Text
                    




LECTURE EXPERIMENTS IN CHEMISTRY 5y C. FOWLES M. S c.. A. R. I. C. F. G S. Fourth revised edition LONDON G BELL & SONS LTD 19 5 7
Г. ФОУЛЗ ЛЕКЦИОННЫЕ ОПЫТЫ ПО ХИМИИ ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО Л.Б. МЕКЛЕРА и А.В. ГОРОДЕЦКОЙ Пол редакцией проф. С А. БАЛЕЗ И НА * ПОСОБИЕ ДЛЯ УЧИТЕЛЕЙ. ГОС УЛA PC Т В Е Н НОЕ УЧЕ Б НО-ПЕДАГОГ И ВЕСКОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО МИНИСТЕРСТВА ПРОСВЕЩЕНИЯ РСФС& МОСКВА I960
В книге Г. Фоулза описаны методика и техника 608 демонстрационных и ла- бораторных опытов, относящихся к раз- личным областям общей и неорганиче- ской химии. Многие из этих опытов опи- сываются в нашей методической лите- ратуре впервые. Цель книги — оказать помощь препо- давателям химии высших и средних спе- циальных учебных заведений, а также учителям школ, поскольку многие опыты просты и вполне доступны для проведе- ния в школьных условиях.
СОДЕРЖАНИЕ Из предисловия . ...................... с. . • • • • *.• •. 8 Предисловие к четвертому изданию -л л.-................ . • i. .3 10 Введение • а......................... '• •' •т 13—20 Классификация лекционных опытов. Техника проведения лекционных опытов. Глава L Изучение воды и воздуха ...... . . >..............-л.-. 21—102 Молекулярное строение и движение. Обратимость и равно- весие. Химическая терминология и химические процессы. Термическое разложение. Понятия о соединении и элементе. Кислород. Разложение воды металлами. Препаративное получение газов. Водород. Окисление и восстановление. По- нятие о смеси. Первое знакомство с воздухом. Бактерии в воздухе. Ржавление железа. Озон. Г лава //. Кислоты, основания и соли .л < . » . . л . . л .'. -л 103—199 Углерод и углекислый газ. Термическое разложение мела. Понятие о кислоте, основании и соли. Жесткость воды. Окись углерода. Углеводороды. Аммиак. «Пары» соли. Хлор. Азот- ная кислота. Термическое разложение солей азотной кисло- ты. Окислы азота. Азотистая кислота. Связывание азота. Гла$а III. Сера и ее соединения . . л . . гл . . . . . . . л л . . 200—270 Сера и сульфиды. Изучение серной кислоты. Сернистый газ. Действие меди на серную кислоту. Серный ангидрид. Опыты, иллюстрирующие камерный процесс. Кислые, основные и двойные соли. Суперфосфат. Соли серной кислоты и син- тетическая химия, Соединения бария и свинца. Перекись водорода. 5
Глава IV. Галогены, фосфор я кремний * .271—313 Выпаривание морской воды и выделение солей. Бром и йод. йодистый водород. Бромистый водород. Фтористый водород. Соли, содержащие кислород и галоген» Кремний. Фосфор, . , - / , Глава V. Количественные опыты # . w319—434 Критический обзор газового объемного анализа. Методы оп- ределения плотности газов. Метод Рамсэя. Метод, основан- ный на вытеснении воздуха. Прямой метод. Непрямой метод. Метод Баркера. Метод Виктора Мейера. Количественная диф- фузия. Определение атомных весов. Эвдиометры. Газовый объемный состав воды и пара. Вольтаметры. Шариковый эвдиометр Гофманна. Объемное содержание кислорода войне- лах углерода. Аппарат Хаукриджа и Лепсиуса. Состав серни- стого газа. Методы Гофманна, Нойеса, Годчкинсона и Леп- сиуса. Объемное содержание водорода в хлористом водороде» Методы Рамсэя, Айды Фрейнд, Оствальда и Гофманна. Элек- тролиз соляной кислоты. Анализ окислов азота. Аппаратура и методы Дэви, Хаукриджа и Шефилда, Аспираторные ме- тоды. Метод, при котором используется раскаленная спи- раль. Использование активированных металлов. Анализ серо- водорода. Объемное содержание водорода в аммиаке. Методы Рамсэя, Айды Фрейнд и Оствальда. Анализ аммиака по Гофманну. Электролиз аммиака. Состав метана, ацетилена и озона. Глава VI. Физические принципы и обычные явления .435—459 Законы действия масс. Гидролиз. Термическая диссоциация» Электролиз растворов и расплавленных соединений. Глава VII. Химия поверхностных явлений . 460—496 Коллоиды. Получение коллоидов, коагуляция и обнаруже- ние коллоидного состояния. Старение осадков. Силикагели. Адсорбция твердых тел, жидкостей и паров. Обменная ад- сорбция. Каолин. Ионообменные смолы. Избирательная ад- сорбция. Крашение. Использование адсорбции в анализе. Эмульсии и пены. Процесс мойки. Глава VIIL Катализ г. . .% * «г ъ • . 497—503 Вступление. Электролитический катализ» Вода, как катали- затор. Аутокатализ. Процесс Дикона. Глава IX, Пламя, горение и взрыв 504—522 Взаимное горение. Воспламенение, Яркость. Распространение пламени и взрыв. 6
Дополнение. Часть I. Дополнительные опыты к темам, уже изложенным л . 523—547 Прибор для определения электропроводности конструкции Мэттака. Гальваностегия никелем и хромом. Новые методы очистки ртути. Растворимый ангидрид. Элементы, содержа- щиеся в морской воде. Крышка для газоприемников конструк- ции Витли. Усовершенствованный аппарат Киппа. Новые весы. Часть II. Общее изучение химических реакций. . . л. . 548—56Я Обратимость. О продолжительности реакций. Факторы, влия- ющие на положение равновесия. Принцип Ле Шателье. Произ- ведение растворимости и влияние общего иона. Использова- ние сероводорода анализе. Комплексные соли. Коэффи- циент распределения. Замечания к некоторым опытам .г............................ 569—570 Приложение .................................................. 571—575 Предметный указатель .............,« . ... ... . . . . .576—585
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ Данная книга открывается дискуссией о связи лекционных опытов с ос- тальной частью обучения, после чего излагается техника проведения лекцион- ной демонстрации. Далее следуют главы I—IV, содержащие ряд опытов* расположенных в порядке, удобном для использования. Одновременно с опи- санием опыта даны советы о том, как лучше подать наиболее трудные его части, комментарии и интерпретации получаемых в результате опыта ре- зультатов, указания о различных путях подхода к принципам и понятиям, а также советы о том, как сохранить непрерывность и последовательность изложения. В главе V описываются количественные лекционные опыты, главным об- разом иллюстрирующие закон Гей-Люссака. Многие преподаватели испытывают затруднения при проведении опытов этого типа, в связи с чем этим вопросам уделяется особое внимание. В дан- ную главу включен ряд модификаций классических методов определения объемов газов, многие из которых описываются впервые. Для проведения большинства опытов нужна лишь простая аппаратура. Многие из них могут быть с успехом проведены в течение сорокапятиминутного за- нятия. Физические основы химических реакций, для удобства обращения, со- браны в главе VI. Большая часть этой главы полностью оригинальна, как в части класси- фикации реакций в качестве лекционных опытов, так и в методическом под- ходе к изложению различных понятий. В дополнительной главе содержится критический обзор методов обучения химии и обсуждение текущих проблем, которые, я хочу надеяться, будут особо полезны студентам при прохожде- нии педагогической практики. В дополнительной главе я затронул вопрос о желательности тщательного изучения некоторых специальных тем с определенной точки зрения. Желая помочь этой идее, я разработал несколько разделов более глубоко, чем это требуется по программам для приема в высшее учебное заведение или школь- ного курса. Такого рода более глубокая разработка позволяет отобрать се- рию опытов, которые можно использовать при обучении либо подростков, изучающих сельское хозяйство, домоводство, биологию или горное дело, для которых химия является вспомогательным предметом, либо студентов тех- нических колледжей и университетов, изучающих профессиональные курсы химии. В результате я обнаружил, что описал, возможно, столько опытов, сколько большинство преподавателей вообще в состоянии провести в преде- лах имеющегося по программе университетского курса времени; однако я не 8
предпринимал сознательных попыток заполнить дополна программу этого курса. В действительности книга содержит больше опытов, .чем можно про- вести за обычное время, отводимое преподаванию химии. Из этого обилия опытов преподаватель может выбрать те, которые более удовлетворяют на- сущной необходимости его работы; в тех случаях, когда один и тот же опыт может быть проведен альтернативными путями, я указываю индивиду- альные достоинства каждого из путей. Из числа многих характерных особенностей книги я хотел бы особо об- ратить внимание на следующие: а) На помещенное в начале главы I описание демонстрации молекуляр- ного движения, позволяющее максимально простым и легко воспринимаю- щимся путем уже в начале обучения ввести понятия о движении молекул, динамическом равновесии и обратимости. Эта серия опытов должна служить подходящим введением к любой науке о веществе. б) На описанную в главе III сознательную попытку внедрить научный метод преподавания в виде действительного исследования, проводимого сов- местно преподавателем и учащимися. в) На использование опыта, посвященного выпариванию морской воды и фракционной кристаллизации основных входящих в ее состав солей, в ка- честве введения к изучению галоидов и путей образований месторождения солей (гл. IV). г) На простоту аппаратуры, используемой в большей части опытов. Мно- голетней опыт преподавания краткого курса химии в Оксфорде по программе Управления образования убедил меня в ценности этих упрощений и в той помощи, которые они оказывают преподавателю. Некоторые из этих модифи- каций являются оригинальными, другие появились в литературе, однако еще не вошли в учебники. Особое внимание я хотел бы обратить на использова- ние коротких кварцевых трубок, которые можно нагревать пламенем одной горелки, что позволяет заменить обычную трубчатую печь, а также на мо- дификацию введенного Гофманном метода газового объемного анализа, ко- торый позволяет легко и точно провести этот опыт за 40 минут. Данные мо- дификации позволяют сэкономить время и деньги, в то же время не умень- шая эффективности опытов. Высоко ценными образцами простоты и смелости являются взятые мною из литературы методы термической диссоциации по Блохману и определение объемного содержания кислорода в сернистом газе по Нойесу. Большей частью приведенных мною исторических данных я обязан ве- ликолепной библиотеке Химического Общества. В связи с этим я выражаю мою благодарность библиотекарю Ф. В. Канфорду и его штату за умелую и охотно оказывавшуюся ими помощь. Латимерская Высшая Школа Хаммерсмит, Лондон, Вест 6 Ноябрь 1936 В заключение своего предисловия автор указывает использованные мате- риалы других авторов и выражает им благодарность.
ПРЕДИСЛОВИЕ К ЧЕТВЕРТОМУ ИЗДАНИЮ В двух приложениях третьего издания (1947 г.) содержалось шестьдесят дополнительных опытов, предназначенных главным образом для занятий повышенного типа. В приложении 11 содержится группа опытов такого типа, предназначенных для сопровождения общего изучения химиче- ской реакции. Простейшие опыты, иллюстрирующие движение молекул, ока- зались очень полезными для понимания обратимости, динами- ческого равновесия и других аспектов кинетической теории. По- этому в данном издании я увеличил их число и разнообразие. Интенсивное изучение коллоидов и адсорбции и все возрастаю- щее использование накопленных в этих областях знаний в про- мышленности и экономике привело к введению в повседневную жизнь новых процессов и веществ, давших ценный материал для лекционной практики. Наличие современных синтетических смол делает возможным проведение ряда превосходных во всех отно- шениях опытов, как например иллюстрацию избирательной ад-» сорбции, деминерализации воды и адсорбции паров. До сих пор невозможно проиллюстрировать обменную адсорбцию с помо- щью отчетливого и полностью удовлетворительного метода. Син- тетические смолы сделали возможным проведение большого чис- ла очень выразительных обменных реакций. Большое развитие знаний в этой области, их важность, привлекательность и лег- кость изучения побудили меня перегруппировать опыты этого типа, расширить их и объединить в одной главе под названием «Химия поверхностных явлений». Выдающимся опытом на иную тему является электролиз расплавленного азотнокислого сереб- ра по Финку. Возобновив дискуссию о целях и методах обучения химии, я лишь кратко суммировал различные противоположные взгляды и дал ссылку на литературу, не пытаясь давать им критическую оценку. Я с удовольствием благодарю редактора J. С. Е. и его штат- ных сотрудников за разрешение включить в книгу все выдаю- щиеся по качеству опыты Ф. Блакеншипа и Р. Дональдсона, Е. В. Бланка, К. Г. Финка, В. С. Лэппа, Д. В. Смита, Г. В. Тиес- 10
сена и Д. Г. Вальтона. Я признателен Пермутитной Компании за любезно представленные в мое распоряжение образцы ионо- обменных смол их производства и их главному химику-исследо- вателю Р. Е. Крессману за предоставленную им оригинальную литературу. Включением в книгу опыта 5а, взятого из книги «Химия», я обязан любезности Г. В. Ватта и компании изда- тельства Мигрой-Хилл. Я искренне благодарен Эйдрю X. Хипуж Д. В. Дэвису и В. Лловарчу за описания опытов, предоставлен- ные ими в виде личных сообщений. Особо я обязан Чарлзу Хольт у _ (сотрудничавшему со мной при редактировании S. М. В.— Chemistry Ш.) за чтение и редактирование рукописи при переиздании книги и за проницательную рецензию нового материала, проведенную в свете его большого опыта в препода- вании химии. В заключение я приношу благодарность всем рецензентам, которые, без исключения, приветствовали с таким теплым одоб- рением первое издание, а также тем корреспондентам, которые направили непосредственно в мой адрес свои личные призна- тельные отзывы. Г. Ф. Октябрь 1956 г.
ЗАМЕЧАНИЯ И СОКРАЩЕНИЯ Не заключенные в скобки и стоящие в заглавии опыта, вслед за его названием, фамилия и дата указывают автора данного опыта и дату первого использования его в качестве лекционного опыта- или автора, который, насколько это мне известно, пер- вым опубликовал подробности проведения этого опыта в каче- стве лекционного. Исключительно трудно определить дату начала применения в качестве лекционного опыта обычного метода синтеза в том случае, если он лишь слегка отличается от оригинального ме- тода автора. Фамилии и даты, стоящие в скобках, указывают автора, от- крывшего данную реакцию, и год, койда это открытие было сделано. Буква Ф. (если после нее не следует дата) означает, что ис- пользование данной реакции в качестве лекционного опыта описывается впервые. Ссылки на мисс Айду Фрейнд, взятые из «Эксперименталь- ных основ химии», опубликованных посмертно в 1920 г., произ- вольно датируются 1910 годом — годом ее отставки. Лекции Фрэнклэнда для учителей были прочитаны в 1872 г. и опубликованы в 1875 г. Ссылки на них я датировал 1872 годом. «Учебник химии» Горуп-Бизанея был опубликован в 1859 году. Так как мне было доступно лишь третье его издание, я датиро- вал ссылки 1859—1868 годами. Сокращенные обозначения: d — плотность; т. пл. — точка плавления; М — молярный раствор; н — нормальный раствор; S — растворимость.
ВВЕДЕНИЕ Ни одна из взаимно дополняющих друг друга частей научной лекции — постановка вопроса, собственно предмет лекции и кри- тическое обсуждение — так не отличает лекцию от других раз- делов программы обучения, не оживляет в такой степени изло- жение и не привлекает столь внимания учащихся, как хорошо спланированный и хорошо проведенный опыт. Ибо опыт стиму- лирует мышление, вызывает обсуждение и подсказывает сле- дующий шаг исследования. И это состояние интеллектуального удовлетворения и радости, охватывающее учащихся, передается также и самому преподавателю. «Лекционные опыты теряют большую часть своей эффектив- ности, если они становятся просто «лекционными демонстрация- ми». Любое приближение к демонстрации по своей сути проти- воречит научному методу преподавания. Если к тому же еще опыт и не видим учащимися, то преподавание сводится к обуче- нию химии, покоящейся на авторитете профессора. Сколько бы мы ни выступали против средневекового почитания авторитета и сколько бы ни превозносили научный метод обучения, мы сами наносим этому методу окончательное поражение, если он приво- дит к тому, что студент в конце концов убеждается просто вслед- ствие того, что так сказал профессор... Лекционные опыты должны носить характер исследования, должны давать мышлению студента убедительные и определен- ные факты и должны быть достаточно разнообразными для то- го, чтобы дать необходимую аргументацию и суметь ответить на неизбежные вопросы сообразительных студентов. Лишь в этом случае они будут соответствовать научному методу и яв- ляться наиболее ценной частью курса химии»1. Несомненно, хороший лекционный опыт является не эффек- тивным зрелищем, предназначенным для развлечения, а неоце- нимой, неотъемлемой частью обучения. Именно высокая значи- мость опыта для преподавания делает стоящим делом изучение метода его проведения и роли. Следовательно, для того чтобы правильно оценить опыт, его следует рассматривать в связи с целями и ч методами преподавания. Однако обсуждение целей 1 G. Wendt, The Journal of Chemical Education, 1931, t. 8, стр. 278. 13
преподавания привело бы нас к расширению темы и не совсем полезному отклонению в сторону. Ибо уверенность в правильно- сти различных целей и идей и их принятие зависит от психоло- гического подхода, так как ценность данной конкретной цели преподавания, с точки зрения того, что она дает для образова- ния, является делом мнения, а в мире мнений нет стандарта. С другой стороны, методы обучения, хотя они до некоторой сте- пени и определяются целями обучения, могут, однако, обсуж- даться с пользой, ибо они испытаны на деле. Правда, большин- ство преподавателей в начале своей педагогической деятельно- сти имеют некоторые знания об общих принципах и методах преподавания, но тем не менее многие из них могут захотеть узнать, какие пути были исследованы ранее и как данные мето- ды вели себя в огне опыта при их использовании для препода- вания определенного конкретного предмета. Поэтому, для того чтобы читатель мог извлечь из них для себя практическую поль- зу, я в дополнении 1 сформулировал и подверг критическому ис- следованию хорошо зарекомендовавшие себя методы препода- вания химии. В то же время далее по всей книге я еще и еще раз возвращаюсь к вопросам о взаимосвязи опыта с остальным иреподаванием. Так как время идет и горизонты химии расширяются/откры- вая новые принципы и расширяя обобщения, то приходится от- брасывать даже ценные опыты и искать пути подхода к новым фактам, подбирая реакции, подходящие для их иллюстрации. Спо- собы отражения больших успехов химии в вводной части обу- чения. обсуждены в дополнении 1, где даны рекомендации, по- зволяющие привести план работы в соответствие с новыми зна- ниями и новыми идеями. Основываясь на фундаментальном различии в подходах к обучению, Вендт разделяет лекционные опыты на исследования и демонстрации и убедительно выражает свое мнение о воспи- тательной ценности обоих классов опытов. Глава III пропаган- дирует лекционное исследование и дает детальные примеры его проведения и использования. Настоящая книга имеет в виду оказать читателю главным образом практическую помощь. По- этому, для того чтобы лучше обсудить действительные способы проведения опытов, я предлагаю разделить их на четыре класса: эпизодические, марафонские (длительные), главные и последо- вательные. Эпизодические и длительные опыты пригодны лишь для школьного обучения и едва ли могут быть названы лекци- онными опытами в обычном смысле этого термина. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕКЦИОННЫХ ОПЫТОВ Эпизодические опыты. К этому классу я отношу небольшие, возможно, заранее не обдуманные опыты, проводимые экспром- том, для того, чтобы обосновать вопрос, возникший при обсуж- 14
дении, или для того, чтобы показать тщетность некоторых ут- верждений. Предмет обсуждения может быть вполне тривиаль- ным, как например вопрос о растворимости, окраске осадка или взаимодействии двух реактивов. При школьном обучении необходимость в таких опытах возникает весьма часто. Взрос- лый человек иногда забывает, сколь малыми знаниями в области химии обладает ребенок. Если ребенок не имеет понятия о том, что такое окись цинка, то неразумно ожидать, чтобы он знал, что она нерастворима в воде. Об этих опытах важно сказать лишь одно, а именно, что они должны проводиться таким обра- зом, чтобы видеть их могли все учащиеся. Опыт, который обыч- но проводится в пробирке, в данном случае следует проводить в газоприемнике; если необходимо по ходу опыта прибегнуть к нагреванию, то пользуйтесь колбой; для проведения реакции на лакмус берите длинную полосу бумаги, скажем 15X2 см, с тем, чтобы все учащиеся видели изменение окраски. Марафоны (длительные опыты). Под этим удачным назва- нием, предложенным Е. Г. Саваджем, понимаются опыты, тре- бующие для полного завершения нескольких дней или даже не- дель, как например опыты по диффузии, диализу, ржавлению железа и прокаливанию ртути по Лавуазье. Приборы в этом слу- чае следует установить на полке либо на подоконнике, с тем, чтобы они были легко доступны учащимся. Желательно проводить как можно более длительные мара- фоны. Их развитие наблюдается учащимися с большим интере- сом, и, таким образом, повторные наблюдения поддерживают внимание к опыту и фиксируют впечатления. Более того, мара- фоны являются полезным резервом, ибо, будучи подготовленны- ми заблаговременно, они позволяют заполнить время при труд- ных обстоятельствах; когда учитель вследствие каких-либо при- чин не подготовил достаточно материала, чтобы занять учащихся. Кроме того, развитие марафона можно наблю- дать и регистрировать, а далее сделать соответствующие выводы. Главные — сложные опыты. Различные опыты отличаются друг от друга по степени трудности —одни из них требуют сложной аппаратуры, другие требуют высокого эксперимен- тального искусства. Мы будем понимать под главными такие опыты, которые либо вследствие дороговизны требуемой для их проведения аппаратуры, либо вследствие продолжительности времени, требуемого для ее установки, либо в связи с трудно- стями техники проведения опыта не могут быть осуществлены самими учащимися. Очевидно, что между опытами, нуждающи- мися в тщательной разработке, и простыми опытами нельзя про- вести резкой границы. Так, например, получение хлористого фосфора или определение объемного состава пара для двенад- цатилетнего мальчика являются трудными опытами, однако про- ведение их вполне доступно для учащихся старших классов. 15
