЙ БОЛОТНЫЙ ГАЗ

Грибники нашли в лесу небольшое болото, из которого вырывались местами пузырьки какого-то газа. От спички газ вспыхнул, и слабосветящееся пламя стало блуждать по болоту.

Этот газ — метан CH₄, бесцветный горючий газ, малорастворимый в воде. Он образуется при разложении органических веществ без доступа воздуха. Раньше этот газ так и называли — «болотный газ». Смесь метана с воздухом, или «рудничный газ», нередко накапливается в угольных шахтах и представляет большую опасность для шахтеров (см. 7.13). Горение метана сопровождается большим выделением энергии в форме теплоты:

CH₄ + 2O₂ = CO₂^ + 2Н₂O^.

В лаборатории метан можно получить нагреванием смеси ацетата натрия CH₃COONa и гидроксида натрия NaOH:

CH₃COONa + NaOH = CH₄^ + Na₂CO₃.

Метан добывается вместе с другими легкокипящими углеводородами в очень больших количествах на газовых промыслах и используется как топливо и как химическое сырье.

5.21. КАКОГО ЦВЕТА ПОВАРЕННАЯ СОЛЬ?

Чистая поваренная соль бесцветна (см. 10.51). «Деликатесная», или «царская», поваренная соль нежно-розового цвета и с приятным ароматом, содержит микроскопические водоросли, попавшие в нее из воды соляного озера. Встречается и соль синего цвета.

В природе синяя поваренная, или каменная, соль (хлорид натрия NaCl) — большая редкость. А в лаборатории ее получить не так уж трудно. Для этого в плотно закрытом сосуде нагревают смесь металлического натрия и хлорида натрия. Металл способен растворяться в соли. При этом атомы натрия Na проникают в кристаллическую решетку, состоящую из ионов Na⁺ и Cl^– . Атомы натрия достраивают решетку, занимая подходящие места и превращаясь в катионы Na⁺. А освободившиеся электроны располагаются в тех узлах кристаллической решетки, где полагалось бы находиться анионам Cl^– . Такие необычные узлы решетки, занятые электронами, называют вакансиями, или F-центрами (от немецкого Farbe — цвет). При охлаждении кристалла некоторые F-центры объединяются, образуя ассоциаты, включающие 10–1000 атомов натрия, — это и служит причиной появления окраски кристаллов. Кстати, при растворении синих кристаллов в воде образуется бесцветный раствор — совсем как из обычной поваренной соли. В природной каменной соли F-центры образуются под действием излучения, сопровождающего радиоактивные превращения.

5.22. ЦЕПИ КНЯЗЯ БАГРАТИОНА

Какое отношение имеет прославленная семья Багратионов к гальваническим элементам?

Князь Петр Романович Багратион (1818–1876) — племянник знаменитого полководца — начинал свою службу в инженерных войсках. В 1840 г., будучи в чине лейтенанта и в адъютантской должности, он изобрел гальванический элемент, впоследствии получивший название «цепь князя Багратиона постоянного действия». Этот элемент представлял собой горшок с землей, пропитанной концентрированным раствором хлорида аммония NH₄Cl (нашатыря), в которую на некотором расстоянии втыкали медную (Cu) и цинковую (Zn) пластины. Такой элемент давал ток на протяжении нескольких месяцев. Позднее Багратион сделал несколько крупных изобретений в области металлургии (например, он разработал цианирование — способ извлечения золота из руд, см. 6.3; 10.13).