Что касается такого прибора, как рентгеновский спектро- граф, то, имея в виду большую важность иллюстрируемых с его помощью явлений, а также и то, что до сих пор Студентам ред- ко позволяли на нем работать, пользоваться им следует только как демонстрационным на лекциях. Несомненно, что «главные» опыты занимают особое место в учебном процессе, поскольку они иллюстрируют такие явления, которые учащиеся в противном случае никогда бы не увидели. Такого рода опыты отнимают слишком много времени. Не приходится сомневаться в популярности «главных» опы- тов у детей. Лица их сияют от радости, когда, войдя в комнату, они видят прибор, занимающий весь лекционный стол. Они ра^ достно готовятся к предстоящему удовольствию, которое обе- щает им урок, или охотно зарисовывают эскиз прибора, в то время пока преподаватель заканчивает приготовления к опыту. Если бы отношение класса являлось единственным фактором, определяющим занятия, то, по-видимому, вся программа состоя- ла бы из такого рода длительных опытов. Однако имеются и другие соображения. Во-первых, как для преподавателя, так и для учащихся важ- ным является фактор времени. С одной стороны, учителю тре- буется время для подготовки и репетиции. Попытаться провести перед классом сложный опыт, типа определения состава пара или озона, без предварительного его проведения в отсутствие учащихся — это значит, самому поставить себя в унизительное положение неудачника. С другой стороны, если прибор требует всего внимания учителя, то учащимся остается только наблю- дать; при этом время лекции расходуется для достижения одйой небольшой, хотя, может быть, и важной цели. Во-вторых, не говоря уже о возможной поломке, непоправи- мой во время лекции, неопытный учитель. почти несомненно встретится с дальнейшими трудностями, если ему не удастся достигнуть кульминационной точки опыта к намеченному време- ни. Такого рода неудач можно избежать только при своевре* менной подготовке, полном овладении техникой опыта, знания времени, необходимого для достижения каждой фазы опыта и постоянном наблюдении за временем. Так, например, получая твердый серный ангидрид, следует вовремя остановить опыт, с тем чтобы успегь исследовать полученное вещество, так как его нельзя хранить до следующего урока. С другой сто- роны, при определении объема газа следует сделать конечный отсчет даже в том случае, если расчет и заключение придется из-за этого отложить. Наконец, если у учителя нет умелого помощника, то слож- ный опыт потребует от него большого напряжения. Подготовка очень трудоемка, а для того чтобы обеспечить успех, необходи- мо провести несколько пробных опытов. Более того, следует иметь в виду, что опыт придется проводить не в благожелатель* 16
но настроенной университетской аудитории с демонстраторами и студентами, всегда готовыми помочь в трудных обстоятельст- вах, а перед лицом критически настроенных, настороженных и, возможно, очень живых учащихся, одинаково готовых как обра-* деваться неудаче учителя, так и извлечь пользу из его успеха. Кроме того, не следует забывать, что учитель должен одновре- менно поддерживать порядок и возбуждать интерес к опыту и в то же время еще и излагать сам предмет занятия. Многие сложные опыты можно заменить более простыми, столь же отчетливо демонстрирующими желаемый вопрос. Суще- ствует большая потребность в разработке такого рода простых модификаций, в особенности там, где время лекции или урока ограничено сорока пятью минутами — временем столь малым, что при своем желании в течение одного урока невозможно про- вести некоторые классические опыты. Большое число таких про- стых опытов описано в тексте. Так, например, демонстрацию разложения солей аммония по Блохману можно провести в про- бирке. Количественный анализ аммиака по Гофманну можно на виду у класса с успехом и точно провести за тридцать пять ми- нут. Последовательные опыты. Под этим названием понимается последовательность небольших опытов, ведущих шаг за шагом к желаемой цели. Изредка последовательные опыты можно с удобством заменить сложным опытом, примером чего является серия последовательных опытов, шаг за шагом иллюстрирующих камерный процесс получения серной кислоты. В результате последовательных опытов и учитель и учени- ки извлекают пользу. Становится возможным не только задать вопрос и ответить на него при помощи опыта, но и дать уча- щимся возможность каждый этап усвоить вовремя, ибо учитель может на каждом этапе обсуждать результаты, не боясь испор- тить опыт. Более того, при последовательных опытах отсут- ствует риск поломки стекла — возможность, всегда имеющая место при сложном опыте и часто приводящая к гибели опыта и срыву урока. КРАТКИЕ СОВЕТЫ ПО ТЕХНИКЕ ПРОВЕДЕНИЯ ЛЕКЦИОННОГО ОПЫТА Каждый человек в соответствии со своими знаниями, харак- тером и условиями работы склонен разработать свой собствен- ный метод обучения. Тем не менее каждый может извлечь пользу, из опыта других. Именно исходя из этой точки зрения и не будучи ни в коей мере настроенным догматически, я попытаюсь дать следующие со- веты: Аппаратура должна быть подготовлена до того, как соберут- ся учащиеся. В конце урока весь аппарат полностью, за исклю- 2 Фоулз 17
чением быстропортящихся резиновых соединений, должен быть помещен в ящик. В этом случае, когда он снова потребуется, его можно будет быстро собрать. Если данный опыт для учителя новый, его следует сначала провести заблаговременно. На столе всегда должны быть в резерве запасные части. Так, например, трубки из твердого стекла часто лопаются: при работе в пере- полненной комнате необходимо держать окна открытыми, а это приводит к сквозняку на столе, защитить от которого трубки, без ухудшения видимости, невозможно. Наличие второй трубки с пробкой, заранее подобранной к используемому прибору, поз- воляет быстро провести замену и вовремя закончить опыт. Уча- щиеся очень рады, когда поломка устраняется и очевидная не- удача превращается в успешный опыт. Если опыт не удался, то следует быстро выяснить причину и, если время позволяет, повторить опыт. Вместо того, чтобы объ- яснять неудачу мнимыми и фантастическими доводами, учитель должен показать, что он является проницательным человеком, способным найти истинную причину неудачи. Заинтересованный класс воспримет это как исследование, которое иногда мо- жет стать очень поучительным; здесь следует привести из- речение Фарадея о том, что учимся мы большей частью на на- ших неудачах. Я лично при неудачах сразу испытываю реак- тивы. Большинство реактивов мало отличается друг от друга по качеству, однако некоторые из них, и в особенности металличе- ский калий, перекись бария, двуокись марганца и красный фос- фор, различаются значительно. Однажды запасенного, редко используемого реактива может хватить лет на тридцать и более. Но с новым реактивом опыт может не получиться. Молодому учителю, не слишком знакомому с опытом, не следует пытаться повторить опыт в надежде, что он пройдет успешно. Лучше пе- рейти к другому вопросу, а на досуге исследовать опыт, с тем чтобы выявить условия, необходимые для его успешного прове- дения. а затем повторить опыт при подходящем случае. Может быть, для вас будет некоторым утешением, если вы узнаете, что даже у знаменитых профессоров опыты иногда тоже не уда- ются. Если вам предстоит проделать последовательную серию опы- тов. то целесообразно последовать совету Фарадея и разместить необходимое оборудование на лекционном столе в порядке, со- ответствующем последовательности далее проводимых опытов. Иногда разумно начать опыт сразу же, как только соберутся ученики, до того, как будут даны какие-либо объяснения. Ко вре- мени окончания объяснения опыт достигнет кульминационной точки и все будет готово для исследования. Так, например, в младшем классе сжижение сернистого газа следует начать в самом начале урока и перейти к объяснению уже тогда, когда опыт идет. 18
Когда дети достигают 13—15-летнего возраста и уже знако- мы с химической реакцией, я считаю стимулирующим и поучи* тельным побуждать их время от времени предсказывать резуль- таты опыта. Так, когда сосуд, наполненный хлором, помещают над сосудом, наполненным сероводородом, то прежде, чем уда- лить крышки, я прошу учащихся предсказать, каким образом пройдет реакция. По моему мнению, следует, насколько это возможно, избе- гать лекционных опытов, существенную роль в которых играет весовой анализ; лучше, если учащиеся проделают этот опыт в лаборатории. Однако если все-таки считают необходимым про- вести весовой анализ на лекции, желательно, насколько это воз- можно, провести взвешивание предварительно. Постановка весового определения, требующего большей ча- сти времени и внимания учителя, только для того, чтобы потом убедиться, что класс имеет лишь смутное понятие о том, что было проделано, является пустой тратой времени и энергии. Лучше уж чем-нибудь пожертвовать и потратить лишнее заня- тие на то, чтобы затем подойти к более сложному вопросу. Не- которые примеры будут приведены в тексте книги. Имея дело с классом юных и начинающих учащихся, следу- ет помнить, что как сами материалы и их названия и написания, так и обращение с кислотами и манипуляции с газами кажутся учащимся новыми и необычными. Следует показать каждую де- таль прибора, объяснить ее назначение и продемонстрировать, как с ней следует обращаться. Постарайтесь, чтобы наиболее способные ученики помогали бы вам по ходу опыта. Пока преподаватель экспериментирует, задает вопросы и, прилагая усилия, старается одновременно глазами привлечь ускользающее внимание более слабых учени- ков, реакция может приобрести бурный характер, например при действии меди на концентрированную серную кислоту. Поэтому сидящим в первом ряду учащимся следует подробно рассказать о том, как надо следить за реакцией и что следует делать, когда опыт достигнет определенной стадии развития. Далее, пока вни- мание учителя отвлечено от опыта, он может поднять ошибочно не ту склянку или забыть добавить один из реактивов. Если по ошибке вместо серной кислоты в горячий раствор будет налит концентрированный раствор аммиака, то может произойти серьезный несчастный случай. Это может случиться очень легко, если при демонстрации*, в которой используются обе эти жидкости, внимание препода- вателя будет раздвоено. Однако, если любознательные ученики следят за опытом, они поправят преподавателя прежде, чем бу- дет совершена ошибка. Хотя стремление к эффекту, понимая под этим термином вспышки и взрывы ради себя самих, следует подавлять, одна* ко опыт должен быть сделан, насколько это возможно, эффект- 2* 19
ным. Рамсэй наслаждался картиной разложения йодистого во* дорода, так же как и всякий другой в его аудитории. Фентону из Кембриджа приносили в класс наковальню, на которой он мо- лотком подрывал диазосоединения. Смайзеллс вертел голым пальцем внутри конуса гудящего пламени горелки. Рэйкстрау иллюстрировал быстрое горение, воспламеняя палочку пирокси- лина, лежавшую у него на голой руке. Университетские студен- ты, так же как и школьники, испытывают сильное возбуждение, наблюдая за разложением роданистой ртути или гашением огнетушителем ярко горящего бензина. Видимая всеми боль- шая колба, удар, образующаяся в изобилии яркая окраска — все это производит впечатление и всем этим следует пользо- ваться, если это оправдано. Как говорит Н. В. Рэйкстрау (1931 г.): «Чувство драматического необходимо для успешного проведения лекционной демонстрации».
ГЛАВА 1 ИЗУЧЕНИЕ ВОДЫ И ВОЗДУХА В этой главе содержатся вводные опыты. В их число входят как основные, фундаментальные опыты, имеющие общее значе- ние для химии, так и те, которые посвящены первичному знаком- ству с воздухом. Описание опытов расположено в порядке, удоб- ном для обучения. Однако в связи с тем, что потребности учи- теля могут меняться в зависимости от условий его работы, ему следует самому, в соответствии с собственными задаче ми и взглядами на обучение, отобрать необходимые опыты, опреде- лить порядок их проведения и трактовку результатов. Так, например, преподаватели, желающие с самого начала выделить физико-химические аспекты, должны обратить особое внимание на опыты 1—6 и дать определение понятий равнове- сия и обратимости реакций. С другой стороны, преподаватели» располагающие небольшим временем для изложения курса хи- мии и в связи с этим намеревающиеся дать чисто информацион- ное изложение атомной теории, могут использовать опыты, из- ложенные в начале главы, как обосновывающие эту теорию. Учителя, имеющие возможность посвятить введению больше времени, должны постараться рассеять представления о химии как о массе не связанных друг с другом фактов. Хотя способ, с помощью которого можно достичь этой цели, в данном месте в деталях, изложен быть не может, поскольку в книге излагаются лишь лекционные опыты, а не само содержание лекций, тем не менее некоторые полезные советы такого рода все же даются. Так, например, учащиеся обнаруживают, что действие тепловой и электрической энергии приводит к разложению многих слож- ных вещестб на простые вещества, не поддающиеся далее дей- ствию тепла и электричества, и таким образом подходят к по- нятию об элементе. Изучая действие тепла на общеизвестные вещества, показывают, что вода не является элементом, и знакомят учащихся с элементом — водородом. Находят, что во- да является окислом водорода, а так как при горении водорода в воздухе образуется вода, то это значит, что в состав воздуха должен входить кислород. Дальнейшие замечания и советы, помогающие сохранить последовательность изложения, можнб найти на странице 71, где обсуждены методы изучения состава воздуха. 21
Опыт 1. О трех агрегатных состояниях вещества Колбу, наполовину заполненную водой, закройте пробкой, сквозь которую проходит короткая прямая трубка. Вскипятите воду и обратите внимание на то, что пар внутри колбы невидим, а водяная пыль, появляющаяся сразу над стеклянной трубкой, вызвана конденсацией бесчисленных частиц пара. Зажгите свечу и обратите внимание на твердый и жидкий воск. Задуйте свечу и обратите внимание на подымающийся кверху газообразный воск. Поднесите пламя к точке, находящей- ся в 2,5—5 см над фитилем; если сквозняк не помешает, то пары воспламенятся, пламя побежит вниз и фитиль загорится. В пробирку, закрепленную в штативе таким образом, чтобы ее можно было нагревать, налейте 3—4 мл эфира. Осторожно нагревайте пробирку: жидкость кипит, однако пары невидимы. Поднесите пламя к отверстию пробирки. Невидимые пары вос- пламеняются. Опыт 2. Делимость вещества Растворяют определенное количество перманганата калия и разбавляют раствор до тех пор, пока окраска его станет едва заметной. Затем подсчитывают, сколько капель содержится в разбавленном растворе, и вес соли, содержащейся в каждой капле. Заранее взвесьте в стакане 1 г перманганата калия. Налей* те в стакан примерно 50 мл воды и нагревайте жидкость, пока перманганат калия не растворится. Перелейте раствор в литро- вую мерную колбу и доведите раствор до метки. Тщательно пе- ремешайте раствор, несколько раз переворачивая колбу. Обра- тите внимание на темную окраску и ее неравномерное распре- деление; сравните окраску раствора с окраской находящегося в склянке твердого перманганата калия. Налейте немного ра- створа в бюретку, откройте кран таким образом, чтобы раствор вытекал по каплям, и попросите класс считать капли; обычно в одном миллилитре содержится 20—30 капель. Поэтому в лит- ре содержится, скажем, 25 000 капель. 10 мл раствора налейте в другую литровую колбу, доведите его водой до метки и пере- мешайте раствор аналогично описанному. Получается гомоген- ная жидкость, окрашенная в темно-розовый цвет. Таким образом, исходная жидкость разбавляется в 100 раз. Если бы вся жидкость была бы таким образом разбавлена, ее объем был бы равен 100 000 мл и, следовательно, она бы состоя- ла из 2 500000 капель, каждая йз которых была бы окрашена в темно-розовый цвет и содержала некоторое количество перман- ганата калия. Налейте в третью литровую колбу 900 мл воды {можно воспользоваться первой колбой, сохранив немного жид- кости для сравнения) и добавьте в нее 10 мл раствора первого разведения, никакой окраски обнаружить не удается; добавляй- 22
те раствор порциями по 10 мл, пока не станет заметна слабо- розовая окраска. Затем, аналогично вышеописанному, доведите объем до литра (при остром зрении слабо-розовая окраска вид- на после добавления 30 мл раствора первого разведения; она легко видима после добавления 50 мл раствора, т. е. когда 0,001-процентный раствор разбавляют в двадцать раз). Прини- мая, что 50 мл раствора первого разведения разбавлены до лит- ра, видим, что это эквивалентно разведению исходного литра др 2000000 мл, состоящих из 50 000 000 капель. Таким образом, 1 г исходной соли разделен, по меньшей ме- ре, на 50 миллионов частей, каждая из которых способна прида- вать одну и ту же интенсивность окраски определенному объему воды. Опыт 3. Наблюдение за движением газа Парам брома дают диффундировать в воздух и определяют время, в течение которого движение газа приводит к достиже- нию равновесия. Три-четыре капли брома (не более) поместите на дно сухо- го цилиндра и слегка прикройте его куском бумаги. Менее чем за минуту бром полностью испаряется, и цилиндр, примерно на четверть, заполняется коричневым газом. Поставьте позади цилиндра кусок белого картона и попросите учащихся наблю- дать за движением газа. Через 2—3 минуты цилиндр оказывает- ся равномерно заполненным коричневым газом. Затем возьмите другой такой же цилиндр, заполненный воздухом, и, сняв с заполненного бромом цилиндра бумажную крышку, установите на нем второй цилиндр, предварительно смазав вазелином ме- ста соединения цилиндров. Через 3 минуты становится замет- ным поступление брома в заполненный воздухом цилиндр. Че- рез 5 минут острый глаз может обнаружить бром уже в верх* ней части цилиндра, содержащего воздух. За 25—35 минут коричневый газ равномерно распределит- ся по всему замкнутому пространству и надолго останется в та* ком состоянии — наступит состояние равновесия. Очевидно, что окрашенный газ двигался. Проникает ли ана- логичным образом в бром невидимый воздух? Пока в содержа- щей бром системе достигается состояние равновесия, возьмите еще один цилиндр и, вытесняя из него воздух, заполните его каменноугольным газом. Снимите крышку. Заполните каменно- угольным газом еще один цилиндр и поставьте его под цилиндр с воздухом. Через 2—3 минуты накройте цилиндр и с помощью горячей свечи исследуйте содержимое каждого из цилинд- ров. В обоих сосудах будут обнаружены приблизительно одина- ковые количества каменноугольного газа. Выводы, которые следует сделать из этих опытов, и глубина их должны зависеть от возраста и восприимчивости учащихся. 23
цели, которую имеет в виду преподаватель, и иных, аналогично* го порядка, соображений. Учащимся младших классов вполне достаточно сказать, что газ обладает свойством заполнять лю- бое пространство, в которое он может проникнуть. Значительно больше можно извлечь из данных опытов в старших классах, где, например, можно ввести понятие равновесия. Движение окрашенных веществ в жидкостях и гелях пред* ставляют собой очаровательные и в то же время вызывающие размышления опыты. Результаты их позволяют легко ввести понятия обратимости и равновесия. Опыт 4. Движение растворенного брома Разбавленную бромную воду оставляют в контакте с четы* реххлористым углеродом до достижения равновесия. Водный слой удаляют и замещают водой: бром переходит в воду, пока снова не будет достигнуто равновесие. Окраску второго раство-* ра сравнивают с окраской первого. В цилиндр с пробкой налейте 10—50 мл четыреххло* ристого углерода. Пользуясь пипеткой, осторожно наслаивайте на четыреххлористый углерод разбавленную бромную воду, по- ка она не заполнит цилиндр. Вставьте пробку. Подходящей для этого опыта жидкостью является смесь одной части насыщенно- го водного раствора брома с двумя или тремя частями воды. За- крепите цилиндр в штативе и установите штатив в безопасном месте. Примерно через 10 минут четыреххлорис^ый углерод приобретает бледно-желтую окраску. Примерно через 30—40 ми* нут окраска обеих жидкостей становится одинаковой. Через час слой четыреххлористого углерода становится окрашенным более интенсивно, чем водный. На следующий день четыреххлористый углерод приобретает темный коричнево-красный цвет, а водный раствор — бледно-желтый. На второй, третий и последующие дни окраска не изменяется, ибо равновесие уже достигнуто. В ходе опыта какая-то часть брома, находившегося в верхней части водного слоя, должна была пройти полностью всю длину цилиндра. Пользуясь делительной воронкой, отделите слои друг от дру- га. Сохраните водный слой, поместив его в закрывающийся ци- линдр, а раствор брома в четыреххлористом углероде перелейте обратно в исходный цилиндр. Наполните цилиндр доверху во- дой и вставьте пробку. Некоторая часть брома медленно пере- ходит в воду. Через несколько часов окрашенный в бледно-жел- тый цвет слой воды достигает высоты около 0,5 см. Через 24 ча- са молекулы брома продвигаются в слой воды примерно на 1 см. Положение равновесия достигается лишь через много недель, и весь водный слой приобретает равномерную бледно-желтую окраску, идентичную окраске сохраненного раствора, получен- 24
ного в первом опыте после достижения равновесного положения. Следовательно, какая-то часть молекул брома должна была покинуть четыреххлористый углерод и пройти всю длину со- суда. Очевидно, что данные опыты можно провести в различных модификациях. Прямая и обратная реакции могут быть начаты одновременно; можно также провести опыты с другими раство- рами и растворителями. Однако при постановке длительных опы- тов не следует пользоваться эфиром, бензолом, тблуолом или другими жидкостями, реагирующими с бромом. Опыт 5. Движение частиц газа (Ф. Велер, 1871 е.) Водороду позволяют диффундировать через пористые стенки тигля, нарушая таким образом равновесие между воздухом, находящимся по обеим сторонам стенок. Наступающее при этом временное изменение давления обнаруживается с помощью описанного ниже прибора. Возьмите обычную длин- ную узкую стеклянную трубку и согните ее таким образом, чтобы получилась [/-образная трубка с коле- нами, длиной 30—45 см. Насосите в трубку какую- нибудь окрашенную жид-» кость типа чернил. Высота столбов жидкости должна быть примерно 15 см. С по- мощью резиновой пробки соедините одно из колен трубки с небольшим пори- стым тиглем размером при* мерно 7,5X2,5 см (рис. 1). Общеизвестно, что цветоч- ные горшки, перегородки аккумуляторов и т. п. про- ницаемы для воды и возду- ха. Если опыт 3 к данному времени проведен, то класс уже знает, что пребываю- Рис. 1. Диффузия газов. Щие в непрерывном движении газы находятся в состоянии равновесия. Очевидно, что частицы воздуха внутри и вне тигля находятся в состоянии равновесия, ибо если бы воздух входил в тигель быстрее, чем выходил, то манометр пришел бы в дви- 25
жение. Для того чтобы показать это, ртом или с помощью не- большого ручного шприца надуйте воздух в открытое колено трубки. Вытесняя из газоприемника (стеклянного стакана) воздух (вверх), заполните его водородом. Накройте га-« зоприемник, поднесите его к пористому тиглю, откройте газо« приемник и наденьте его на тигель, следя за тем, чтобы стенки их не соприкасались. Окрашенная жидкость быстро движется к открытому концу трубки. После удаления газоприемника во- дород выходит из тигля и вскоре равновесие восстанавливается снова. (Проделайте такой же опыт, но вместо водорода заполните газоприемник углекислым газом и накройте им пористый сосуд (вниз), как указано на правой части рисунка. Молекулы угле- кислого газа движутся медленнее, чем молекулы воздуха, и последний будет вытекать быстрее из пористого цилиндра. Дав- ление в манометре понизится, на что будет указывать повыше- ние уровня жидкости в правом колене манометра.) Выводы, которые следует сделать из этого опыта, опять-таки должны зависеть от возраста и умственных способностей клас- са и цели, которую преследует преподаватель. Для младших классов достаточно указать, что частицы газа исключительно малы, что они всегда находятся в движении и что скорость дви- жения различных газов различна. Значительно большего мож- но достичь со старшим классом. Опыт 5а. Частицы легкого газа движутся быстрее частиц тяжелого газа (Г. В. Уатт, 1949 а.) В открытые противоположные концы длинной стеклянной трубки АВ одновременно впускают соответственно аммиак и хлористый водород. Через некоторое время ближе к концу труб- ки А появляется резко выделяющееся кольцо хлористого аммо- ния. При использовании трубки с внутренним диаметром 1 см и длиной 70—80 см кольцо появляется через 7—10 минут. Закрывают трубку резиновыми пробками, сужающие концы которых выдалбливают и заполняют абсорбирующей ватой (Л). Столь же хорошо служит пробка с отверстием, в которое встав- лена небольшая трубка, заполненная асбестовой ватой (В). Действуя одновременно с помощником, нанесите на асбест, находящийся в трубке Л, 5 капель концентрированной соляной кислоты, а на асбест В — соответственно аммиак d = 0,88 и одно- временно вставьте пробки. Заметьте время. Кольцо должно по- явиться через 7 минут. Сначала оно будет еле заметным, но впоследствии станет более отчетливым. Замечание. Движение частиц в твердых телах. Используемые в данных опытах гели не должны быть слишком твердыми* Марафонские — длительные опыты с гелями легко ставятся и 26
проводятся. Они привлекают своей красочностью и динамикой наблюдаемых явлений. Более того, ежедневное наблюдение за ними и обсуждение хода опыта помогает фиксировать внимание «а иллюстрируемых опытом законах. Эти опыты представляют собой наглядные доказательства вечного движения ионов и мо- лекул, реальности диализа и ведут к пониманию обратимости и равновесия. О желатине. Желатин экстрагируют из таких материалов, как шкуры, кости и обрезки кожи. Он плохо растворим в хо- лодной воде, но хорошо растворяется (или, более точно, пеп- тизируется) в теплой воде, образуя при концентрациях выше 1% гели, которые при охлаждении застывают. Наиболее под- ходят гели, образуемые при растворении 3—5 г желатина в 100 мл воды. Вода, нагретая до 60° С, медленно гидролизует же- латин, в результате чего образуются продукты, не застывающие при охлаждении. Поэтому нежелательно нагревать раствор же- латина выше 50°С. Соли в различной степени размягчают и раз- жижают желатиновые гели, это приводит к тому, что опыты по диффузии заканчиваются через несколько недель. Даже лучшие марки желатина содержат 0,2—0,5% извести, попадающей в желатин по ходу экстракции. Эту известь невозможно отмыть без гидролиза желатина. Следовательно, в некоторых опытах дви- жение растворенных частиц приостанавливается вследствие об- разования гидроокиси тяжелого металла или другого нераство- римого соединения. Поэтому для опытов по диффузии предпоч- тительнее пользоваться растворимыми красителями, не являю- щимися коллоидами, таким, как фуксин, метиленовая синяя, сафранин, татрацин и малахитовая зеленая. Желатин не являет- ся индивидуальным веществом, а состоит главным образом из смеси аминокислот. При желании получать воспроизводимые результаты, следует пользоваться всегда одной и той же пар- тией желатина. Лучше всего пользоваться порошкообразным желатином, применяемым в медицинской практике. Порошко- образный желатин легко растворяется в теплой воде. Можно пользоваться листовым желатином, однако, прежде чем присту- пить к растворению, следует поместить его на несколько часов в холодную воду для того, чтобы он набухал. Опыт 6. Молекулы движутся во всех направлениях а) Достаньте несколько аптечных склянок бесцветного стек- ла и, пользуясь шариковой воронкой, наполовину наполните склянки 4-процентным раствором желатина. При этом следует следить за тем, чтобы желатин не попал на верхнюю часть сте- нок склянок. Когда гель застынет, налейте в склянки, вплоть до пробки, соответственно растворы хромовокислого калия, азотно- кислого кобальта или растворимых красителей, таких, как фук- син, сафранин или малахитовая зеленая. Несколько склянок по- 27
ставьте обычным образом, несколько—вверх дном, а несколь* ко положите набок. Красители проходят в гель либо верти- кально вверх или вниз, либо по горизонтали. Когда краситель равномерно распределится по бутыли, а это произойдет тогда» когда будет достигнуто равновесие, промойте поверхность геля холодной водой, после чего наполните склянку дистиллирован- ной водой. Растворенный краситель сразу же начинает диффун- дировать в воду, и обычно вся система снова окрашивается равномерно. Если движение во взаимно противоположных на- правлениях хотят ускорить и повторить несколько раз, гели сле- дует приготовить в обычных или больших пробирках. б) Снова, пользуясь шариковой воронкой, наполните 4-про- центным раствором желатина шариковые части нескольких круг- лодонных колб. ’ Во избежание неприятностей, связанных с усадкой при застывании геля, налейте немного раствора и в ци- линдрическую часть колбы, скажем, до высоты 3 мм. Когда гель застынет, долейте колбы доверху растворами хромовокислого калия, азотнокислого кобальта, фуксина или малахитовой зеле- ной, соответственно (0,5 г красителя на 200 мл воды). Раство- ренные вещества движутся в гель не прямо вниз в виде цилинд- рической окрашенной зоны, а во всех направлениях. Через не- сколько дней, в случае хромовокислого калия, и примерно через три недели, в случае фуксина, шар емкостью 120 мл оказывается равномерно окрашенным. Опыты наглядно демонстрируют дви- жение молекул во всех направлениях и помогают разъяснить движение молекул газа. Более того, равномерная окраска при равновесии дает физическую наглядность термину «среднее зна- чение обычной скорости». Слейте окрашенную жидкость, про- мойте горлышко колбы, а затем наполните его водой. Краси- тель диффундирует в воду, опять напоминая о вечном движении молекул. в) Сосуд типа большого стакана, банки из-под варенья, ши- рокогорлой колбы или лучше всего круглодонную колбу с ма- леньким горлышком (рис. 16) наполните до края раствором желатина, беря 5 г желатина на 100 мл воды. Когда гель за- стынет, в центре его поверхности, пользуясь небольшим ножом, прорежьте щель. Отберите пробковое сверло наименьшего раз- мера и введите в него стержень-поршень, либо отберите сверло большого размера и вставьте в него деревянный стержень. Мед- ленными круговыми движениями вводите сверло до середины геля. Подберите заранее компактный кристалл подходящего раз- мера. Извлеките поршень, бросьте в отверстие кристалл и осто- рожно извлеките сверло. С помощью нагретого стержня рас- плавьте поверхностный слой геля вокруг участка надреза. За несколько часов, а иногда и минут вызванные «операцией» повреждения геля полностью исчезают. Сразу начинается дви- жение красителя, и вскоре кристалл оказывается в центре окра- шенной зоны. Для опыта подходят кристаллы хромовокислого 28
калия и азотнокислого кобальта, однако еще лучше пользовать- ся некоторыми красителями, поступающими в продажу в виде небольших компактных гранул. Более быстро движутся основ- ной фуксин и малахитовый зеленый, которые образуют за один день окрашенную зону величиной с хоккейный мяч. г) Введение в диализ. Несколько подходящих сосудов, типа больших пробирок или цилиндров (на 100 мл), наполните до по- ловины 4-процентным раствором желатина. Когда желатин засты- нет, долейте доверху сосуды растворами различных окрашенных солей или красителей. В число солей включите хромовокислый калий и азотнокислый кобальт, а в число красителей — темный голубой и конго красный. Наблюдайте за гелями в течение нескольких дней. Все соли и некоторые красители диффундиру- ют в гели. Однако конго красный и темный голубой в гели не диффундируют. Теперь смешайте растворы хромовокислого калия и темного голубого (следует взять 0,5 г красителя на 100 мл во- ды) и прилейте смесь к гелю. Уже в период лекций хромат проходит в гель. Испытайте также поведение смесей ^азотнокис- лого кобальта с темным голубым и конго красного с татрази- ном, фуксином, метиленовым синим, метиловым фиолетовым или малахитовым зеленым. Опыты с гелями служат хорошим введением к молекулярно- кинетической теории. Следующий опыт подтверждает и разви- вает эту теорию. д) Теплота, движение молекул. (Эйдрю Г. Хип, 1954 г.). Из исследования диффузии газов и диффузии в жидкостях и гелях вытекает, что в жидкостях и газах молекулы находятся в вечном движении. Два одинаковых стакана А и Б наполните почти доверху водой. Стакан А поставьте на кольцо штатива с тем, чтобы его можно было нагревать. Стакан Б поставьте на деревянную подставку таким образом, чтобы он стоял бок о бок со стаканом А, По другую сторону стакана А поставьте еще одну деревянную подставку. Введите в стакан Б трубку. Она должна находиться в центре стакана и отстоять от дна на 12 мм. Укрепите ее в этом положении. Теперь кристаллы, проходя по трубке, будут оставаться в центре стакана. Бросьте в трубку большой кристалл перманганата калия. Очевидно, что кристалл тяжелее воды. Однако тем не менее через несколько секунд можно увидеть, как перманганат калия поднимается по стакану и в конце концов равномерно распределяется по жидкости. Перманганат калия может подняться вверх только благодаря столкновению с движущимися молекулами воды. Когда вода в стакане А закипит, быстро перенесите стакан на деревянную подставку, с тем чтобы уменьшить конвекционные токи и, ана- логично В, бросьте в стакан кристалл перманганата калия. Че- рез несколько секунд, в соответствии с размером стакана, ро- зовая окраска полностью распределяется по всей жидкости. Следовательно, молекулы горячей воды движутся намного бы- 29
стрее молекул холодной воды. Эти опыты легко объясняют смысл понятий теплоты и температуры и, кроме того, демонстрируют связь между химией и физикой. ЗАМЕЧАНИЯ О БРОУНОВСКОМ ДВИЖЕНИИ В раздел о движении молекул следует включить изучение броуновского движения. При отсутствии мощного микропроек- тора можно посоветовать воспользоваться микроскопом, с тем, чтобы учащиеся один за одним могли с его помощью понаблю- дать за броуновским движением, а затем дополнить занятие демонстрацией нескольких хороших фильмов. Из известных мне способов демонстрации броуновского дви-» жения наиболее простым является метод, описанный ниже, основанный на освещении по принципу ультрамикроскопа сус- пензии графита. Вечное движение частиц углерода. (В. Лловарч, 1956 г.) В центре квадратного куска плексигласа 2,5X2,5X2 см про- сверлите отверстие диаметром и глубиной 6 мм. С помощью металлической политуры отполируйте внутренность полости и одно ребро плексигласового кубика. Окрасьте дно полости в совершенно черный цвет. Разведите 1 объем коллоидного графи- та 250 объемами воды и отфильтруйте большие частицы. Напол- ните полость разведенным раствором графита таким образом, чтобы мениск раствора слегка выступал над поверхностью плек- сигласа. Осторожно положите на жидкость покровное стекло* А^ежду жидкостью и стеклом не должно быть пузырьков возду- ха. Перенесите кубик на горизонтальный столик микроскопа. Укрепите двенадцативольтовую шариковую лампочку таким об- разом, чтобы волосок ее был расположен вертикально и нахо- дился на расстоянии 30 см от полированной поверхности бруска* С помощью собирательной линзы с фокусным расстоянием 2,5—5 см сфокусируйте уменьшенное изображение волоска та- ким образом, чтобы пучок света, пройдя через полированное ребро плексигласа, дал изображение нити внутри полости. Пользуясь 16-миллиметровым объективом, сфокусируйте микроскоп на конусе Тиндаля. Частицы графита кажутся быст- ро движущимися яркими частичками света. ХИМИЧЕСКИЕ И ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ Методическое замечание. Объясняя эти понятия, мы встре- чаемся с часто повторяющимися и трудными методическими проблемами. Должны ли мы ради ясности, простоты и экзаме- национных целей быть догматичными и проводить строгое раз- личие между физическими и химическими изменениями или нет? Учебники информируют нас по-разному: в них, например, гово- рится, что соли растворяются в воде и могут быть регенериро- 30
®аны при помощи выпаривания, откуда следует, что соли под- вергаются физическому изменению, что сублимация является физическим изменением, что образование полностью отличаю- щегося вещества (чьи молекулы отличаются от исходных) яв- ляется истинным критерием химического изменения. Однако серная кислота может быть растворена в воде и регенерирова- на при помощи выпаривания, претерпевая химические измене- ния при гидратации и дегидратации, сопровождающиеся значи- тельным выделением тепла; хлористый аммоний при сублима- ции разлагается и затем образуется снова; красный и белый фосфор являются веществами с совершенно различными свой- ствами, однако каждую форму можно количественно перевести в другую с помощью физического процесса — в каждом из этих процессов происходит внутренняя перегруппировка атомов в молекулы иных форм вещества. Число примеров можно было бы умножить. В течение многих лет некоторые химики рассматри- вали процесс растворения как химическую реакцию. Использо- вание меченых атомов подтвердило такой подход, во всяком случае по отношению к тем растворам, которые подверглись изучению. По нашему мнению, неразумно внушать учащимся младших классов мысль, что различие между физическими и химически- ми изменениями имеет фундаментальное теоретическое шаче- ние. Мой собственный опыт говорит за то, что лучше всего выбрать такие иллюстрации, которые бы помогли резко выде- лить два типа изменений с тем, чтобы можно было не давать определений и тем самым избежать связанных с этим трудно- стей. Например, можно взять серную палочку и потереть ее тканью. Палочка начнет притягивать кусочки бумажки. Далее, можно провести по вязальной игле магнитом: игла начнет при- тягивать железные опилки. За исключением того, что железо временно намагнитилось, а сера приобрела электрический за- ряд, они не изменили ни своего цвета, ни веса, ни других свойств. Однако с более старшими учащимися я обсуждаю эти опреде- ления, указывая при этом, что определения не являются факта- ми, а представляют собой искусственную и очень удобную хотя *и приближенную и несовершенную схему классификации знаний. Опыт 7. Нагревание магния и платины (Фрэнклэнд1, 1872 г.) Сначала нагревают платину, а затем магний, и противопо- ставляют друг другу наблюдаемые явления. Возьмите щипцами кусок платиновой фольги и нагревайте се в пламени горелки Бунзена. Обратите внимание на изменение окраски платины при ее разогреве и возвращении первоначаль- 1 Профессор сэр Эдвард Фрэнклэнд, 1825—1899. 31
ной серебристой окраски при ее охлаждении. Теперь попытай- тесь проделать аналогичный опыт с лентой магния. Возьмите ленту магния длиной около 22 см, выпрямите ее и, держа ее щипцами под углом 45° к пламени, зажгите. Держите в руке лист черной бумаги или черный лоток, с помощью ко- торого уловите образующийся при горении продукт. Сопоставь* те полученные результаты. Опыт 8. Нагревание сахара и нафталина (А. Ф. Голлеман, 1901 г.) В большую пробирку или небольшую сухую колбу насыпьте полную десертную ложку сахара. Осторожно нагревайте колбу и обратите внимание на несколько стадий последующего раз- ложения. В небольшую реторту поместите чайную ложку чисто- го нафталина. Класс видит, что нафталин имеет кристалличе- скую форму, и ощущает запах нафталина. Осторожно нагрейте реторту, пока нафталин -не расплавится; обратите внимание на бесцветность жидкости. Повышайте температуру, пока нафта- лин не закипит. Сконденсировавшийся продукт соберите в про- бирку и покажите, что все полученное твердое вещество имеет форму и запах исходного вещества. Затем введите понятия хи- мических и физических изменений. Описанный выше опыт может быть дополнен следующими. Опыт 9. Нагревание различных веществ а) Поместите в пробирку из тугоплавкого стекла свинцовый сурик и нагревайте пробирку, пока это вещество не станет чер- ным. Извлеките пробирку из пламени и дайте учащимся по- смотреть, что произошло с веществом в результате нагревания. Дайте пробирке остыть: красная окраска возвращается. Повто- рите опыт, взяв вместо сурика йодистую ртуть или окись цинка. Можно натереть лист фильтровальной бумаги йодистой ртутью и держать бумагу над небольшим пламенем горелки Бунзена, пока не появится желтая форма йодистой ртути (см. также опыт 482). б) Поместите в пробирку десертную ложку двухромовокис- лого аммония и нагрейте его. Отверстие пробирки направьте в безопасное место, ибо разложение происходит неожиданно и бур- но. Сравните форму и окраску полученного и исходного веществ. в) (Ф. Велер, 1821 г.; В. Л. Карпентер, 1865 г.)—Поставьте на треножник лоток песчаной бани и сильно нагрейте его. Один за другим бросайте на лоток кристаллы роданистой ртути и наблюдайте за тем, как кристаллы приобретают фантастические очертания. Не увлекайтесь получением большого числа «фарао- новых змей», ибо при этом выделяются ядовитые летучие ве- щества. 32
Химическая реакция. На этой стадии можно перейти к изу* чению либо физических, либо химических изменений. Возможно, что, прежде чем говорить о физических изменениях, имеющих место при таких процессах, как растворение и сублимация, сле- дует сначала остановиться на химической реакции. Для того чтобы показать, как вызывается химическая реак- ция и к каким результатам она приводит, можно провести со- ответствующие опыты, но используемые методы должны варьи- ровать в соответствии с условиями обучения. Если был исполь- зован современный метод обучения, следует подчеркнуть при этом превращения энергии. Вещества часто вступают в химическую реакцию при про- стом соприкосновении. Опыт 10. Синтез йодистого фосфора (Э, Фрэнклэнд, 1872 г.) Положите на треножник сухой фарфоровый черепок и на- сыпьте на него небольшую кучку сухого порошкообразного йода. Отрежьте кусочек желтого фосфора (см. стр. 309) размером с горошину, обсушите его промокательной бумагой и, пользуясь щипцами, поместите фосфор на йод. Масса воспламеняется и выделяются пары. Теперь, во избежание неприятностей, накрой- те полученное вещество стаканом. Опыт 11. Энергичное окисление спирта (Ф.) Поставьте стакан или широкогорлую колбу на деревянную подставку. Если дело происходит зимой, осторожно нагрейте кол- бу, примерно до 40°С. Введите в колбу несколько капель сухого теплого спирта и, держась на почтительном расстоянии, до- бавьте несколько капель хлорангидрида хромовой кислоты (СгОгОг). Окисление спирта происходит с яркой вспышкой, и стенки колбы покрываются зеленым веществом (СгС1з). Хлорангидрид хромовой кислоты можно получить следую- щим образом: Измельчите в порошок 10 г двухромовокислого калия и тща- тельно смешайте его с 8 г поваренной соли. Перенесите смесь в железный лоток (лоток песчаной бани или жестяную крышку) и расплавьте ее. Измельчите сплав на мелкие кусочки и поме- стите их в закрывающуюся реторту. В качестве приемника ис- пользуйте небольшую колбу Вюрца. Не применяйте соединений из пробок или резины. Залейте сплав концентрированной серной кислотой и перегоняйте смесь, пока не прекратится выделение красных паров. Закройте пробкой колбу Вюрца и, пользуясь в качестве воздушного холодильника 30-сантиметровой трубкой, повторите перегонку. Соберите продукт в небольшую склянку со стеклянной пробкой (но не корковой). 3 Фзулз 33
Опыт гр. 12. Несколько эффектных реакций а) В большую колбу поместите 1—3 мл концентрированной азотной кислоты. Добавьте немного медных стружек. Когда бу- рые пары достигнут верхушки колбы, вставьте пробку или пере- несите колбу в вытяжной шкаф. б) В высокий цилиндр налейте раствор хлористой ртути и добавьте эквивалентное количество раствора йодистого калия. Осаждается ярко окрашенная йодистая ртуть. Желательно брать равные объемы эквивалентных растворов, ибо осадок растворим в избытке каждого из реактивов. Подходящие запасные раство- ры можно получить, растворя 6,8 г двухлористой ртути и 8.3 г йодистого калия в 25 мл воды, соответственно. Другими подхо- дящими парами жидкостей являются растворы хромовокислого калия и азотнокислых свинца или серебра. в) Поместите в газоприемник чайную ложку «с верхом» двууглекислого натрия и равное количество измельченной в тонкий порошок виннокаменной кислоты. Смешайте соли. Затем добавьте воду. г) Смешайте одну часть порошкообразного сахара с двумя частями измельченного в тонкий порошок хлорноватокислого ка- лия. Перенесите смесь на фарфоровый кафель и прикоснитесь к ней концом палочки, смоченной крепким раствором серной кис- лоты. Масса воспламеняется. (Ф. Аккум, 1817 г.). НЕИСЧЕЗАЕМОСТЬ ВЕЩЕСТВА Опыт 13. Горение сухого фосфора в закрытой колбе. (К. Шееле, 1777 г.) Подберите сухую круглодонную колбу и вставьте в нее ре* зиновую пробку. Отрежьте небольшой кусочек желтого фосфора (величиной с рисовое зерно), обсушите его промокательной бу- магой и бросьте в колбу. Летом сушку фосфора следует прово- дить быстро, ибо он может расплавиться от тепла пальцев и за- тем воспламениться. Опыт лучше отложить до прохладного дня. Закройте колбу и взвесьте ее. Держа руку над пробкой, малень- ким пламенем несколько секунд нагревайте колбу вблизи от фосфора. Как только фосфор расплавится (это является пред- вестником немедленного воспламенения), снимите колбу с пла- мени и держите ее от себя и класса на расстоянии вытянутой руки. По окончании горения дайте колбе остыть и повторите взвешивание. Для уменьшения опасности разрыва колбы до взвешивания можно поместить в нее чайную ложку сухого песка и положить фосфор на песок. Иногда колба и в этом случае лопается, одна- ко, если она находится на расстоянии вытянутой руки, то все обходится благополучно. Если удается найти прочную, устойчи- 34
вую к нагреву колбу, то следует сохранить её для подобных опы- тов. При нагревании колбу следует держать левой рукой. Этой же рукой следует одновременно зажать угол тряпки. Правой рукой натягивают тряпку. Как только фосфор расплавится, кол- бу снимают с пламени и немедленно обертывают тряпкой. Эта процедура, позволяя наблюдать за горением, одновременно снимает опасения и уменьшает возможность неприятностей, свя- занных с возможным разрывом колбы. Процент таких поломок очень низок. Опыт 14. При горении свечи вес не уменьшается (В. Френч, 1897 г.) Опыт с горящей свечой, находящейся под ламповым стеклом, верхняя часть которого заполнена каустической содой, имеет ряд. уязвимых мест. Благодаря способности каустической соды поглощать влагу из воздуха, в течение времени, требуемого для взвешивания, может в определенной степени увеличиться вес са- мой колбы. Свечу помещают внутрь колбы, которую затем плотно закры- вают. Зажигают свечу с помощью спички, воспламеняемой на- гретой стеклянной палочкой. Прибор взвешивают до и после опыта. К колбе (на 500—1000 мл) подберите пробку, пропустите сквозь пробку стеклянную палочку и рядом с ней ложку для сжигания. Прочно установите в ложке небольшой кусочек свечи и точно над свечой с помощью проволоки прикрепите обломок спички таким образом, чтобы головка ее почти касалась фитиля, либо воспользуйтесь устройством, описанным в опыте 64. Участок палочки, который должен будет пройти сквозь пробку, смажьте вазелином. Уравновесьте на весах заряженный аппарат. Извле- ките пробку, подтяните повыше стеклянную палочку и, нагрев палочку до темно-красного каления, вставьте пробку. Быстро опустите палочку вниз, с тем чтобы она коснулась спички и та- ким образом зажгла свечу. Придерживайте пробку во время сжигания. Когда горение свечи закончится, снова взвесьте прибор. Если колбу предварительно заполняют кислородом, то эф- фект усиливается. Обратите внимание на то, что горение дей- ствительно имело место, а также на уменьшение размера свечи и появление капелек на стенках колбы. Опыт 15. Химическая реакция не приводит к изменению веса Взвешивают две жидкости, при взаимодействии которых вы- падает осадок. Жидкости смешивают и смесь взвешивают снова. Можно воспользоваться реакционной пробиркой Оствальда 3* 35
(стр. 351). Наиболее простой прибор состоит из колбы и нахо- дящейся внутри нее пробирки. Подходящими парами жидкостей являются растворы азотнокислого свинца и хромовокислого ка- лия или разбавленный раствор серной кислоты и раствор хло- ристого бария. Введите в колбу оба реактива, один в колбу, другой в пробирку, и взвесьте колбу. Опрокиньте колбу, с тем чтобы реактивы смешались, и убедитесь в неизменности веса. Проделайте максимально возможное число опытов. Вряд ли будет научным делать вывод или устанавливать законы на ос- нове одного опыта. РАСТВОРИМОСТЬ Понятие растворимости хорошо знакомо учащимся по еже- дневному пользованию солью или сахаром. Следует дать опре- деление термину и иллюстрировать это интересное яв- ление- Опыт 16. Различные вещества обладают различной растворимостью Равные объемы воды насыщают соответственно поварен- ной солью и селитрой, сначала на холоду, а затем при нагре- вании. На черной или синей бумаге отвесьте две кучки за- ранее измельченной поваренной соли, одну весом 16 г, другую — 60 г. Приготовьте аналогичные кучки селитры, измельченные в столь же тонкий порошок. В каждую из двух колб с пробирка- ми налейте по 50 мл холодной воды. Пользуясь ложкой, добав- ляйте в колбу соль из меньшей кучки; попросите ученика тща- тельно взболтать содержимое колбы и добавить следующую порцию соли лишь после растворения предыдущей. Одновремен- но проделывайте то же самое с селитрой. В воде растворяется полностью вся кучка соли и лишь 2/з кучки селитры. Раствори- мость имеет следующие значения: 15° 80° 100° Соль.............. 36 38,4 39,8 Селитра........ 26 169,0 246,0 Теперь извлеките пробки, поставьте колбы на треножники и нагрейте растворы. Поступая аналогично вышеописанному, добавляйте полными ложками соли из 80-граммовых кучек. После добавления нескольких ложек раствор соли насыщается. В резком контрасте с предыдущим горячая вода растворяет всю большую кучку селитры. Мы видим, что соль в холодной воде 36
растворяется лучше, чем селитра, однако в горячей воде селит- ра растворяется лучше, чем соль. Этот опыт следует провести в связи с работой класса в ла- боратории; должна быть определена растворимость разных вешеств и обсуждены кривые растворимости. Растворимость большинства веществ увеличивается с увеличением температу- ры. Лишь у немногих веществ с увеличением температуры рас- творимость уменьшается. Этим свойством обладают некоторые соединения кальция, а именно — его лимоннокислая и уксусно- кислая соли. Опыт 17. Известь менее растворима в горячей воде, чем в холодной Измельчая известь в ступке с большим количеством воды в течение нескольких минут, приготовьте холодный насыщенный раствор ее. Отфильтруйте раствор в колбу. При нагревании, вследствие осаждения извести, раствор становится молокооб- разным. При 100°С в 100 мл воды растворяется 0,176 г Са(ОН)г» при 50° С —0,128 г, при 10° С —0,077 г. Процесс растворения сопровождается изменением объема. Опыт 18. Раствор занимает больший объем, чем растворитель Соль добавляют к определенному объему воды и отмечают объем раствора. Берут мерную колбу на 250 мл с меткой в нижней части горлышка. Наполняют ее до метки водой. Зара- нее отвешивают 30 г порошкообразной соли. Ложкой добавляют соль и взбалтывают жидкость до растворения. При этом уро- вень жидкости подымается значительно выше метки. Опыт 19. Раствор может занимать меньший объем, чем растворитель Из стеклянной трубки с поперечным сечением около 12 мм изготовьте запаянную с одного конца трубку длиной 45—60 см. Налейте в трубку воду с тем, чтобы ее уровень не дошел при- мерно на 2,5 см до нанесенной на середине трубки метки. При- ливайте к воде спирт. Мениск спирта должен отстоять от края трубки на 2,5 см. Отметьте уровень жидкости полоской бумаги. Вставьте пробку и, повертывая трубку, несколько раз переме- шайте жидкости. Затем дайте жидкости успокоиться. Отчет- ливо видно уменьшение объема. 50 объемов воды и 54 объема спирта при комнатной температуре образуют раствор, занимаю- щий 100 объемов. (Ф. Аккум, 1817 г.). 37
Опыт 20. Неводные растворители В ряд пробирок, заполненных частично горячей водой, до- бавьте нерастворимые в воде вещества, такие, как сера, мел, цинк и воск. На время урока поместите пробирки в большой наполненный горячей водой стакан, подогреваемый небольшим пламенем. Время от времени обращайте внимание на устойчи- вость веществ к растворяющему действию воды. Тем временем, взболтайте воск с бензолом, серу — с сероуглеродом или толуо- лом, мел — с разбавленной кислотой и покажите, что в данном случае происходит растворение. Опыт 21. Перегонка. Из колбы Вюрца а, закрытой новой корковой пробкой, хо- лодильника Либиха в и приемника с соберите прибор, анало- гичный изображенному на рисунке 2. Не соединяйте колбу Вюрца с холодильником с помощью резины или пробки; вместо этого введите отросток колбы поглубже в холодильник, не поль- зуясь соединениями^ После перегонки вода не обладает ни вку- сом, ни запахом. К находящейся в стакане воде добавьте чайную ложку обычной соли и немного окрашивающего вещества, типа перманганата калия или чернил (во избежание осложнений не пользуйтесь веществами, перегоняющимися с паром). Цвет жид- кости видят все учащиеся. Дайте некоторым попробовать ее на вкус. Наполните колбу Вюрца до половины раствором и начни- 38
те перегонку. Бесцветный дистиллят видят все ученики; некото- рым позвольте его попробовать. Наладив первый опыт, начните аналогичную перегонку, пользуясь ретортой. Над концом реторты повесьте лист промо- кательной бумаги и, позволяя воде медленно капать из ворон- ки на бумагу, поддерживайте бумагу влажной. Опыты гр. 22. Расплывание и выветривание* Трудно за один урок дать полное описание расплывания и выветривания. Лучше, если класс проведет эти опыты в лабо- ратории. В противном случае учителю следует заранее, пример- но за неделю до урока, подвергнуть различные вещества дей- ствию воздуха, исследовав на уроке лишь результаты. Подберите подходящее место, позволяющее вести частые наблюдения. Разместите на нем часовые стекла или кристалли- зационные чашки, и поместите на стекла некоторые из следую- щих веществ: безводный хлористый кальций, хлористый цинк, каустическую соду или поташ, пятиокись фосфора, хромовый ангидрид, сернокислый натрий (кристаллогидрат) и углекислый натрий (кристаллогидрат). Вещество из чашки, в которую был помещен хлористый кальций, перенесите в небольшую колбу Вюрца, перегоните его и соберите жидкость в пробирку. Определяя ее точку кипения и действуя на нее безводным медным купоросом, покажите, что эта жидкость является водой. В небольшую широкогорлую колбу поместите немного без- водного хлористого кальция. Плотно вставьте пробку и взвесь- те колбу. Поместите в пробирку небольшое количество водного сернокислого натрия. Подвесьте пробирку на крючке стеклянной палочки, проходящей сквозь пробку. Введите пробирку в колбу. Происходящие в колбе расплывание и выветривание вскоре становятся очевидными. Через некоторой время покажите, что общий вес при этом не изменился: вес хлористого кальция уве- личился точно настолько, насколько уменьшился вес сернокисло- го натрия. Опыт 23. Возгонка хлористого аммония Большую пробирку укрепите в вертикальном положении над горелкой Бунзена. Поместите в пробирку не более 0,5 г хлори- стого аммония с тем, чтобы при осторожном нагревании дно пробирки полностью освободилось от соли. Немного вещества улетучивается в виде паров, однако большая часть конденси- руется на стенках пробирки. Повторите опыт, смешав сначала соль с подходящим нелетучим веществом, типа песка; не поль- зуйтесь веществами, имеющими основной характер, типа окиси железа, реагирующего с хлористым аммонием, ибо это может привести к осложнениям. 39
Теперь можно дать определения возгонки и летучести и рассказать о их применении. Если время позволяет, вышеописан- ные опыты можно дополнить следующими. Опыт 24. Возгонка йода. (М. Фарадей, 1827 г.) В высокий стакан без носика или соответствующий химиче- ский сосуд емкостью 100 мл поместите небольшое количество йода (необходимое количество легко подобрать на опыте). На- кррйте стакан круглодонной колбой, наполненной холодной во- дой. При осторожном нагревании стакана можно увидеть, как стакан заполняется фиолетовыми парами. Через некоторое вре- мя, если было взято небольшое количество йода, стакан стано- вится пустым, а весь йод в виде кристаллов конденсируется на стенках колбы. Опыты гр. 25. Возгонка бензойной кислоты, антрацена и нафталина В фарфоровую чашку поместите десертную ложку бензойной кислоты. Введите в чашку перевернутую воронку и накройте ею кислоту. Осторожно с помощью едва светящегося пламени нагревайте чашку (бензойная кислота плавится при 122’С), пока воронка не заполнится блестящими кристаллами. Вместо бензойной кислоты можно взять антрацен (т. пл. 213°С). Он дает белые прекрасно . флюорисцирующие кристаллы, однако более трудно поддается возгонке. Нафталин возгоняется более легко и дает большие кристаллы, однако из-за его неприятного запаха вне вытяжного шкафа с ним работать неудобно. ПРОСТОИ ПРИБОР ДЛЯ СУБЛИМАЦИИ (В? Г. Ллевеллин, 1908 г.) Возьмите пробирку длиной 12 еле и укрепите ее в штативе с тем, чтобы ее можно было нагревать. Подберите стеклянную трубку такого диаметра, чтобы трубка плотно входила в про- бирку, как поршень в цилиндр. Отрежьте от нее кусок длиной примерно 18 см. Насыпьте в пробирку около 1 г вещества и вставьте трубку. При нагревании пробирки вещество испаряется и сублимат конденсируется на стенках находящейся внутри пробирки трубки. Извлеките трубку. Дайте ученикам осмотреть либо трубку с находящимся внутри нее сублиматом, либо извле- ченный из нее сублимат. Описанное устройство действует блестяще и может быть ис- пользовано вместо прибора, описанного в опытах 23 и 24. Практическое использование возгонки может быть проиллю- стрировано следующими опытами. 40
Опыт 26. Мелкий белый песок, не содержащий железа Красный песок, отсеянный от гравия, смешайте с равным количеством хлористого аммония. Нагревайте смесь в аппарате Ллевеллина. В результате реакции с хлористым аммонием же- лезо удаляется в виде хлорного железа и остается бесцветный песок. Этот процесс используется в промышленности для очист- ки песка, идущего для изготовления стекла. Хлорное железо очищают, получая готовый для продажи продукт. Опыт 27. Получение бензойной кислоты из бензойной смолы В аппарат4 Ллевеллина поместите грамм измельченной бен- зойной смолы. Нагревайте пробирку, пока не начнут выделяться белые пары и во внутренней трубке не соберется белый субли- мат. Извлеките трубку и дайте учащимся осмотреть ее. Она заполнена белыми кристаллами. Прижмите к кристаллам влаж- ную полоску лакмусовой бумаги. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ Опыт 28. Выделение кристаллов из раствора (Ф. Аккум, 1817 г,) За два-три часа перед началом урока растворите 500 г водного сернокислого натрия в 600 мл воды, нагретой до 30—33°С. Про- фильтруйте еще теплый раствор, отделяя нерастворившиеся при- меси и нерастворившуюся соль, и равные доли фильтрата перелей- те в три совершенно чистых высоких стакана или цилиндры. На- кройте сосуды и поставьте их на лекционный стол, где они не должны подвергаться какому-либо сотрясению или пе- редвижению. Таким образом получатся переохлажденные ра- створы. После начала урока, когда учащиеся ознакомятся с находя- щимися на столе растворами, можно вызвать кристаллизацию. Проще всего образование кристаллов вызывается простым сня- тием крышки с сосуда; обычно этого бывает достаточно для того, чтобы вызвать кристаллизацию, однако если кристалли- зация не началась, слегка наклоните сосуд. Во второй сосуд бросьте небольшой кристалл глауберовой соли: мгновенно начи- нается кристаллизация. Третий сосуд держите про запас, ибо иногда кристаллизация в одном из сосудов может начаться до начала урока. Все далее перечисленные соединения легко растворяются в горячей воде и дают при охлаждении видимые кристаллические осадки. Так, например, в растворе йодистого свинца в 5 раз более растворимого в горячей воде, чем в холод- ной, вскоре появляются желтые листочки, которые, отражая при своем падении свет, образуют «золотой дождь». 41
При приготовлении растворов следует руководствоваться приведенными ниже значениями растворимостей: При комнатной температуре При 100°С Йодистый свинец 0,08 0,43 Хлористый свинец 0,91 3,34 Уксуснокислое серебро . . . 1,02 3,1 Бензойная кислота 0,29 5,9 Опыт 29. Кристаллизация из расплавленного состояния Поместите в литровую колбу побольше тиосульфата натрия и осторожно нагревайте колбу, пока соль полностью не распла- вится (т. пл. 56°С). При 'необходимости профильтруйте жидкость через стеклянную вату, собирая фильтрат в большой литровый стакан. Эта жидкость, если она накрыта и сохраняется в покое, остается в расплавленном состоянии много дней. При введении в нее маленькой крупинки тиосульфита, вырастают большие кристаллы с резкими гранями. Особо красивый кристалл сле- дует извлечь из раствора. Для того чтобы впоследствии, при необходимости, материал можно было бы использовать, в конце урока накройте сосуд крышкой. ДЕЙСТВИЕ НАГРЕВАНИЯ НА ВЕЩЕСТВА Элементы. Понятие об элементе вводят непосредственно пос- ле уроков, посвященных изучению химических и физических изменений. Различные вещества, такие, как концентрированная азотная кислота, окись ртути, вода, являющиеся хорошо извест- ными химикалиями, подвергают действию высокой температуры и отмечают происходящие вследствие нагрева изменения. Оче- видно, что образующиеся при разложении продукты не разла- гаются далее теплом. Следуя этой линии аргументации, вводят понятие элемента. Если урок проводится в. солнечный день, то желательно вос- пользоваться самой большой из имеющихся линз с тем, чтобы показать энергию солнечных лучей. Опыт 30. Термическое разложение окиси ртути (Д. Пристли, 1774 г.) Название этого вещества лучше всего опустить до конца опыта. В пробирку из тугоплавкого стекла, снабженную проб- кой с проходящей сквозь нее трубкой, поместите около 6 г 42
окиси ртути. Укрепите пробирку на подходящей высоте над го- релкой и введите в газоприемник отводную трубку с тем, чтобы собрать над водой кислород (рис. 3). Сначала нагревайте про- бирку осторожно, а затем как можно сильнее, с тем чтобы в пробирке практически осталась только одна ртуть. Помните, что 1 г окиси ртути дает не менее 50 мл кислорода. Класс отмечает, что этот газ не может быть ни расширившимся воздухом, ибо он занимает слишком большой объем, ни газообразной окисью ртути, так как при охлаждении она снова должна была бы превратиться в красный порошок. Этот газ вызывает воспламе- нение тлеющей лучины и обладает свойствами, полностью от- личающимися по свойствам от исходного вещества. Легко ви- деть, что находящийся в пробирке жидкий металл является ртутью. Отсюда следует, что красный порошок не является про- стым веществом. Теперь вводят термины «элемент», «соедине- ние» и «окись». Опыт 31. Разложение концентрированной азотной кислоты (Э. Фрэнклэд, 1872 г.) Глиняную курительную трубку укрепляют (рис. 4) таким образом, чтобы мундштук ее был чуть погружен в воду. Всегда Желательно сначала продуть мундштук с тем, чтобы убедиться в том, что он не забит; иначе из чубука будет выбрасываться горячая кислота. Если мундштук уже использовался ранее в аналогичном опыте, то глина, из которой он изготовлен, стано- вится гигроскопичной. Поэтому чубук следует промыть, а затем 43
тщательно досуха высушить в печи. Конец мундштука должен быть погружен в воду не более, чем на 1,5 мм, в противном случае давление будет слишком велико, для того чтобы газ мог пройти сквозь воду. С по- мощью двух горелок или одной горелки с ласточки- ным хвостом нагрейте до- красна участок мундштука длиной 2,5—5 см. Затем с помощью шариковой ворон- ки либо пипетки введите в чубук трубки каплю кон- центрированной азотной Рис. 4. Термическое разложение азотной кислоты. кислоты. Пусть помощник собирает кислород, держа наполнен- ную водой перевернутую пробирку точно над концом мунд- штука трубки. Соберите газ в пробирку и покажите, что он является кислородом. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕПАРАТИВНЫХ РЕАКЦИЯ Когда с целью получения веществ вводят новый еще не раз- работанный детально метод, часто трудно решить, будет ли данная его модификация служить рецептом приготовления этого вещества, либо станет лишь дополнительным средством изучае- мого химического процесса. Несмотря на многочисленные исследования и обсуждения, механизм реакций, используемых при получении даже известных веществ, например получении окиси азота при взаимодействии меди с разбавленной азотной кислотой, полностью еще не изве- стен. Поэтому какое-либо догматическое, изложение механизма реакции будет и ненаучным и непедагогичным. Некоторые иссле- дования являются высоко поучительными и стоят того внимания, которое им уделяется; в особенности это справедливо тогда, когда их постановка побуждается любознательностью и вопро- 44
сами учащихся. Можно сослаться на механизмы камерного про- цесса, метода получения хлора по Дикону и действия серной кислоты на бромистый калий. В данной книге исследовано несколько препаративных реакций, однако это совершенно не означает, что постановка таких реакций целесообразна. Понятно, что когда в младших классах в течение урока нужно успеть и получить кислород и проиллюстрировать его свойства, то для изучения механизма каталитического разложения хлорновато- кислого калия остается мало времени. В старших классах получение кислорода может быть исполь- зовано в качестве введения к изучению катализа и увязано с опытами, проводимыми классом в лаборатории. Опыт 32. Каталитическое действие двуокиси марганца Эта реакция открыта Доберейнером в 1832 году. Четыре пробирки (8X1,5 см) наполните до половины соот- ветственно (а) хлорноватокислым калием, (б) смесью трех ве- совых частей хлорноватокислого калия с одной весовой частью двуокиси марганца, (в) смесью трех весовых частей хлорнова- токислого калия с одной весовой частью окиси железа, (г) двуокисью марганца. Погрузите пробирки в баню из мелких латунных гвоздей (см. стр. 553) на такую глубину, чтобы верхушки содержимого каждой пробирки были бы едва видимы классу. В гвозди мож- но вставить термометр на 300°С, однако термометр следует извлечь прежде, чем баня нагреется до температуры разложе- ния хлорноватокислого калия. Нагревайте баню на кольцевой газовой горелке. Вскоре (при 200°С) в пробирках (б) и (в) на- чинается бурное вспучивание. В горлышко каждой пробирки введите тлеющую лучину. Извлеките термометр и повысьте температуру бани. В конце концов (при 340—400°С) хлорно- ватокислый калий начинает выделять кислород. Двуокись мар- ганца при этой температуре не изменяется. Если необходимая для получения высокой температуры баня У вас отсутствует, поступите следующим образом. Нагревайте хлорноватокислый калий в тугоплавкой пробирке до расплавле- ния соли (т. пл. 359°С) и, вводя в пробирку тлеющую лучину, покажите, что при несколько большей температуре начинается медленное и слабое выделение газа. (Таким путем в 1785 г. Бертолле получил кислород.) Возьмите аналогичную вторую пробирку и повторите опыт; однако как только соль расплавится, добавьте к ней щепотку Двуокиси марганца; сразу начинается бурное выделение кисло- рода. Действительно, эта смесь начинает выделять кислород при 200°С. Возьмите еще несколько пробирок с хлорноватокислым калием и используйте в качестве катализаторов окислы меди, кобальта или никеля. 45
Опыт 33. Получение кислорода из хлорноватокислого калия (Д. В. Доберейнер, 1832 г,) Хлорноватокислый калий и предварительно высушенную дву- окись марганца смешивают и осторожно нагревают. Насыпьте немного двуокиси марганца в чашку для выпаривания и нагре- вайте ее в течение 5—10 минут на едва светящемся пламени горелки. Обычно для того чтобы заранее убедиться в том, будет ли идти реакция без взрыв’а либо со взрывом, рекомендуется небольшое количество смеси двуокиси марганца с хлорновато- кислым калием предварительно нагреть в пробирке. Следует иметь в виду, что присутствие в двуокиси марганца в качестве примеси (загрязнения) углерода либо введение в смесь угле- рода вместо двуокиси марганца по ошибке, например в случае ошибочной этикетки, может привести к катастрофе. Приступая к проведению опыта, смешайте чайную ложку «с верхом» порошкообразного хлорноватокислого калия с при- мерно вчетверо (по объему) меньшим количеством двуокиси марганца. Смесь поместите либо в пробирку из тугоплавкого стекла (рис. 3), либо в колбу, либо в реторту. Следует пользо- ваться широкой отводной трубкой, так как газ выделяется очень бурно. Поэтому предпочтительнее пользоваться ретортой. Кусок трубки Бунзена, соединенный непосредственно с концом ретор- ты, образует широкую и удобную отводную трубку. Укрепите реторту таким образом, чтобы ее можно было нагревать, и сое- дините ее с большой пневматической ванной. Необходимые для опыта газоприемники, колбы и цилиндры всегда должны быть под рукой и заранее заполнены водой. Аналогично, все требуе- мое количество газа должно быть собрано до того, как присту- пают к изучению его реакций. Нагревайте реторту с помощью едва светящегося пламени и, как только начнется выделение газа, уменьшите пламя. В трех газоприемниках оставьте примерно по одному кубиче- скому сантиметру воды и сохраните их для опытов с магнием, натрием и железом. Опыты гр. 34. Свойства кислорода Первый газоприемник следует отбросить, ибо он в основном будет заполнен вытесненным из прибора воздухом. а) Тлеющая лучина воспламеняется Возьмите тлеющую лучину и дайте ей тлеть, пока она не станет очень маленькой. Затем введите лучину в наполненный кислородом газоприемник, в результате чего она вспыхнет пла- менем и раздастся маленький, но слышный хлопок. 46
б) Реакция с древесным углем Установите таким образом ложку для сжигания, чтобы при введении в сосуд купол ложки находился примерно на середине высоты сосуда. Положите в ложку кусочек древесного угля, ве- личиной с фасоль, и нагревайте один конец угля до тех пор, пока он слегка не раскалится. Затем опустите ложку в запол- ненный газом газоприемник. Когда реакция закончится, добавь- те в сосуд воду и взболтайте содержимое сосуда. К части жид- кости добавьте немного лакмуса или другого подходящего чув- ствительного красителя, типа бромфенолового синего или лакмоида. Прилейте немного жидкости в известковую воду: она стано- вится молокообразной. Известковая вода, налитая в сосуд, наполненный кислородом, не становится молокообразной. (См. предостережение на стр. 127.) в) Реакция с серой Насыпьте серу в ложку для сжигания и нагревайте ее в пла- мени, пока сера не закипит и не загорится. При этом образует- ся пламя высотой 2,5—5 см. Затем быстро введите ложку в заполненный кислородом сосуд: сера эффектно сгорает. Обра- зующиеся продукты следует взболтать с водой и подействовать на раствор лакмусом. г) Синтез окиси фосфора Если этот опыт проводят в большой колбе, с горлом, доста- точно широким, для того чтобы в него могла войти ложка для сжигания, то получается исключительно эффектное зрелище. Не следует пользоваться слишком маленьким кусочком фосфора. Отрежьте под водой кусочек фосфора, величиной с половинку фасоли, осушите его с помощью промокательной бумаги и поме- стите в сухую холодную ложку. Дотроньтесь до фосфора нагре- той стеклянной палочкой или проволочкой: фосфор воспламе- нится. Сразу опустите ложку в колбу. Возникшее сначала ярко- желтое пламя становится необычайно ярким и кажется, что колба вот-вот расплавится. Если при извлечении ложки фосфор воспламенится снова, дайте ему догореть в вытяжном шкафу. Взболтайте содержимое колбы с водой, и подействуйте на рас- твор лакмусом. д) Синтез окиси магния На дно колбы или сосуда, в котором будет гореть этот ме- талл, следует налить немного воды; в противном случае под Действием горячих частиц колба может лопнуть. Выпрямите 47
кусок магниевой ленты (или скрутите вместе два или три кус- ка ленты) и возьмите ленту тигельными щипцами. Воспламе- ните магний и затем спокойно опустите его до середины сосуда. Позвольте золе упасть в воду и добавьте к воде немного раство- ра лакмуса. Если лакмус не слишком подкислен (его окраска должна соответствовать нейтральной реакции), он станет синим. е) Горение железа в кислороде Возьмите щипцами стопку тонкой железной проволоки (мяг- кой проволоки, пригодной для изготовления искусственных цве- тов) и держите ее в пламени, пока концы проволок не раска- лятся докрасна. Немедленно введите проволоку в наполненный кислородом сосуд. Проволока ярко светится и разбрасывает искры. Покажите, что концы несгоревших проволок оплавлены. Это дает возможность судить о температуре, при которой про- ходила химическая реакция. ж) Синтез окиси натрия Ввиду его теоретической важности этот опыт следует по- пытаться провести, хотя при нем часто разрушается ложка для сжигания. Если куполообразная часть ложки сделана из тонкой латуни и просто припаяна, выделяющееся при реак- ции тепло часто расплавляет пайку или латунь и куполооб- разная часть ложки отваливается. Будьте готовы к этому. Вы- берите ложку с прочной куполообразной частью. Хорошо поль- зоваться ложкой из нержавеющей стали, она служит превос- ходно. Вырежьте кубик натрия величиной с горошину, удалите ке- росин промокательной бумагой и положите натрий в ложку. Введите уголок натрия в пламя, стараясь нагреть натрий, а не ложку. Как только натрий воспламенится, опустите ложку в заполненный кислородом сосуд. Как и ранее, подействуйте на образовавшийся продукт водой и добавьте лакмус. Опыт 35. Поглощение кислорода щелочным раствором пирогаллола (Ф) Наполните бюретку водой, переверните ее над водой и про* пускайте кислород, пока бюретка на одну треть не заполнится кислородом. Пользуясь спецйальной чашкой, с помощью мето- да, описанного в опыте 75, введите в бюретку едкое кали и пирогаллол. Взбалтывайте бюретку в течение пяти минут, пос- ле чего откройте ее под водой. Вода поднимается и полностью заполняет бюретку. 48
Опыт 36. Разложение воды раскаленным железом (А, Л. Лавуазье, 1784 г.) Этим опытом следует воспользоваться в том случае, если хотят выяснить, является ли вода элементом. В качестве агента, осуществляющего разложение, следует испытать действие теп- ла, однако воду нельзя прямо нагреть выше 100°С. Поэтому применяют устройство, позволяющее пропустить пар над веще- ством, нагретым до красного каления. Приведенный ниже опыт разработан непосредственно по описанию Лавуазье и Мейснье (1784 г.), пользовавшихся стволом ружья, нагретым в печи с помощью древесного угля. Фарадей (1827 г.) при проведении аналогичного опыта пользовался железной трубкой, нагревав- шейся в большой настольной печи. Подходящей трубкой явля- ется полудюймовая труба длиной 40 см, однако для учебных целей лучше пользоваться кварцевой трубкой, набитой сапож- ными гвоздями, так как в этом случае все реагирующее железо можно легко взвесить до и после опыта. Если имеются в наличии печь и железная труба, то ради исторического интереса можно с равным успехом поставить опыт, пользуясь железной трубкой. Однако разложение можно провести, пользуясь значитель- но более простым прибором. Сейчас хорошо известно, что по- рошкообразное железо разлагает пар при 250°С. Более того, железо, получаемое из соединений в результате их восстановле- ния при температуре 400—500°С, так называемое пирофорное железо, обладает способностью восстанавливать заметные ко- личества воды уже при 10°С, а при 50—60°С восстанавливает вполне поддающиеся оценке количества воды. Опыт 36а. Разложение пара нагретым железом Воспользуйтесь железной или кварцевой трубкой и -настоль- ной печью. Наиболее подходящей для лекционного стола настольной печью является 15-сантиметровая секция печи Флетчера. На рисунке показаны две секции. Воспользуйтесь 30-сантиметровой кварцевой трубкой или обычной полудюймовой трубкой длиной 50—45 см. Введите трубку в холодную печь, а затем один конец трубки соедините с колбой, служащей для получения пара, а Другой — с пневматической ванной, служащей для собирания водорода, в соответствии с рисунком 6. Наполовину наполните трубку блестящими опилками; годятся также и односантимет- ровые гвозди. Высыпьте опилки в чашку, взвесьте их, а затем снова введите в трубку. Нагревайте печь в течение 5—10 ми- нут, а затем выходящий тем временем из нагреваемой колбы пар пропустите над опилками. Вскоре собирается газ. Первый сосуд следует отбросить, ибо можно думать, что он заполнен 4 Фоудз 49
воздухом. Собираемый далее газ горит синим пламенем и, оче- видно, происходит из воды, ибо, насколько это известно, нагре- ваемое железо не выделяет газа. Для того чтобы исследовать ние. 5. Трубчатая печь Флетчера. загадку, дают аппарату быстро остыть — кварце- вая трубка позволяет это сделать — и железные опилки высыпают на- столько быстро, насколь- ко это возможно. Они имеют цвет окисленного железа, орудийного ме- талла и обнаруживают явное увеличение веса. Так как очевидно, что кварцевая трубка не из- менилась, то, следова- тельно, железо отняло вещество у воды, а так как вода не может раз- ложиться на одно вещество, то ясно, что собираемый газ яв- ляется вторым компонентом, входящим в состав воды. Затем следует назвать водород и объяснить происхождение этого на- звания, рассказать об истории его открытия. Рис. 6. Разложение пара раскаленным железом. Восстановленное железо. Этот полезный реактив обладает высокой активностью и чистотой, в связи с чем его следует пред- почесть опилкам. Его можно купить, но в небольших количест- вах легко приготовить самому, восстанавливая каменноуголь- 50
ным газом щавелевокислую соль двувалентного железа. Соль железа следует восстанавливать при низкой температуре, око- ло 450—61МГС, а это требует продолжительного нагревания. Од- нако реакция может продолжаться часами и не требует боль- шого внимания. Набейте длинную трубку для сжигания щаве- левокислой солью двувалентного железа. Трубку следу- ет набить почти до отверстий, ибо масса значительно усы- хает, однако у каждого конца трубки надо оставить свободное место. Подсоедините один конец трубки к источнику водорода, а к другому — стеклянную или глиняную трубку с тем, чтобы газ выходил небольшой струей. Вытесните воздух водородом, а за- тем подожгите выходящий газ. Ближайший к источнику газа участок трубки нагревайте светящимся пламенем и, когда» примерно через полчаса или около этого желтый оксалат вос- становится и превратится в небольшую тусклую черную массу» передвиньте пламя далее вдоль, трубки. Время от времени вращайте трубку с тем, чтобы порошок перемешивался. Ста- райтесь повысить температуру до 500—600° С. При проведении восстановления при 450—500° С получается пирофорный про- дукт, активность которого поэтому максимальна, однако, к не- счастью, его нельзя хранить. Охладите продукт в струе водоро- да; в этом случае все содержащееся в порошке пирофорное железо потеряет свою активность. Храните порошок в плотно закупоренной склянке* Опыт- 37. Восстановление пара порошкообразным (восстановленным) железом В изготовленную из мягкого стекла трубку для сжигания длиной 20—25 см и диаметром 12—15 мм поместите несколько граммов восстановленного железа. Один конец трубки соеди- ните с колбой — источником пара, а другой — с пневматической ванной. Закрепите трубку таким образом, чтобы она была на- клонена в сторону пневматической ванны. Вода в колбе, слу- жащей источником пара, должна лишь чуть-чуть кипеть. Для того чтобы пар не* конденсировался, едва светящимся пламе- нем горелки нагревайте трубку в месте входа пара. Аналогич- ным пламенем второй горелки нагревайте железо. Немедленно начинает выделяться водород. Если пар поступает не слишком сильной струей, то железо будет гореть, несмотря на то, что трубка для сжигания не нагрета даже до темно-красного ка- ления. РАЗЛОЖЕНИЕ ВОДЫ МЕТАЛЛАМИ После разложения воды железом само собой напрашивает- ся исследование действия на воду других металлов. 4* 51
РАЗЛОЖЕНИЕ ВОДЫ НАТРИЕМ (Г. Дэви, 1810 в.) Если для разложения воды берут достаточно большие коли- чества натрия или калия, всегда существует возможность не- большого взрыва. Поэтому не следует проводить этот эффект- ный опыт, просто беспорядочно бросая в открытый сосуд с водой кусочки натрия или калия. Мой собственный опыт ведет меня к мысли, что поведе- ние натрия капризно, возможно, вследствие присутствия за- грязнений. Опыт, в котором используется свинцовая пробирка, в большинстве случаев протекает гладко; тем не менее, в не- скольких случаях по непонятным причинам сосуд разлетался. Далее приводится метод, зарекомендовавший себя лучше других. Опыт 38. Разложение воды натрием 1 Возьмите кусок медной сетки размером 10X10 см. Из внут- ренней части большого куска натрия вырежьте 6-миллиметро- вый кубик и очистите его от керосина, отжимая между листами промокательной бумаги. Затем заверните натрий в сетку в виде пакета таким образом, чтобы он имел вид 2,5-сантиметрового ящика — кубика, в котором натрий мог бы свободно передви- гаться. Возьмите ящичек тигельными щипцами, опустите его в воду, и поместите под газоприемником. Когда реакция закончится, откройте ящичек и покажите, что он пустой. Из этого следует, что другая составная часть воды должна находиться в раство- ре. Покажите, что находящийся в газоприемнике газ является водородом. Нет необходимости полностью заполнять газопри- емник водородом, так как имеющегося в наличии газа вполне достаточно для того, чтобы продемонстрировать его воспламе- няемость. Опыт 39. Разложение воды натрием- (Э. Фрэнклэнд, 1872 в.) В свинцовую трубку помещают натрий и вводят ее под га- зоприемник, заполненный водой. Возьмите кусок свинцовой трубки длиной около 2,5 см и с помощью молотка сплющите один ее конец. Отрежьте кусочек натрия, размером с фасоль, подсушите его, а затем заверните в промокательную бумагу и катайте его до тех пор, пока он не войдет в трубку. С помощью неочиненного конца карандаша плотно вдвиньте его внутрь трубки. Возьмите трубку щипцами и введите ее под находящийся в пневматической ванне газо- приемник. 52
В. А. Миллер (1852 г.) заворачивал натрий в промокатель- ную бумагу, а затем держал его щипцами под газоприем- ником. А. В. Гофманн, не любивший все вышеописанные методы, протыкал натрий у конца иголкой и немедленно вводил его в воду под газоприемник. Следующий метод является вполне безопасным и подходя- щим для лекционного опыта. Опыт 40. Получение водорода из воды (Ф. Г. Бенедикт, 1901 г.) Стеклянную трубку длиной 15—20 см и диаметром 1,2 см укрепите вертикально таким образом, чтобы один конец ее был погружен в воду примерно на 2,5 см. При установке трубки, ко- торая должна быть сухой, следите за тем, чтобы на часть ее, которая должна находиться над водой, не попала вода. Отрежь- те кусок натрия, сотрите с него смазку, а затем положите его на черепицу или промокательную бумагу. От этого куска отре- зайте кусочки размером с рисовое зерно и бросайте их один за другим в трубку. Менее чем через минуту выделяющийся из трубки водород можно поджечь свечкой. Исследуйте находя- щуюся в сосуде воду с помощью лакмуса. Опыт 41. Разложение воды амальгамой натрия Натрий используют в виде его амальгамы. Поместите в ступку около 5 мл сухой ртути. Из середины большого куска натрия вырежьте кубик натрия с гранями в 1 см; обсушите его и положите на черепицу. От этого кубика отрежьте кусочек чуть меньше горошины, бросьте его на ртуть и разотрите пестиком под слоем ртути. Натрий реагирует со ртутью с небольшим шипением: прислушайтесь и при необходимости для того, чтобы ускорить химическую реакцию, прижимайте натрий пестиком. Следующий кусочек реагирует уже более быстро, ибо смесь к этому времени нагрелась. Оставшийся натрий добавляют небольшими порциями аналогичным образом. Внимание! Если амальгама содержит 4% натрия, то при охлаждении она затвердевает. 1 г натрия вытесняет около 500 мл водорода. Пока амальгама еще жидкая, перелейте ее в небольшую колбу, снабженную пробкой с отводной трубкой. Колбу и отводную трубку заполните доверху водой. Это легко сделать, погрузив колбу и отводную трубку в глубокую рако- вину или бак с водой; если же они отсутствуют, насосите трубку доверху водой, заткните один конец ее пальцем и вставь- 53
те пробку в предварительно наполненную водой колбу. Укре- пите колбу для нагревания в соответствии с рисунком 26, Нагрейте ее; соберите и идентифицируйте водород. Опыт 42. Разложение воды кальцием Кальций поступает в продажу обычно в форме стружки. Очистив поверхность, можно показать металлический блеск чи- стого металла. Введите несколько стружек, завернутых в марлю, с помо- щью железных щипцов под газоприемник пневматической ван- ны. Начинающееся сначала бурное выделение водорода пре- кращается, как только поверхность металла покрывается известью. Примерно за минуту образуется количество газа, вполне достаточное для исследования. Добавьте к воде инди* катор. РАЗЛОЖЕНИЕ ВОДЫ МАГНИЕМ Магний разлагает даже холодную воду, обнаруживая свой- ства, которые можно предвидеть, поскольку в электрохимиче- ском ряду напряжений магний стоит выше железа. Но вследст- вие того, что окись магния, возникающая на поверхности металла, образует плотную защитную пленку, реакция проис- ходит медленно. Тем не менее реакция может быть проведена с холодной водой в виде длительного, а с горячей водой — в виде лекционного опыта. При добавлении к воде хлористого аммония, растворяющего окись магния, можно быстро получить достаточное количество водорода. Однако эта добавка при- водит к осложнениям, которые лучше обойти при занятиях с младшими классами. Опыт 43. Разложение холодной воды магнием (Е. Г. Брайан, /899 г.; В. Литтлер, 1931 г.) Поверните воронку носиком вверх в поместите ее в большой стакан, наполненный водой. Поместите под воронку 1—2 а по- рошкообразного магния. В соответствии с рисунком 7 перевер- ните над воронкой наполненную водой пробирку. Через не- сколько минут появляются пузырьки водорода, однако скорость выделения их (различная для различных образцов магния) вско- ре становится незначительной. Обычно за урок можно собрать 6— 10 мл газа. Можно использовать магниевую ленту, нарезанную на маленькие кусочки, однако она реагирует медленно. За 24 ча- са с помощью нарезанной на кусочки магниевой ленты можно получить 6,5 мл водорода. Замечание. Несомненно, что получаемый в вышеописан- ных опытах водород выделяется в результате реакции 54
магния с водой, а не вследствие по- бочной реакции с угольной кислотой. Этот вопрос был тщательно изучен Е Г. Брайаном (1899 г.), работавшим с прокипяченной водой и вводившим маг- ний таким образом, что исключалась возможность проникновения углекислого газа. Брайан нашел, что реакция оста- навливается, когда образуется количество окиси магния, достаточное для насыще- ния воды и покрытия поверхности метал- ла. Поэтому количество получаемого во- дорода в определенной степени зависит от объема взятой воды. Разложение воды магнием может ка- тализироваться палладием, добавляемым в виде хлористого палладия. При этом водород выделяется бурно и выделяемое при реакции теплъ нагревает воду до ки- пения. Рис. 7. Разложение воды. Опыт 44. Разложение горячей воды а) Разложение магнием (Ф.) С помощью наждачной бумаги зачистите магниевую ленту до серебряного блеска, а затем сверните ее как можно плотнее, чтобы она вошла в шариковую часть небольшой (50—100 мл) колбы. С помощью пробки с отводной трубкой соедините кол- бу с пневматической ванной. Наполните колбу водой, насосите воду в отводную трубку и вставьте пробку. Вместо этого спосо- ба можно наполнить систему водой и вытеснить воздух, погру- зив колбу с трубкой в ванну или раковину с водой. Наклоняйте ее с тем, чтобы вышел весь воздух, и вставьте пробку. Оботри- те колбу снаружи и укрепите ее в штативе для последующего нагревания. Нагрейте воду до кипения и собирайте в пробирку выделяющийся газ. Менее чем за 5 минут можно собрать 20— 30 мл чистого водорода. Когда колба остынет, извлеките не- сколько кусочков магния, теперь ставших почти серыми и тусклыми, и сравните их с серебристыми полосками. б) Разложение с помощью магния и хлористого аммония (Ф.) Повторите вышеописанный опыт и по прошествии 5 минут, когда выделение газа почти прекратится, охладите колбу и до- бавьте несколько граммов твердого хлористого аммония. Осто- рожно нагревайте раствор: выделяется большое количество во- дорода. 55
Разложение водяного пара магнием может быть проведено с помощью нескольких эффектных и легко осуществляемых ме- тодов. Опыт 45. Разложение водяного пара магнием (Ф. Кесслер, 1869 г.) Горящий магний опускают в наполненный паром сосуд, об- разующийся свободный водород сгорает у горлышка колбы, а окись магния падает в воду. Подберите колбу с коротким широким горлом емкостью 300—500 мл. Вполне подходит коническая колба с горлышком диаметром 2,5 см. Отрежьте полоску листового асбеста длиной 10—12 см и шириной 2,5 см, сверните ее спиралью в виде ци- линдра и введите в горлышко колбы так, чтобы около 6 мм ци- линдра выступало над горлышком. Плотно вставленный сверну- тый асбест не проваливается. Водород горит над этим асбестовым «фитилем», и таким образом избегают возможности растрескивания влажной колбы. Налейте в колбу воду с тем, чтобы ее уровень отстоял от дна примерно на 2 см, и в течение 5 минут энергично кипятите ее для того, чтобы вытеснить из колбы воздух. Выпрямите магние- вую ленту и три куска ее сплетите сколь возможно плотнее с тем, чтобы получился жгут длиной около 20 см. (Если имеется толстая проволока, то лучше воспользоваться ею, ибо она оста- ется прямой и жесткой. К проволоке прикрепите небольшой отре- зок магниевой ленты, которая будет служить воспламенителем.) Возьмите магний щипцами и держите его в вертикальном положении, чтобы его свободный конец находился точно над асбестовым фитилем. (Если этого не сделать, то эксперимен- татор, ослепленный ярким светом, может опустить горящий ме- талл на стенку колбы, в результате чего колба неизменно лопается.) Левой рукой (или пусть это сделает ассистент), пользуясь пламенем горелки, зажгите ленту и опустите го- рящий металл в пар. Водородное пламя подпрыгивает в воз- духе на 5—7 см. Благодаря стеклу пламя окрашивается в желтый цвет и поэтому его легко отличить от ярко-белого пламени магния. Дайте «золе» упасть в воду. Образующая- ся окись магния заметно растворима. Погрузите в жидкость полоску красной лакмусовой бумаги. Бумага становится синей. Опыт 46. Пар разлагается магнием (А. В. Гофманн, 1882 г.) Прикрепленную к пробке магниевую проволоку или ленту поджигают и опускают в наполненную паром колбу. Выделяю- щийся водород собирают. К 500-миллиметровой колбе подберите легко вставляющую- ся резиновую пробку. Просверлите пробку, вставьте в нее Г-об- 56
разную трубку такого диаметра, чтобы на нее можно было на- деть резиновый шланг. С помощью гибкого резинового шланга длиной 60 см соедините Г-образную трубку с отводной труб- кой. Резиновая трубка обеспечивает свободу передвижения, а большой диаметр ее обеспечивает отведение сильной струи газа, который в противном случае может разорвать колбу. Подготовь- те колбу для нагрева, прочно ее укрепив (лапки на рисунке не показаны) и соедините ее с пневматической ванной (рис. 8). Рис. 8. Разложение пара магнием. Возьмите кусок магниевой проволоки, толщиной с грифель ка- рандаша, а при отсутствии ее сплетите аналогичную из магние- вой ленты. С помощью медной проволоки прикрепите ее к внут- реннему концу Г-образной трубки. Для того чтобы вытеснить •воздух, кипятите воду в течение 5 минут. Держите магниевую плетенку почти вертикально над колбой и зажгите магний. Бы- стро и спокойно введите горящий металл в колбу и вставьте пробку; в это время помощник должен ввести в газоприемник пневматической ванны трубку, по которой подается газ. Иссле- дуйте собранный газ и испытайте находящуюся в колбе воду с помощью лакмуса. Опыт 47. Пар разлагается именно магнием (Г. Леффманн, 1880 г.) Пар пропускают над известным количеством магния и огтре-* Деляют вес образующегося окисла. Для учебных целей этот метод предпочтительнее уже опи- санных, ибо он демонстрирует тот факт, что магний соединяет- ся с составной частью воды.
Трубку из тугоплавкого стекла 25 X I см согните под углом 120° таким образом, чтобы одна ее часть была вдвое длиннее другой. На короткий конец трубки наденьте пробку от колбы, служащей для получения пара (колбу можно заменить кон- сервной банкой), а длинный конец с помощью пробки и отвод- ной трубки соедините с пневматической ванной (рис« 9). 1 а Рис. 9. Разложение пара магнием. магния вытесняет 1000 мл водорода, так что достаточно взять всего 0,3 г металла. Кусок магниевой ленты, примерно такого веса, сверните в спираль и поместите ее в трубку, подальше от источника пара, отсоедините и взвесьте заполненную трубку и снова поставьте ее на место. Поддерживайте воду в колбе почти кипящей, а тем временем с помощью едва светящегося пламени двух горелок нагрейте трубку для сжигания. Когда трубка для сжигания нагреется вы- ше 100° С, медленно пропустите струю пара. Пропускание слишком сильной струи пара может привести к аварии; пар должен входить в трубку для сжигания медленной струей; в этом случае трубка лопается редко. Когда пар вытеснит воздух из трубки для сжигания, заполненный водой газоприемник устано- вите над отводной трубкой. Сильно нагревайте трубку, пока не воспламенится магний, и продолжайте нагрев до окончания реакции. Постепенно охладите трубку, в то же время держа на- готове лоток с песком, на случай, если трубка треснет. Иссле- дуйте газ. Когда трубка достаточно остынет, взвесьте ее. Из того, что вес магния увеличился, следует, что водород может 58
происходить только из воды. Белый порошок должен представ- лять собой соединение магния с чем-то еще, входящим, кроме водорода, в состав воды. ОБ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОМ РЯДЕ НАПРЯЖЕНИЙ Скорость, с которой металлы разлагают воду, определяется их сродством с кислородом и является критерием для располо- жения металлов в порядке их химической активности. Так, на- пример, при разложении воды калием выделяется столь боль- шое количество энергии, что вытесняемый водород воспламе- няется; реакционная способность натрия несколько меньше; в то время как кальций бурно разлагает холодную воду, магний реагирует с холодной водой медленно. При разложении пара магний раскаляется добела, тогда как железо реагирует с па- ром не столь энергично. Медь при обычных высоких темпера- турах не реагирует с паром. Выявляемый, таким образом, порядок активности, являющийся фактически порядком распо- ложения в электрохимическом ряду напряжений, оказался справедливым для многих других реакций. Это наблюдение одинаково ценно как для облегчения запоминания, так и для предсказания химических свойств. Опыт 48. Получение водорода Водород получают, действуя металлом на разбавленную кислоту. Возьмите колбу объемом 500—700 мл и подберите к ней резиновую пробку с двумя отверстиями (или воспользуй- тесь склянкой Вуль- фа). Вставьте в от- верстие шариковую воронку и отводную трубку. Соедините колбу с пневматиче- ской ванной, анало- гично показанному яа рисунке 10. Из- влеките пробку и, держа колбу почти горизонтально, кла- дите на стенку кол- бы кусочки гранули- Рис. ю Получение водорода ИЗ кислоты, рованного цинка так, чтобы они со- скальзывали на дно колбы, пока не образуется слой цинка высо- той около 12 мм. Вставьте на место пробку и установите воронку таким образом, чтобы ее конец почти касался дна колбы. Младшему классу следует объяснять каждую стадию манипу- 59
ляций. Налейте в стакан 4 объема воды и добавьте к ней 1 объем концентрированной серной кислоты. Обратите внима- ние на выделение тепла и подчеркните важность правильного порядка смешивания воды и кислоты (можно воспользоваться также и концентрированной соляной кислбтой, разбавленной равным объемом воды). При составлении этой смеси выделяет- ся мало тепла. Тем не менее, ради выработки привычки следу- ет добавлять кислоту к воде, а не наоборот. Добавляйте при необходимости кислоту и собирайте газ в газоприемники. Раз- личные образцы поступающего в продажу гранулированного цинка очень отличаются друг от друга по степени чистоты. Чем чище цинк, тем медленнее выделяется водород. Если водород будет выделяться слишком медленно, для ускорения реак- ции добавьте несколько миллилитров раствора сернокис- лой меди. ПРЕПАРАТИВНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ВОДОРОДА Для лекционных целей следует иметь аппарат, способный дать большее количество водорода, чем это в состоянии обес- печить обычная препаративная колба. Если баллоны с водородом приобрести нельзя, следует со- брать аппарат для получения водорода, который должен сохра- няться, как часть оборудования лекционной. Несколько полезных типов такого рода аппаратов описываются ниже. Аппарат Киппа. Р. Д. Кипп, 1808—1864 г. За последние годы аппарат Киппа в некоторой степени впал в немилость; он даже заслужил репутацию опасного прибора; тем не менее, он обес- печивает довольно удобный способ получения устойчивой струи газа; однако, как любой аппарат, он требует понимания и правильного обращения. Аппарат Киппа состоит из суживающегося к одному концу резервуара А (рис. 11) и нижнего контейнера В. Резервуар А плотно вставляется в контейнер В у притертой части С, которая Должна быть хорошо смазана. Верхний шар контейнера через открытое отверстие Д заполняют цинком гранулированным ли- бо в форме палочек. Хорошо, если над горлышком Е распола- гается слой битого стекла или фарфора; в противном случае маленькие кусочки цинка могут попасть в нижнее отделение, что вызовет выделение газа в то время, когда аппарат не ис- пользуется. Разведенную соляную кислоту (1 объем концентри- рованной кислоты на один объем воды) наливают в резервуар А; когда она достигает нижнего контейнера В, образуется во- дород. Давление газа заставляет кислоту подыматься в резер- вуар А, и реакция приостанавливается. Необходимо налить в аппарат такое количество кислоты, чтобы, когда контейнер В наполнится газом, резервуар А почти был бы заполнен кислотой. Открывая кран D, получают струю водорода. Автору известна 60
лишь одна серьезная авария, происшедшая при работе с аппа- ратом Киппа. В начале учебного года для опыта потребовался водород. Ассистент лаборатории собрал требуемую аппарату- ру, взял аппарат Киппа, стоявший не- использованным все каникулы. Он от- крыл газ и тут же зажег водород. Произошел взрыв, и ассистент был тя- жело покалечен. Очевидно, имела место диффузия через пропускающий кран или резиновую пробку и в контейнере В содержалась детонирующая смесь. Прежде чем пользоваться аппара- том Киппа, всегда сначала откройте кран и дайте кислоте подняться на- столько, чтобы она вошла в контейнер В. Это делается для того, чтобы, на- сколько возможно, вытеснить находя- щийся там воздух. Если контейнер В будет таким образом очищен дважды, Рис. 11. Аппарат то взрывчатая смесь образоваться не Киппа. сможет. Тем не менее между аппара- том Киппа . и остальной частью прибора желательно вклю- чить промывную склянку с тем, чтобы ни в коем случае пламя не могло достигнуть газа, находящегося внутри аппа- рата Киппа. АППАРАТ КИППА СОБСТВЕННОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (Ф. Зоутерден, 1904 г.; Р, О. Фернандец, 1917 г.) Если аппарат Киппа приобрести не удается, его можно лег- ко собрать самому из обычной лабораторной аппаратуры. Зоу- терден для этой цели использовал колонку из-под извести. Изумительная простота его аппарата видна из рисунка 12 и описания не требует. Импровизированный аппарат Киппа изо- бражен на рисунке 13; части А и С аппарата представляют со- бой грушеобразные резевуары, вместо контейнера В — обычная аспирационная склянка. Фернандец добавил еще промывную склянку D. Его аппарат компактен и легко собирается. Весь он монтируется на одном металлическом штативе. Он столь же портативен, как обычный аппарат Киппа, однако мыть его бо- лее легко. Он представляет собой превосходный пример аппара- та, собираемого из разрозненных предметов, обычно всегда на- капливающихся в лаборатории. Известны различные состав- ленные из склянок приборы, работающие по принципу аппарата Киппа, предназначенные для получения сероводорода. Они с та- ким же успехом могут быть использованы для получения водо- 61
Рис. 12. Само- дельный аппа- рат Киппа. Рис. 13. Самодельный аппарат Киппа. Рис. 14. Аппарат для получения газа. рода или двуокиси углерода. Их очень легко собрать, и они недо« рогие. На рисунке 14 изображен аппа- рат Девилл я. Его легко собрать; столь же просто им пользоваться. Однако он не столь эффективен, как аппарат, предложенный Остваль- дом. АППАРАТ ОСТВАЛЬДА (Вм. Оствальд, 1900 г.) Для получения водорода реко- мендуется аппарат, изображенный на рисунке 15. Он работает лучше аппарата Киппа, ибо в нем неис- 62
пользованная кислота не разбавля- ется отработанной жидкостью. Кран D регулируется таким образом, что- бы в нижнюю склянку С кислота сте- кала по каплям. После того как ско- рость течения была уже однажды от- регулирована, край D следует дер- жать постоянно открытым. Образую- щийся в нижней склянке газ выходит через кран Е. Когда газ более не тре- буется, этот кран закрывают. После этого, вследствие повышения в склян- ке С давления газа, поступление кис- лоты в склянку С прекращается. Газ, образующийся за счет небольшого количества кислоты, остающейся в склянке С, собирается в средней склянке В, выталкивая кислоту в склянку Л. Следовательно, всегда имеется находящийся под давлением источник газа, которым можно вос- пользоваться. Аппарат работает меся- цами, не требуя какого-либо над- зора. При необходимости в склянку А добавляют свежую кислоту, а из склянки С спускают отработанную жидкость. Рис. 15. Аппарат для получения газа. СВОЙСТВА ВОДОРОДА В первую очередь показывают воспламеняемость водорода* Наглядность этого свойства дает способ идентификации водо* рода, который далее будет использован в последующих опытах* Опыт 49. Водород горит, но не поддерживает горения К концу прочной железной проволоки или тонкого стерж- ня— вязальной игле или рукоятке ложки для сжигания — при- вяжите короткую свечу. Установите наполненный водородом газоприемник горлышком вниз. Удалите крышку и с помощью горящей свечи зажгите газ. Введите горящую свечу внутрь газоприемника; свеча гаснет, однако она загорается снова, как только ее слегка выводят из газоприемника. Опыт 50. Цвет водородного пламени Показывают, что водород, выходящий из платиновой или кварцевой форсунки, горит пламенем синего цвета. 63
С помощью вакуумной резиновой трубки соедините кварце- вую трубку длиной 2,5 см с согнутой под прямым углом стек- лянной трубкой. Соедините согнутую трубку с аппаратом Кип- па или другим аппаратом, служащим для получения водорода. Перед самым опытом снимите кварцевую форсунку, прокипя- тите ее в дистиллированной воде в течение минуты и чистыми пальцами снова введите ее в резиновую трубку. Если эта пред- осторожность не выполнена, то почти всегда образуется пламя желтого цвета. Откройте кран, обождите, пока водород вытес- нит воздух, и зажгите газ. В качестве форсунки вместо кварцевой трубки можно ис- пользовать платину. Небольшой кусочек платиновой фольги сверните в виде конической трубки высотой 2—2,5 см. Оттяне- те свободный конец согнутой под прямым углом стеклянной трубки таким образом, чтобы она образовала форсунку. Укре- пите на этой форсунке платиновый конус (предварительно вымытый кипячением в дистиллированной воде). Опыт 51. Образование с воздухом или кислородом взрывчатой смеси Смесь водорода и кислорода, взятых в определенных соот- ношениях, при воспламенении взрывается. Вытесняя воду, заполните х/з газоприемника кислородом. Остальные 2/з газоприемника заполните водородом. Перевер- ните газоприемник несколько раз, для того чтобы газы пере- мешались. Снимите крышку и затем воспламените смесь. Происходит соединение, сопровождающееся сильным взры- вом. Опыт 52. Взрыв смеси водорода с воздухом в бутылке из-под содовой воды (Э. Фрэнклэнд, 1872 г.) Достаньте круглодонную, толстостенную бесфланцевую бутылку. Прокалибруйте ее в десятичной системе. Наполните бу- тылку доверху водой, а затем выливайте воду, пока не оста- нется 0,3 объема исходного количества. Вытесните оставшуюся воду водородом. Вставьте пробку и переверните несколько раз бутылку с тем, чтобы газы перемешались. Хотя это и необяза- тельно, но лучше, ради предосторожности, обернуть бутыл- ку полотенцем или несколькими слоями фланели. Извлеките пробку и воспламените смешанные газы. Происходит реак- ция, сопровождающаяся очень сильным выстрелом. Если время позволяет, измените пропорцию составных частей смеси. 64
Опыт 53. Взрыв детонирующей смеси в картонном контейнере (Ирвин Файн, 1931 г.) При использовании картонного сосуда можно взорвать сравнительно большой объем детонирующей смеси, без какого- либо риска, всегда имеющего место при использовании стекла. Наиболее подходят для этой цели картонные цилиндры, упот- ребляемые для упаковки бакалейных товаров. Достаньте такой картонный цилиндр, емкостью 0,5—1 л. Снимите крышку и вы- режьте в цилиндре продольное окошко шириной 1,2 см и дли- ной, достаточной для того, чтобы закрыть 7з или 2/3 отмечен- ной длины. Образовавшееся отверстие заклейте изнутри целло- фаном; таким образом получается окошко. Когда клей высох- нет, покройте коробку изнутри парафином. Наполните цилиндр водой и введите в него два объема водорода и один объем кис- лорода. Уровень воды легко наблюдать через целлофановое окошко, которое следует держать лицом к классу. Возьмите верхний край цилиндра щипцами, поднесите его к пламени и воспламените газы. Легкость водорода может быть показана несколькими спо- собами. Опыт 54. Водород можно лить вверх Попросите одного ученика подержать пустой газоприемник кверху дном, а второго ученика — перелить находящийся в га- зоприемнике водород вверх, в пустой газоприемник. Пусть они затем закроют свои газоприемники стеклянными крышками. За- тем с помощью горящей свечи попытайтесь воспламенить со- держащиеся в газоприемниках газы. Водород обнаруживается только в. верхнем газоприемнике. Опыт 55. Стремление водорода вверх (плавучесть водорода) С помощью бечевки или проволоки подвесьте большую пере- вернутую колбу или стакан на одной стороне коромысла весов. При этом вообще желательно снять с весов чашки и хомутики. Уравновесьте весы с помощью колбы или стакана, подвешенно- го на противоположной стороне коромысла весов; эта тонкость не очень существенна, однако она делает опыт более вырази- тельным. Для уравновешивания весов на дно более легкого стакана сначала кладите гирьки или кусочки свинца, а затем для точной установки — оловянную фольгу. Теперь поставьте под один из стаканов наполненный водородом газоприемник и откройте его или, пользуясь отводной трубкой, введите в ста- кан струю водорода. Край коромысла весов, к которому подве- шен наполненный водородом стакан, поднимается вверх. Дай- S Фоулз 65
те водороду продиффундировать из стакана; класс наблюдает, как по ходу диффузии водорода поднявшееся плечо медленно опускается; затем с помощью водоструйного насоса или ртом через длинную согнутую под прямым углом трубку отсо- сите водород и покажите, насколько быстрее при этом достигает- ся равновесие. Сейчас удобно провести определение плотности водорода (опыт 384). Опыт 56. Мыльный шар, наполненный водородом, быстро поднимается в воздух Требуется мыльный раствор и источник находящегося под давлением водорода. Если мыльный раствор требуется только для данного опыта, приготовьте его из обычного белого или желтого недушистого мыла или из «зеленого» мягкого мыла (см. стр. 120). Накрошите около 1 г мыла и добавляйте мыль- ную стружку небольшими порциями к 100 мл горячей воды. Из такого раствора легко получить пузырьки диаметром 7—10 см. Для того чтобы получить большие и более прочные пузырьки, следует увеличить поверхностную вязкость пенистого раствора. В этом случае следует воспользоваться не мылом, а иными веществами, типа сапонина или расплавленной смолы. Для того чтобы наполнить водородом большой мыльный пузырь, необходимо, чтобы водород находился под давлением, большим, чем то, которое имеется в обычной препаративной колбе. Идеальным для этой цели является баллон со сжатым водородом, хотя это уже роскошь. Однако можно воспользо- ваться аппаратом Киппа или другими аппаратами, описанными выше. Для того чтобы обеспечить себе свободу передвижения, между глиняной курительной трубкой (вместо нее можно так- же воспользоваться и стеклянной трубкой с отверстием диа- метром в 1 см, согнутой под прямым углом) и аппаратом, слу- жащим источником водорода, следует ввести длинный резино- вый шланг. Для того чтобы поглотить брызги соляной кислоты, между трубкой и аппаратом Киппа введите трубку, наполнен- ную ватой. Переверните трубку, погрузите ее в находящийся в чашке мыльный раствор и, как только на трубке начнет обра- зовываться пузырь, немедленно извлеките трубку из раствора. Когда пузырек достигнет желаемого размера, встряхните труб- ку и таким образом отделите пузырек. Пузырьки быстро достигают потолка, передвигаются и сталкиваются друг с дру- гом к великому восхищению класса. Попросите ученика с помощью горящей свечи воспламенить пузырек в тот мо- мент, когда он отделяется от трубки; это оказывается нелег- кой задачей, требующей определенного навыка. Для сравне- ния выдуйте мыльный пузырек ртом: тяжелый пузырек падает на лол. 66
Опыт 57* Воздушный шар, наполненный водородом, поднимается в воздух При отсутствии баллона с водородом* резиновый шар можно надуть водородом, используя давление водопроводной сети. Подберите пробку к литровому сосуду, высверлите в пробке два отверстия, в которые вставьте две небольшие согнутые под прямым углом трубки. На концы трубок наденьте резиновые шланги. Выходы из шлангов закройте зажимами. Извлеките пробку, заполните сосуд водой и обычным образом вытесните воду водородом. Поднимите сосуд таким образом, чтобы он оказался почти у поверхности воды, и дайте вытекать воде, продолжая держать сосуд над подводящей водород трубкой. Затем, продолжая держать сосуд над подводящей трубкой, ко- торую должен приподнять над водой ассистент, полностью изв- леките сосуд из воды и вставьте заготовленную заранее проб- ку. Этот способ позволяет сохранить сухой выходную трубку, что является очень важной предосторожностью, имея в виду, что вес одной капли воды равен весу 500 мл водорода. На один конец стеклянной трубки длиной 5 см наденьте кусок вакуум- ного резинового шланга длиной 2,5 см таким образом, чтобы конец его был заподлицо с кромкой стеклянной трубки. Натя- ните горлышко игрушечного резинового шара на покрытую резиной трубку. Получается плотное соединение, не требующее .дополнительного уплотнения. Подсоедините стеклянную трубку к одному из резиновых шлангов сосуда. (Прежде чем заполнять шар водородом, желательно его предварительно нагреть, по- мяв его в руке и два-три раза надувая ртом.) Присоедините наполненный водородом сосуд к водопроводному крану. От- пустите оба зажима и откройте кран. Когда шар достигнет же- лаемой величины, закройте кран. Скрутите горлышко шара и плотно завяжите его мягкой тонкой ниткой. Отпустите нитку, и шар подымется в воздух. Для сравнения второй шар надуйте воздухом. ГОРЕНИЕ ВОДОРОДА В КИСЛОРОДЕ Этот опыт имеет фундаментальное значение, ибо он демон- стрирует (насколько это возможно убедительным; образом) со- став воды. Поэтому в какой-либо форме его необходимо по- пытаться осуществить. При наличии баллонов с кислородом и водородом и кварцевой колбы за время урока можно синтезиро- вать большое количество воды и идентифицировать ее, определяя се плотность и точку кипения. В противном случае небольшое количество воды, достаточное для проведения идентификации с помощью сернокислой меди, можно легко получить, либо опуская струю водорода в колбу, наполненную сухим кислородом (опыт 59), либо йспользуя аппаратуру опытов 519—521. 67
Опыт 58. Синтез воды (М. Розенфельд, 1881 г.) В большую колбу, охлаждаемую водой, вводят кислород- но-водородное пламя. Образующуюся бесцветную жидкость идентифицируют. Она оказывается водой. Розенфельд пользовался стеклянной колбой. При осторож- ном обращении такая колба лопается только случайно. Одна- Рис. 16. Синтез воды. ко в тех случаях, когда опыт должен быть повторен, как это имеет место в большом классе, разделенном на три или четыре па- раллельные группы, стоит, имея в виду дли- тельное использование, приобрести кварце- вую колбу. В большом стакане или склянке, напол- ненной водой, укрепите короткогорлую сте- клянную колбу емкостью, по меньшей ме- ре, 500 мл (рис. 16). (Кварцевую колбу можно взять значительно меньшую.) Из обычной паяльной горелки вывинтите па- яльную трубку. Отверстие, в которое подается газ, соедините с баллоном (или газометром), содержащим водород, а отвер- стие, в которое подается воздух,— с балло- ном (газометром), содержащим кислород. Укрепите трубку таким образом, чтобы но- сик ее находился над колбой, не касаясь ее. Пустите водород, зажгите его и отрегули- руйте пламя таким образом, чтобы его длина была около 2,5 см. Затем пустите кислород и постепенно увеличивайте его подачу до тех пор, пока газы не начнут сго- рать с сильным шумом. При увеличении подачи кислорода пла- мя уменьшается; длина его не должна превышать 2 см. Если длина пламени достигнет 4 см, то колба емкостью 500 мл обяза- тельно лопнет. Отрегулировав пламя, опускайте трубку в колбу до тех пор, пока носик горелки не опустится до уровня нижнего края горлышка колбы (не касаясь его!). Правильное положение трубки показано на рисунке 16. Дайте газам гореть либо 15—20 минут, либо пока сконден- сируется 1—3 мл воды. Класс обычно догадывается или с уве- ренностью предполагает, что бесцветная жидкость является во- дой; тем не менее, если время позволяет, определите точку ки- пения жидкости или измерьте ее плотность; в противном случае подействуйте на нее безводной сернокислой медью. Если уча- щиеся незнакомы с этим веществом, поступите следующим об- разом: на лист бумаги или в ’ две сухие пробирки поместите две кучки безводной сернокислой меди. К одной порции добавь- те каплю воды, а к другой — каплю синтезированной бесцветной -68
жидкости. По методу Фарадея (1861 г.) для идентификации воды, имеющейся в небольшом количестве, к ней следует до- бавить крупинку натрия или калия и наблюдать происходящее явление. Опыт 59. Синтез воды. Простой метод. В короткогорлую колбу емкостью 500—1000 мл пропускай- те сухой кислород, пока тлеющая лучина, находящаяся у са- мого выхода колбы, не воспламенится. Вставьте пробку и по- кажите классу сухую колбу. Конец стеклянной трубки длиной 20—30 см согните в виде небольшого полукруга. К короткой стороне крючка с помощью резинового шланга присоедините кварцевую трубку длиной 2,5 см или мундштук глиняной труб- ки, с тем, чтобы получилась форсунка (рис. 50). Длинный конец трубки соедините с аппаратом Киппа, либо каким-нибудь дру- гим аппаратом, используемым для получения водорода. Между аппаратом Киппа и форсункой введите трубку, заполненную хлористым кальцием. Вытесните из аппарата воздух, а затем зажгите водород и отрегулируйте поступление водорода таким образом, чтобы длина пламени не превышала 12 мм. Опускай- те форсунку в содержащую кислород колбу; немедленно отме- чается изменение окраски пламени. Дайте газу гореть до тех пор, пока на стенках колбы не появится заметное количество влаги. Извлеките форсунку, вставьте пробку и дайте классу осмотреть колбу. Как и в предыдущем опыте, «посолите» без- водным медным купоросом жидкость. Внимание! Вода имеет кислую реакцию. Проникающий в кол- бу из воздуха азот при температуре горения водорода соединя- ется с кислородом. При проведении занятия в младших классах не стоит действовать на воду лакмусом, ибо это усложнит опыт. В этом месте хорошо провести электролиз воды и газо- вый объемный анализ. Соответствующие опыты описаны в гла- ве V. ОКИСЛЕНИЕ И ВОССТАНОВЛЕНИЕ Поскольку водород столь бурно соединяется с кислородом, само собой напрашивается желание посмотреть, будет ли во- дород реагировать с кислородом, входящим в состав химиче- ских соединений. Сначала синтезируют окись меди, а затем ее восстанавливают, вводя понятия окисления и восстановления. Опыт 60. Синтез окиси меди 22—30-сантиметровую трубку для сжигания, изготовленную из тугоплавкого стекла, набейте чистой медной стружкой или медным порошком, по обеим сторонам порошка поместите ^сво- бодные пробки, сделанные из асбеста. Медные стружки часто бывают жирными. Для очистки их следует поместить в колбу 69
и вымыть сначала спиртом, а затем эфиром или бензином. Слей* те спирт, дайте стружкам высохнуть на воздухе или осторожно их нагрейте. Порошкообразная медь, полученная с помощью восстанов- ления окиси меди, более реакционноспособна, чем медь в виде листа или проволоки; следовательно, яркое свечение, свидетель- ствующее о происхождении химической реакции, с нею полу- чить легче; кроме того, при реакции с порошком свечение бу- дет более ярко выражено. Укрепите трубку таким образом, что- бы ее можно было нагревать, пользуясь горелкой с ласточки- ным хвостом, и подготовьтесь к пропусканию сухого кислорода над нагретой медью. Кислород можно брать либо из баллона, либо из предварительно заполненного газометра, либо полу- чать его тут же с помощью метода, описанного в опыте 382. Между источником кислорода и трубкой для сжигания введите промывную склянку, содержащую серную кислоту. Прежде чем начать нагрев, для того, чтобы вытеснить воздух, пропустите сквозь трубку для сжигания кислород. Теперь в трубке содер- жатся только два элемента: медь и кислород. Следовательно, в ней может произойти только одна химическая реакция — ре- акция соединения. Сначала нагревайте трубку осторожно, а затем нагрейте ее как следует, пропуская тем временем силь- ную струю кислорода. Появляется черное вещество, образова- ние которого, в случае пропускания быстрой струи кислорода, сопровождается ярким свечением. Выделение тепла и образова- ние новых веществ являются признаками химической реакции. Опыт 61. Восстановление окиси меди (Е. Ф, Г о руп-Бизаней, 1859—1868 гг.) Над полученной в опыте 60 окисью меди пропускают водород. Снова образуется красная медь, а из отверстия трубки выде- ляется облако пара. Продолжая описанный выше опыт 60, уменьшите пламя, с тем чтобы трубка стала не горячей, а лишь теплой, и вместо источника кислорода пбдсоедините источник водорода. Прежде чем начать снова нагрев, тщательно вытесните кислород струей водорода. Если в вашем распоряжении имеется ограниченное количество водорода, подсоедините промывную склянку к га- зовой сети и таким образом вытесните кислород. Нагревайте трубку для сжигания, пропуская в то же время через нее ин- тенсивную струю водорода (3—4 пузырька в секунду). Черное вещество превращается в красную медь, изредка имеющую вид блестящего зеркала, а из отверстия трубки, как из носика кипящего чайника, вырывается струя пара. Сконденсируйте немного пара на холодном кафеле и подействуйте на конденсат натрием или безводной сернокислой медью. Если позволяет время, вместо этого можно подсоединить к трубке небольшой 70
приемник, погруженный в сосуд с холодной водой. Идентифици- руйте сконденсировавшуюся в приемнике бесцветную жидкость. Она является водой. На этой стадии с классом, достаточно развитым или прохо- дящим сжатый курс, следует восстановить водородом окись железа, проводя таким образом реакцию, обратную проведен- ной в опыте 36, и ввести первичное понятие об обратимости и законе действия масс. ПЕРВОЕ ЗНАКОМСТВО С ВОЗДУХОМ К изучению воздуха можно подойти несколькими путями. Можно сначала изучить кислород; далее полученные знания позволяют рассматривать горение как энергичное окисление. Следовательно, из того, что при горении водорода в воздухе получается вещество, идентичное получаемому при горении во- дорода в кислороде, следует, что воздух должен содержать кислород. Этой последовательностью изложения я предпочитаю пользоваться при обучении химии учащихся 11—12-летнего воз- раста. Можно построить изложение и по-иному, ведя его как на- учное исследование горения таким же образом, как оно разви- валось исторически, и шаг за шагом распутывать проблемы, возникающие при исследовании явления горения, и их связь с составом воздуха. С младшими школьниками строго осущест- вить этот метод необычайно трудно. Следуя по первому пути, заключаем, что воздух является веществом, содержащим кислород. Этот факт подтверждается определением плотности воздуха, в данном случае сравнивае- мой с плотностью кислорода, что дает дополнительное и ясное доказательство того, что воздух не является кислородом. Да- лее, выбирая наиболее характерные знакомые учащимся ве- щества, о которых известно, что они способны соединяться с кислородом, нагревают их в воздухе и приблизительно опре- деляют объем кислорода, извлекаемого при этом из воздуха. Для этой цели можно использовать фосфор, железо, ртуть или медь. Отделяют азот' и обращают внимание на его очевид- ные свойства. Детальное изучение методов получения и свойств этого элемента лучше отложить до тех пор, когда будут изу- чаться аммиак и окислы азота. Доказательство того, что воздух является смесью (опыт 73), может быть дано с помощью любо- го удобного способа. Очевидно, что у учителя нет ни необходи- мости, ни времени проводить все эти опыты. Так, если проводят сжигание фосфора под колоколом (опыт 66), то опыт со свечой становится излишним. Тем не менее, имея в виду историческое значение этого опыта, целесообразно его проделать. Студенты обычно знают, что в состав воздуха, кроме кисло- рода и азота, входят и иные вещества. Поэтому преподаватель 71
должен подчеркнуть, что найденные при анализе значения спра- ведливы лишь для кислорода, а величина, полученная для азо- та, является суммарной, ибо в нее входит 1% Других газов, ко- торые будут изучены позднее, когда знания учащихся увеличат- ся и возрастет число изученных ими методов. Опыт 62. Корение водорода в воздухе (М. Фарадей, 1827 г.) Этот опыт был осуществлен в 1776 г. Маккуэром. Держа фарфоровое блюдце в водородном пламени, он получил воду. Водород сжигают на воздухе. Образующееся вещество кон- денсируют и идентифицируют. Оно является водой. Соберите аппарат, аналогичный изображенному на рисун- ке 17. Вместо шариковой можно воспользоваться и обычной Рис. 17. Горение водорода в воздухе. воронкой. Согните стебель воронки под прямым углом и подсое- дините его к колбе с помощью вакуумного резинового шланга. Фарадей пользовался глиняной трубкой, подсоединенной с по- мощью резины. Соберите прибор, как показало на рисунке 17. Такое устрой- ство работает превосходно. Тонкое стекло шариковой воронки лопается гораздо .реже, чем толстое стекло обычной воронки; более того, в этом случае вода не соприкасается с пробкой или резиной и поэтому остается безвкусной и бесцветной, и, наконец, точка кипения может быть определена непосредственно в колбе, без извлечения жидкости. С помощью водоструйного насоса за- сасывайте образующееся при горении вещество; во избежание потери пара отсасывание ведите медленно. К аппарату Киппа или другому прибору, используемому для получения водорода (рис. 11—14), подсоедините наполненную 72
хлористым кальцием трубку (не пользуйтесь промывной склян- кой, наполненной серной кислотой, так как она мешает образо- ванию устойчивого пламени). К наполненной хлористым каль- цием трубке в качестве форсунки подсоедините либо 2,5-санти- метровую кварцевую трубку, либо трубку паяльной горелки. Для того чтобы вытеснить воздух, сначала пропускайте в тече- ние нескольких минут водород и лишь затем зажгите его, отрегулировав таким образом скорость подачи водорода, чтобы высота пламени не превышала 0,6—1,2 см. Сжигайте водород до тех пор, пока в колбе не соберется количество воды, доста- точное для определения точки кипения. Если данные выше указания будут выполнены, то за 10 минут будет получено око- ло 1 мл воды. Определите точку кипения жидкости. Кроме это- го, если позволяет время, на отдельные порции воды подей- ствуйте безводной сернокислой медью и натрием. Результаты идентификации‘показывают, что полученная жидкость является водой, а так как состав воды уже известен, то это значит, что в состав воздуха должен входить кислород. Опыт 63. Горение водорода в воздухе1. (К. М. Стюарт» 1896 г.) Этот опыт может быть проведен в простом приборе, анало- гичном изображенному на рисунке 18. Сборка прибора и ра- Рис. 18. Горение водорода в воздухе. бота на нем ясны из рисунка. Так как обычно в этом случае теряется много пара, то за время лекции невозможно получить количество воды, достаточное для определения ее точки кипе- 1 См. стр. 72. 73
ния. Однако при использовании этого метода в качестве лабо- раторного опыта получаемое вещество может быть собрано и нагрето до кипения. Опыт 64. Горение свечи под колоколом (Джон Мэйо, 1674 г.) Свеча горит в воздухе, находящемся в колоколе над водой. По израсходовании определенной фракции воздуха свеча гаснет. Нет смысла градуировать колокол, так как свеча гаснет еще до того, как израсходован весь кислород. Часто рекомендуют А Рис. 19. Горение свечи под колоколом проводить этот опыт по-иному, сна-* чала помещая свечу в плавающий в ванне тигель, а затем покрывая свечу каким-нибудь’сосудом. Одна- ко в этом случае сосуд ограничи- вает атмосферу, уже содержащую значительное количество углекис- лого газа. Опыт проводится более научно, если свечу зажигают тог- да, когда она уже находится вну* три ограниченного объема воздуха. Описанная ниже методика де- тально разработана Макнайром в 1902 г. Соберите аппарат, аналогичный изображенному на рисунке 19. При-< крепите свечу к какой-нибудь тя- желой подставке, например к же- лезной шайбе. Возьмите серную спичку и разрежьте ее поперек в не- скольких миллиметрах от головки. С помощью расплавленного воска приклейте головку спички к фитилю свечи. S — резиновая проб- ка; она должна плотно входить в отверстие колокола. R— стек- лянная палочка. Она также должна плотно входить в отверстие пробки. Палочка должна быть такой длины, чтобы ее кончик можно было привести в соприкосновение с фитилем с помощью небольшого сдвига колокола В. Раскалите докрасна конец па- лочки R. Быстро вставьте пробку и двигайте колокол с тем, чтобы конец палочки дотронулся до спичечной головки. Не- которое время свеча горит, а затем гаснет. Обратите внимание на изменение объема воздуха (а) во время горения свечи и (б) после того, как свеча погаснет и система охладится до комнат- ной температуры. Опыт показывает, что горение поддерживает лишь неболь- шая часть воздуха. Этот результат не следует слишком подчер- 74
кивать: образование сравнительно большого объема углекисло- го газа, затем медленно растворяющегося, и неспособность све- чи гореть при малых концентрациях кислорода—факты, известные учителю, но далеко не очевидные классу. После об- суждения класс согласится; что ввиду того, что мы не знаем состава воска, из которого состоит свеча, лучше повторить опыт, пользуясь известными веществами (элементами), такими, как фосфор, медь и железо, способность которых легко соеди- няться с кислородом была показана ранее. \ Опыт Пристли, демрнстрирующий, каким образом отрабо- танный воздух может быть регенерирован живым растением, для удобства описан ниже. Однако в зависимости от того, бу- дет проведен этот опыт или нет, трактовка полученных результа- тов должна определяться использованным методом обучения. Если Использовался первый метод (стр. 71), то проведение опыта Пристли лучше отложить, пока не будет изучен угле- кислый газ. Опыт 65. Опыт Пристли с растением (1772 г.) Горящую свечу и растущее в горшке растение помещают в определенный ограниченный объем воздуха. После того как свеча погаснет, прибор выставляют на несколько часов на яр- кий солнечный свет. Затем убеждаются в том, что атмосфе- ра регенерирована и снова в состоянии поддерживать горе- ние. Подберите заранее растущее в горшке растение подходяще- го размера. Можно воспользоваться настурцией или фуксией, а, вообще говоря, любым растением, не образующим разветв- ленных корней. Если имеется в запасе еще один колокол, то ап- парат опыта 64, в котором содержится воздух, истощенный све- чой, лучше оставить для сравнения. Соберите прибор, аналогич- ный описанному в опыте 64; однако в ванну поместите не только свечу, но и горшок с растением. Зажгите свечу; накрой- те свечу и растение закрытым пробкой колоколообразным со- судом. Когда свеча погаснет и прибор остынет, введите в при- бор горящую свечу и покажите, что она гаснет. Хотя этот опыт и кажется излишним, однако он очень эффектен. Теперь вы- ставьте прибор на несколько часов на яркий солнечный свет. Введите под колокол горящую свечу: она не гаснет. Несколько раз для сравнения исследуйте атмосферу под колоколом опы- та 64. Внимание! Для того чтобы опыт со свечой можно было про- вести с успехом, на следующее утро уже во время первого уро- ка растение должно быть поставлено на очень благоприятное место. В противном случае ночью будет иметь место дыхание без фотосинтеза и содержание кислорода под колоколом ока- жется недостаточным для поддержания горения свечи. 75
Опыт 66. Горение фосфора в закрытом сосуде (Д. Резерфорд, 1772 г.) Находящийся в тигле фосфор горит под градуированным цилиндром: исчезает Vs часть воздуха. Возьмите колоколообразный сосуд с пробкой и сначала оп- ределите его объем. Затем проградуируйте его таким образом, чтобы он оказался разделенным на шесть равных частей, для чего на соответствующие места наклейте полоски бумаги. Из- влеките из колокола пробку, установите его в ванне и добавляй- те в ванну воду, пока уровень ее не достигнет первого деления. Таким образом, вставив пробку, получаем 5 объемов воздуха. Удалите сосуд и установите в ванной железный треножник. К основанию треножника прикрепите железную подставку. Вместо этого можно также воспользоваться плавающим на по- верхности воды маленьким тиглем. Замените первую пробку куполообразного сосуда на другую пробку, сквозь которую про- ходит длинная стеклянная палочка. Палочка должна быть до- статочно длинной. Один конец ее должен находиться в 12 мм от тигля, а другой — выступать на 5—8 см над пробкой. Ту часть палочки, которая должна будет пройти сквозь пробку, смажьте вазелином. Высушите кусочек фосфора размером с горошек и поместите его в тигель. УстанЬвите на место колоколообразный сосуд, предваритель- но вынув пробку. Конец стеклянной палочки нагрейте до темно- красного каления, вставьте пробку опускай палочку вниз, дотроньтесь до фосфора, после чего немедленно подымите па- лочку вверх, примерно сантиметра на три. Фосфор' воспламеня- ется и энергично горит. По ходу остывания прибора становится заметным повыше- ние уровня воды в сосуде. Когда прибор охладится до комнат- ной температуры, добавьте в ванну воды с тем, чтобы уровни жидкости в ванне и сосуде уравнялись. Когда уровень воды в со-» суде перестанет повышаться, станет видно, что в сосуде осталось лишь 4/s исходного воздуха. Это оставшееся вещество, очевидно, нерастворимо в воде, ибо, в противном случае, вода бы подня- лась и заполнила весь сосуд. Так как оставшийся в сосуде газ не поддерживает горения фосфора, мало вероятно, чтобы в нем могла гореть свеча. Однако для большей убедительности из- влеките пробку и введите в сосуд горящую свечу. Назовите нахо- дящийся в сосуде газ. Опыт 67. Опыт Шееле (К. Шееле, 1777 г.) В закрытом сосуде, содержащем таким образом известный объем воздуха, сжигают кусочек фосфора. После охлаждения сосуда под водой открывают пробку и, таким образом, опреде- ляют объем оставшегося газа. 76
Первая часть этого опыта уже была описана (опыт 13, стр. 34). Когда колба остынет, опустите ее в наполненную во- дой ванну и извлеките пробку. Вода должна быть налита в ван- ну за несколько часов до опыта с тем, чтобы она приобрела ком- натную температуру. Пользуясь стаканом, поливайте сверху кол- бу водой с тем, чтобы она скорее остыла. Погружайте колбу в воду, пока уровни воды в колбе и ванне не уравняются, а затем вставь- те пробку. С помощью цилиндра измерьте объем воды, находя- щейся в колбе. Этот метод дает удивительно точные результаты. Опыт 68. Вес фосфора после горения его в воздухе увеличивается (Л Е. Армстронг» 1889 г,) Взвешенный кусочек фосфора сжигают в токе воздуха. Пары улавливают с помощью асбестовой массы и взвешивают. Возьмите кусок тугоплавкой стеклянной трубки с внутрен- ним диаметром 1,2 см и оттяните один конец ее или воспользуй- тесь прямой хлоркальциевой трубкой. Отрежьте кусок трубки длиной примерно 15 см. В соответствии с рисунком 20 соедини- те трубку с аспиратором. Введите в трубку свободную асбесто- вую пробку длиной примерно 1,5 см и вдвиньте ее поближе к суживающемуся концу трубки. Затем приблизительно взвесьте трубку и оставьте разновесы на весах. Это облегчит последую- щее взвешивание трубки после введения в нее фосфора. В про- тивном случае, в особенности летом, фосфор может воспламе- ниться до начала опыта. Отрежьте кусочек фосфора, размером с горошину, высушите его, поместите поближе к асбесту, после чего в цилиндрическую часть трубки введите асбест таким об- разом, чтобы он образовал неплотную пробку длиной примерно 77
8 см. Осторожно через трубку подуйте на влажную ладонь с тем, чтобы проверить, проходит ли через асбест воздух. Быстро взвесьте трубку, а затем с помощью пробки с проходящей сквозь нее трубкой соедините содержащую фосфор трубку с аспиратором. Откройте кран аспиратора: вероятно, фосфор при этом воспламенится. Если же этого не случится, осторожно по- догревайте его, пока он не воспламенится. Когда весь фосфор сгорит, снова взвесьте трубку. Увеличение веса трубки весьма значительно. Опыт 69. Медленное сжигание фосфора (К. Шееле, 1774 г.) Фосфор помещают в известный объем воздуха. На холоду происходит окисление — разновидность медленного горения — и объем воздуха уменьшается. Для этого опыта можно использовать закрытую с одного конца длинную трубку (35—45 смХ2 см) либо газоприемник. Достаньте толстую железную или медную проволоку; однако она не должна быть столь толстой, чтобы ее нельзя было гнуть пальцами. Отрежьте от нее кусок чуть короче трубки. Помести- те в ванну с водой палочку фосфора длиной 2,5—5 см и очисти- те ее, отскоблив поверхность. Затем, работая под водой, тонкой железной проволокой привяжите фосфор к концу толстой про- волоки. В трубку, предназначенную для проведения опыта, на- лейте немного воды и переверните трубку над глубоким, напол- ненным водой сосудом (ведро или раковина), отделяя таким образом определенный объем воздуха. Укрепите трубку в нуж- ном положении, налейте в сосуд воду с тем, чтобы находящий- ся в трубке газ приобрел комнатную температуру, и отметьте объем. Протолкните фосфор в верхнюю часть трубки с тем, что- бы он оказался в ограниченном объеме воздуха. Для сравнения отметьте новую величину объема; эта величина, однако, в расчет не входит. Заткните конец трубки большим пальцем или малень- ким тиглем, извлеките трубку и поставьте ее в наполненный во- дой газоприемник. (Существует более простой, но менее удов- летворительный метод, при котором не учитывают объем фос- фора и проволоки; в этом случае их помещают в пустую трубку, которую перевертывают и опускают в сосуд с водой.) Если по- верхность фосфора чиста и достаточно велика, то реакция за- канчивается за 4—5 часов или по крайней мере на следующий день. Извлеките проволоку, следя за тем, чтобы не впустить в трубку воздух, для чего при желании можно перенести трубку в большой сосуд — уравняйте уровни воды и запишите величину объема. Достаточно точное измерение объема осуществляется с помощью измерения соответствующих расстояний между метка- ми. При проведении этого опыта следует иметь в виду, что на ре- зультаты его влияют не только ежедневные колебания темпера- туры, но также и имеющие далее место изменения парциального 78
давления, приводящие к непрерывному движению газов через слой воды в обоих направлениях. Поэтому не следует стремиться довести реакцию полностью до конца и растягивать, таким об- разом. опыт на несколько дней. Внимание! Как было показано Роско (1896 г.), этот опыт удобно проводить над ртутью, благодаря чему, с одной стороны, становятся хорошо видимыми пары окиси фосфора, а с дру- гой — слой ртути исключает возможность выхода газа. Опыт 70. Прокаливание ртути по Лавуазье (А. Лавуазье, 1789 г.; В, Витли, 1933 г.) В заполненное воздухом закрытое пространство помещают 100 г ртути и нагревают ртуть до тех пор, пока полностью пре- кращается поглощение воздуха (12 дней). Отмечают объем оставшегося газа и исследуют его свойства. Повторение опыта Лаву- азье, при максимальном при- ближении к описанному им методу и использовании брав- шихся им количеств, представ- ляет собой увлекательный длительный опыт. Необходимая для опыта ре- торта или колба (рис. 21) мо- жет быть либо изготовлена из круглодонной колбы любым средней квалификации стекло- дувом, либо куплена. Шаро- образная часть реторты долж- на иметь емкость около 600— Рис. 21. Прокали вание ртути. 700 мл, а суживающееся горло, длиной 35—40 см, должно иметь на выходе диаметр, равный 1,2 см. В качестве колоко- лообразного сосуда необходимого размера используют стеклянный предохранительный колпак от ламп накаливания, размером приблизительно 7,5X15 см. Также хорошо подходит и пол-литровая стеклянная банка. Следует использовать стеклянную пневматическую ванну. Наиболее подходящий размер ее 10X20 см. Поставьте импрови- зированный колокол на полку, сделанную из тонкого листового свинца. В целях исторической точности желательно, чтобы объ- ем находящегося в колбе воздуха был приблизительно равен 50 дюймов. (50 старинных французских кубических дюймов со- ответствуют 990 мл.) Если аппарат имеет размеры, указанные выше, то объем воздуха, находящегося в замкнутом пространст- ве, будет равен приблизительно 990 мл. Однако ради простоты и эффективности рекомендуется найти величину общего ограни- 79
ченного объема и разделить эту величину на 50 равных частей, каждая из которых будет приблизительно равна одному кубиче- скому дюйму. Следует предвидеть расширение воздуха на ранней стадии. Соответственно этому, по меньшей мере в 2,5 см от края колокола, нанесите градуировочную метку и обозначьте ее де- ление «50». При сборке прибора установите колокол так, чтобы метка совпала с уровнем воды в ванне. Таким образом, общая величина замкнутого пространства будет равна объему колоко- ла до метки «50» плюс объем реторты за вычетом той части ее, которая находится в колоколе, и объема, занимаемого ртутью (90 мл). Для определения объема колокола наполните его во- дой и с помощью цилиндра измерьте объем. Этот способ обес- печивает достаточную точность измерения объема. Объем ретор- ты определите, взвешивая заполняющую реторту воду. Если ши-» рина горлышка реторты, как это рекомендуется, равна 1,2 см, то заполнить ее водой легко. Для этого надо погрузить реторту в воду и наклонить так, чтобы вышел запертый в ней воздух. В противном случае налейте в реторту йоду и кипятите ее 10 ми- нут, чтобы вытеснить воздух. Затем конец реторты погрузите в горячую воду с тем, чтобы, когда реторта остынет, вода вош- ла бы в реторту и заполнила ее. Взвесьте холодную реторту. Запишите вес сухой пустой реторты. Величину объема всего замкнутого пространства разделите на 5. Результат равен объе- му между 50 и 40. Найдите, какая часть колокола над меткой «50» содержит этот объем и на соответствующем месте нанеси- те деление 40. Расстояние между делениями 40 и 50 разделите на четыре равные части и пометьте их цифрами 42,5; 45 и 47,5. Меньшие деления не требуются. Отметьте эти деления полосками бумаги. Полоски следует приклеить и покрыть расплавленным парафи- ном. Высушите реторту и введите в нее 9 мл ртути (~ 56,7 г). Удивительно, что диаграммы в учебниках преувеличивают этот объем. Поместите реторту на песчаную баню, установите на ме- сто колоколообразньщ сосуд, а затем налейте в ванну воду. При необходимости с помощью согнутой трубки отсосите из- под колокола воздух с тем, чтобы уровни воды как вне, так и внутри колокола уравнялись и установились точно на делении «50». Нагревайте реторту с помощью небольшого пламени го- релки. Отрегулируйте пламя так, чтобы ртуть почти кипела. < Каждый день выключайте газ примерно на час, с тем чтобы' класс мог наблюдать за изменением объема воздуха. В конце второго дня становится видимой красная окись ртути. В конце двенадцатого дня, после охлаждения и достижения постоянных температуры и давления, уровень воды всегда достигает деления «42,5», что соответствует поглощению 7,5 кубических дюймов воздуха. (Лавуазье нашел, что объем воздуха уменьшается на 7—8 кубических дюймов.) После 12 дней дальнейшее нагрева-» ние, видимо, не ведет к уменьшению объема воздуха. Для того 80
чтобы ретортой можно было бы пользоваться многократно, ее следует мыть азотной кислотой. Повторить этот опыт, после то* го как он уже раз проведен, не составляет большого труда. Опыт 71. Нагревание меди в точно известном объеме воздуха Точно известный объем воздуха пропускают над нагретой медью, непрореагирбвавший газ собирают, измеряют объем и исследуют его свойства. Возьмите изготовленную из тугоплавкого стекла трубку для сжигания длиной 22—30 см, набейте ее чистыми медными стружками (см. опыт 60) или порошкообразной медью и разме- стите медь между двумя асбестовыми пробками. Один конец трубки соедините с аспиратором, заполненным воздухом анало- гично рисунку 123, а другой — с пневматической ванной. С по- мощью куска асбеста или шифера защитите аспиратор от нагре- ва. Отрегулируйте уровень воды в бутылях аспиратора (см. стр. 326) в Отметьте объем воздуха. С помощью горелки с ла- сточкиным хвостом либо двух горелок нагревайте трубку для сжигания и постепенно доведите ее до темно-красного каления. Когда через воду ванны перестанут проходить пузырьки возду- ха, поместите над отводной трубкой наполненный водой газо- приемник. Подымите резервуар аспиратора, откройте кран и пропу- скайте воздух над медью. Отрегулируйте кран таким образом, чтобы через отводную трубку за секунду проходило не более 1—2 пузырьков воздуха. Продолжайте опыт, пока не соберется 200—300 мл азота, однако оставьте достаточно времени для -измерения объема и исследования свойств газа. Закройте кран аспиратора и отсоедините от трубки для сжи- гания пневматическую ванну. Охладите наполненный азотом газоприемник, по возможности установите уровни воды и от- метьте объем газа. Покажите, что полученный газ гасит свечу. Тем временем охладите трубку для сжигания и продемонстри- руйте черную окись меди. Сравните объем использованного воздуха с объемом полу- ченного азота. Синтезу воздуха хорошо предпослать более ясную иллюст- рацию различия между смесью и соединением. Трудно подо- брать опыт более подходящий для этой цели, чем синтез уже известного сульфида железа из смеси железа и серы. Опыт 72. Различие между смесью и соединением. Тщательно смешивают эквивалентные количества железных опилок и порошкообразной серы и отмечают свойства смеси. Нагревают один какой-либо участок смеси и удаляют пламя. По $ Фоулз 81
всей массе распространяется яркое свечение и выделяется тепло. Исследуют охлажденный продукт и находят, что он обладает свойствами, отличными как от свойств серы, так и от свойств железа. Для этого опыта должны быть использованы чистые желез- ные опилки (см. стр. 87). Взвесьте пробирку, заполните ее на 2/з порошкообразной серой и повторите взвешивание. Во второй пробирке взвесьте железные опилки. Их следует взять в коли- честве, равном полуторному весу серы. Когда взятые в упомяну- тых количествах вещества будут перемешаны, они заполнят до- верху одну пробирку. Высыпьте элементы на лист бумаги и пе- ремешайте их. Получается зеленоватая, по-видимому, гомоген- ная масса. Отделите небольшую часть смеси и поднесите к ней магнит. Магнит притягивает железо, вместе с которым притяги- вается и довольно много серы. Однако последняя просто меха- нически увлекается железом и может быть отделена от магнита с помошью встряхивания или сдувания. Нанесите немного смеси на предметное стекло и с помощью фонаря, микропроэктсра или эпидиаскопа покажите ее на экране. Классу хорошо видны лежащие бок о бок частицы серы и железа. Часть смеси можно взболтать с сероуглеродом. Неизрасходованную, большую, часть смеси пересыпьте в Пробирку. Обратите внимание класса на тот факт, что в про- бирке содержатся только сера и железо. Однако часть сме- си, находящаяся у отверстия пробирки, соприкасается с воз- духом. В связи с этим условьтесь с классом, что взятым в опыте ве- ществом будет считаться только смесь, начинающаяся от уров- ня, расположенного на 15 см ниже соприкасающейся с возду- хом поверхности. Поэтому любое явление, вызванное взаи- модействием смеси с воздухом, должно быть исключе- но из рассмотрения. Нагревайте нижнюю часть пробирки са- мой горячей частью пламени горелки до тех пор, пока не появится красное свечение, после чего немедленно удалите пламя. Красное свечение распространяется по всей массе смеси. Очевидно, что свечение и тепло излучаются самим ве- ществом. Когда реакция закончится, осторожно ударяя пе- стиком по стеклу, разбейте пробирку и продемонстрируйте классу получившийся продукт, обычно имеющий вид сде- ланной из шлака палочки, по размеру соответствующей про- бирке. Возьмите ее щипцами и внесите в пламя. Она просто нака- ляется докрасна. Притроньтесь магнитом к какому-нибудь ее участку. Если были правильно выполнены данные выше указа- ния, то у полученного вещества магнитные свойства будут от- сутствовать. Таким образом полученное вещество обладает свойствами, полностью отличающимися от свойств серы и желе- за, хотя в состав его входят как сера, так и железо. Судя по 82
тому, что имело место выделение тепла и света, произошла хи- мическая реакция, в результате которой и образовалось новое вещество. Опыт 73. Воздух является смесью За исключением использования современной аппаратуры» этот опыт идентичен оригинальному опыту, поставленному Ше- еле в 1777 г. Газоприемник или другой подходящий сосуд градуируют на 5 равных частей и заполняют водой. Четыре объема воды вы- тесняют азотом, а одну — кислородом. При смешивании газов не отмечается каких-либо признаков химической реакции. По- лученная смесь обладает свойствами, идентичными свойствам воздуха. Пользуясь полосками бумаги в качестве меток, разделите большой газоприемник на пять частей. До урока заполните ас- пиратор азотом «(метод получения см. стр. 338). Обратите внима- ние на бесцветность и нерастворимость газа. Отведите из аспи- ратора полбанки газа и покажите, что этот газ гасит горящую свечу. Этот критерий мы используем для обнаружения азота. Пропускайте газ в газоприемник,. пока не вытеснятся четыре объема воды. Поскольку кислорода для данного опыта потребу- ется немного, разумно, в целях повторения пройденного, полу- чить его с помощью реакции между хлорноватокислым калием и двуокисью марганца. Смешайте их, поместите в пробирку из тугоплавкого стекла и нагрейте. Введите в.струю выделяю- щегося газа тлеющую лучину и, когда она воспламенится (с резким, типа выстрела, звуком), отведите газ в градуированный газоприемник с тем, чтобы он вытеснил оставшуюся в газопри- емнике воду. Попросите учащегося пощупать рукой газоприем- ник: не ощущается выделения тепла. Не отмечается ни свече- ния, ни образования какого-либо нового вещества, короче говоря, не видно никаких признаков химической реакции. Смесь бесцветна и нерастворима. Введите в газоприемник зажженную свечу. Свеча горит, следовательно, она находится в воздухе. Мы заключаем из этого, что воздух является смесью двух газов. Исследование растворимости воздуха в воде, проводимое с целью доказательства того, что воздух является смесью, луч- ше отложить до тех пор, пока класс не изучит углекислый газ. Воздух, выделяющийся при кипячении известковой воды, типа встречающейся в изобилии в Южной Англии, содержит не только свободный углекислый газ, но также и углекислый газ, выде- ляющийся из бикарбонатов. При обычном анализе воздуха, проводимом с помощью пи- рогаллола, необходимо предварительно поглотить углекислый газ. Если этого не сделать, то он будет учтен, как кислород, и, таким образом, будет получен совершенно неверный резуль- тат. 6* 83
Опыт 74. Атмосфера содержит воду (см. замечание на стр. 71) Совершенно сухую снаружи колбу наполняют охлаждающей смесью. Слой инея, появляющийся на внешней поверхности кол- бы, счищают, дают ему растаять и получаемую жидкость иден- тифицируют. Она является водой. Наполните колбу охлаждающей смесью, приготовив смесь в соответствии с данными ниже указаниями, и проследите за тем, чтобы внешняя поверхность колбы была бы совершенно сухой. Укрепите колбу на штативе. Как только на поверхности колбы образуется слой инея, дайте всем учащимся рассмотреть его. Пользуясь металлическим шпателем, соскребите иней в сухую пробирку. Твердый иней при комнатной температуре плавится. Проведите с полученной жидкостью опыты на воду, аналогич- ные описанным в опыте 58. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СМЕСИ Простая охлаждающая смесь получается при смешении 4 вес. ч. измельченного льда с 1 вес. ч. соли. Удобно пользо- ваться измельчающей лед машиной; она дает куски одинакового размера и работает быстро. Однако такая машина имеется лишь в небольшом числе школ. Насколько я знаю, лучшим способом измельчения льда, при отсутствии машины, является простое раздробление льда обычным кирпичом. Для этого лед следует поместить в один из углов любого деревянного ящика. Однако удобнее сделать из толстых досок небольшой ящик такого раз- мера, чтобы кирпич в нем мог свободно перемещаться наподобие поршня в цилиндре. Подходящими будут размеры 15Х10,5Х Х8 см при толщине досок от 1,5 до 2,5 см. Достаточно несколь- ких ударов кирпича для того, чтобы лед измельчился в по- рошок. При использовании охлаждающей смеси в иных опы- тах, во избежание таяния льда, его следует быстро смеши- вать с солью и тут же заполнять полученной смесью про- странство вокруг охлаждаемого прибора. Можно также вокруг охлаждаемого прибора засыпать попеременно слои льда и соли. АНАЛИЗ ВОЗДУХА Опыт 75. Анализ, основанный на использовании щелочного раствора пирогаллола. Метод чашечки <Ф.) Берут бюретку со стеклянным краном. В ней содержится определенный, известный вам объем воздуха. Кислород погло- щают щелочным раствором пирогаллола, вводимым в бюретку с помощью специальной поглотительной чашечки. Воде позво- «4
ляют войти в бюретку и определяют объем оставшегося азота- Вводимую впоследствии в бюретку чашечку следует изготовить самому. Она представляет собой запаянную с одного конца стеклянную трубку, длиной 2,5—3 см и с диаметром чуть-чуть Анализ воздуха методом ионизации. Рис. 24. Измерение объ- ема оставшего- ся воздуха после поглощения ки- слорода. Рис. 22. Поглотитель- ная чашечка с пирогалло- лом, введенная в бюретку. Рис. 23. Введение погло- тительной чашеч- ки в бюретку. меньшим внутреннего диаметра бюретки. В резиновую пробку вставляют короткую стеклянную палочку, которую припаивают к дну чашечки (рис. 22). Если этот опыт проводится в лекцион- ной, то до начала урока следует измерить объем между послед- ним делением и верхушкой бюретки. Если же опыт проводится в виде лабораторного опыта (для чего он очень подходит), то этот объем пусть определят сами учащиеся. Наполните бюретку водой, переверните ее и введите в ванну, содержащую воду. Откройте кран с тем, чтобы вода смогла вытечь из бюретки, а воздух — войти в нее. Однако, как толь- 85
ко уровень воды опустится до последнего деления градуировки, сразу закройте кран. Отрегулируйте уровни воды и отметьте объем, занимаемый воздухом. Насыпьте в чашечку до половины компактные кристаллы пирогаллола и, отколов от палочки по- таша небольшой кусок, добавьте его к пирогаллолу. Если ку- сок поташа слишком велик, то держите его щипцами в струе проточной воды, пока его толщина не уменьшится настолько, что он сможет поместиться в чашечке. Вместо поташа можно также взять гранулированный едкий натр. Оставшееся место в чашечке заполните водой. Погрузите чашечку в ванну и введи- те ее в бюретку (рис. 23). Затем опустите бюретку вниз и по- качивайте ее в течение 5 минут. Откройте под водой бюретку, перенесите бюретку в высокий цилиндр, охладите бюретку, об- ливая ее водой, отрегулируйте уровни жидкости и отсчитайте объем, занимаемый азотом (рис. 24). Рассчитайте процентное содержание кислорода в воздухе. Этот метод дает превосходные результаты. Внимание! Поглощение кислорода пирогаллолом идет быстро при температуре выше 20° С, но медленно при 15° С. При пользо- вании твердыми реактивами, в соответствии с данными выше указаниями, выделяемое при растворении тепло повышает тем- пературу находящейся в чашечке жидкости выше 20° С, и по- глощение полностью проходит за 1—2 минуты. РЖАВЛЕНИЕ ЖЕЛЕЗА Некоторые учителя предпочитают начинать изучение химии с исследования воздуха и, следуя исторически сложившимся методам, приходят к открытию элемента кислорода. В связи с этим для удобства далее излагается раздел, посвященный иссле- дованию ржавления железа. Поскольку для проведения этого исследования требуется знание среди других вещей также и угольной кислоты, лучше отложить его на более позднее время. Опыт 76. Ржавчина тяжелее исходного железа Поместите на часовое стекло немного блестящих железных опилок и несколько блестящих сапожных гвоздей и взвесьте их. Наберите в пипетку воду и смочите железо несколькими каплями воды. Переверните большой стакан или воронку и на- кройте стекло (слегка треснутые стаканы и воронки следует сохранить специально для этой цели). Поместите накрытое стаканом стекло в теплое место и в течение нескольких дней на- блюдайте за железом. Если по окончании наблюдения находя- щееся на стекле вещество еще влажное, нагрейте осторожно стекло в термостате либо на песчаной бане и снова взвесьте его. 66
Опыт 77. Введение железа в ограниченное, заполненное воздухом, пространство В находящийся над водой воздух, ограниченный от окру- жающего пространства стенками сосуда, вводят железо в виде порошка или опилок и в течение нескольких дней наблюдают за происходящими изменениями. Железо ржавеет и уровень воды в сосуде повышается. По достижении равновесного состояния измеряют объем оставшего- ся газа и исследуют его свойства. Используемые железные опилки должны быть очищены от жира. Предпочтительнее пользоваться восстановленным желе- зом, ибо оно не загрязнено жиром и реагирует более быстро. Возьмите закрытую с одного конца трубку длиной 30—45 см и диаметром 1,2—1,5 см. Увлажните ее стенки, налив в нее и вы- лив воду, наклоните ее и постарайтесь как следует, осыпать внутренние стенки ее опилками или порошкообразным желе- зом. Поместите трубку в содержащий воду газоприемник или банку из-под варенья, установите ее в удобном для наблюдения положении, измерьте и запишите температуру. При использо- вании восстановленного железа за ходом реакции можно наблю- дать во время урока. Хотя реакция полностью заканчивается за 3—4 часа, тем не менее трубку не извлекайте в течение не- скольких дней. За это время класс сумеет убедиться, что объем оставшегося газа практически не изменяется, ибо отмечаемые колебания величины объема вызываются изменениями темпера- туры. Отсюда следует, что химическая реакция действительно закончилась. Подождите, пока температура воды станет такой же, как в начале опыта, или доведите температуру до нужного значения. Пользуясь водой, отрегулируйте уровни и измерьте объем. Закройте конец трубки большим пальцем, переверните трубку и покажите, что содержащийся в ней газ гасит горящую лучину. С помощью бюретки измерьте объемы. Количественные результаты получаются вполне удовлетворительными. Об очистке железных опилок. К большой колбе подберите пробку, насыпьте в нее опилки и покройте их слоем техническо- го спирта. Оставьте колбу на несколько часов, время от времени взбалтывая ее содержимое. Затем декантируйте жидкость, ко- торая обычно черна, как чернила. Добавляйте спирт и повто- ряйте декантацию до тех пор, пока не получите почти бесцвет- ную жидкость. Отмойте спирт небольшим количеством сухого эфира и высушите опилки на . воздухе или путем осторожного нагрева. Опыт 78. Поведение железа в сухом воздухе Подберите к двум колбам пробки и просверлите в них не- большие углубления, аналогично опыту 81, покройте дно одного сосуда слоем пятиокиси фосфора, а дно другого — слоем не- 87
гашеной извести. Проделайте это за несколько часов до начала занятий с тем, чтобы воздух в склянках к началу рпыта стал сухим. В каждую колбу сквозь пробку через углубления введите чистый железный гвоздь длиной 12—15 см, оставив его лишь на 2 см над пробкой. Наблюдайте за гвоздями. В сырую погоду головки гвоздей через день или два покрываются ржавчиной, в то время как находящаяся внутри колб поверхность гвоздей остается блестящей. Опыт 79. Помещение железа в воду, не содержащую воздуха Блестящие железные гвозди помещают в герметически заку-» пориваемую колбу, заполненную водой, не содержащей воздуха. К большой колбе подберите пробку, просверлите ее и вставьте в нее небольшую согнутую Рис. 25. Получение воды, не'содержащей воздуха. под прямым углом стеклян^ ную трубку. Конец трубки не должен вы- ступать за внутреннюю поверхность пробки. Соедините трубку с от-* крытой колбой, в соот- ветствии с рисунком 25. Закрывающуюся колбу заполните дистиллиро-« ванной водой доверху, а открытую — до поло-: вины. Кипятите воду, находящуюся в колбах, в течение 10— 15 минут. Быстро извлеките из колбы пробку, насыпь^ те внутрь ее немного блестящих гвоздей и прокипятите воду в те- чение еще нескольких минут, после чего дай- те закрытой колбе охла- диться: На это время перекройте зажимом шланг, высушите резину и покройте ее слоем жидкой смолы 1. Наблюдайте за колбой. В течение многих месяцев гвозди оста- ются блестящими. 1 Цемент Фарадея. Смешайте 5 вес. ч. смолы и 1 вес. ч. пчелиного воска и расплавьте смесь. При желании разотрите со смесью одну часть тонкоизмельченного венецианского красного (красной охры). Храните смесь в жестянке. При необходимости расплавьте цемент и наносите его небольшой кисточкой. 88
Опыт 80, Помещение железа в воду, контактирующуюся с воздухом В аналогичную колбу, наполовину заполненную холодной дистиллированной водой и накрытой бумажным колпачком, на- сыпьте блестящие железные гвозди. Через несколько часов на- чинается ржавление. Опыт 81. Помещение железа д атмосферу, не содержащую углекислого газа (Г. А. Уотсон, 1907 г.) В колбу или склянку наливают немного разбавленного раст- вора щелочи. Сквозь пробку вводят внутрь колбы длинный блестящий железный стержень или гвоздь таким образом, что- бы часть гвоздя оказалась в колбе, а часть—вне ее. Находя- щаяся внутри колбы часть гвоздя в течение многих месяцев остается блестящей в то время как часть его, находя- щаяся над пробкой, через несколько дней покрывается ржав- чиной. Примерно четверть большой склянки заполните разбавлен- ным раствором едкого кали/ Отожмите корковую пробку, просверлите в ней отверстие^ точно соответствующее диаметру гвоздя, из высверленной части пробки отрежьте примерно */з часть и вставьте цилиндрик обратно в отверстие пробки с тем, чтобы можно было закупо- рить колбу. Вставьте пробку в колбу и взбалтывайте осторож- но содержимое колбы в течение нескольких минут, поглощая таким образом раствором щелочи содержащийся в колбе угле- кислый газ. Прокипятите в воде чистый блестящий железный гвоздь длиной 12—15 см. Сквозь отверстие в пробке введите гвоздь в колбу, оставив вне ее часть гвоздя, длиной около 2 см. Отставьте колбу и наблюдайте за гвоздем. Опыт 82. Ржавление может быть ускорено и задержано Блестящие железные гвозди поместите соответственно в воду и в водные растворы обычной соли, едкого натра, мыла и смеси поваренной соли и едкого натра. Зачистите до блеска немно- го 5-сантиметровых железных гвоздей и насыпьте их в соот- ветствующие растворы; концентрация растворов значения не имеет. В растворе едкого натра гвозди остаются блестящими не* определенно долгое время. В воде гвозди корродируют медлен* но, однако в растворе соли коррозия идет быстро. В растворе, содержащем соль и едкий натр, гвозди не корродируют, так как едкий натр ингибирует ржавление. 89»
Опыт 83. Железо растворяется в угольной кислоте (Т. Лэйн, 1769 г.) Железо помещают в раствор угольной кислоты: оно медленно растворяется, образуя совершенно прозрачный раствор. При этом выделяется водород. Нерастворившаяся часть железа остается* совершенно блестящей. Fe + 2Н2СО3=FeH2 (СО3) 2 + Н2 Достаньте необходимое количество насыщенного раствора углекислого газа. Для этого проще всего купить бутылку хоро- шей содовой (газированной) воды, не обращая внимания на наличие в ней некоторого количества углекислого натрия. Возьмите колбу емкостью 200—300 мл и набейте ее доверху стальной проволокой (тонкой или средней толщины проволокой, идущей на изготовление мочалок). Добавьте в колбу несколь- ко блестящих железных гвоздей. Наполните колбу доверху насыщенным водным раствором углекислого газа. Приготовьте заранее пробку с проходящей сквозь нее отводной трубкой, конец которой должен быть на- равне с пробкой. Насосите в трубку воду, вставьте пробку в колбу и введите свободный конец отводной трубки в небольшую ванну или ступку, заполненную разбавленным раствором едкого натра. Медленно выделяется водород. В зависимости от коли- честв взятых для опыта веществ за 12 часов можно собрать от 8 до 20 мл водорода. Обратите внимание учащихся на блестящую поверхность нерастворившегося железа и прозрачность раствора. Отлейте немного чистого раствора в открытый сосуд с тем, чтобы раст- вор контактировался с воздухом. Через некоторое время появля- ется напоминающий ржавчину осадок. Опыт 84. Растворение железа в воде, насыщенной воздухом Приготовьте разбавленный, почти бесцветный раствор желе- зосинеродистого калия. К части этого раствора добавьте чистый железный гвоздь. Ко второй порции раствора добавьте дистил- лированную воду. В обоих случаях цвет раствора железосине- родистого калия не изменяется. Поместите гвоздь на несколько секунд в разбавленный раствор серной кислоты и затем слейте прозрачную жидкость. Добавьте эту жидкость к части раствора железосинеродистого калия: смесь окрашивается в темно-синий цвет. Затем возьмите лист железа (скажем, размером 10Х 10 см) и отполируйте его наждачной бумагой. Отогните слегка края листа с тем, чтобы образовался лоток, в Который можно было бы налить воду. На чистую поверхность листа налейте дистиллированную воду и через 40 секунд, пока железо еще не потускнело, слейте жидкость в цилиндр, содержащий раствор 90
железосинеродистого калия. Смесь сразу окрашивается в синий цвет, что показывает, что в данном случае в дистиллированной воде уже содержатся ионы железа. Опыт 85. Угольная кислота активирует ржавление. Выявление ее действия- (Г. Т. Мооди, 1907 г.) На дно цилиндра поместите немного чистых блестящих гвоздей. Гвозди вводите свободно головками вверх, часть — в вертикальном, а часть — в наклонном положении. В цилиндр налейте недавно прокипяченную дистиллированную воду. Уро- вень воды должен примерно на 4 см возвышаться над головками гвоздей. Накройте цилиндр бумажным колпачком и, не пропус- кая таким образом пыль в цилиндр, но оставляя доступ воздуху, поставьте цилиндр в удобное для наблюдения место. В течение 24 часов появляются признаки помутнения воды, после чего вскоре отчетливо обнаруживаются коричневые части- цы, в обилии выпадающие из раствора. Непрерывно образующиеся коричневые частицы постепенно оседают на головки и на верхние поверхности гвоздей, находя- щихся в наклонном положении. Нижние поверхности находя-* щихся в наклонном положении гвоздей и боковые поверхности вертикально стоящих гвоздей остаются блестящими. Не наблю- дается общей коррозии всей поверхности гвоздей. В конце седь- мого дня на верхних поверхностях гвоздей и на дне цилиндра образуется толстый слой гидрата окиси железа. Повторите опыт или лучше поставьте еще один, поместив на уложенные в горизонтальном положении гвозди кусок твер- дой фильтровальной бумаги или другого подобного материала, не препятствующего диффузии. Начните опыт. Ржавчина, осе- дающая из находящегося над бумагой части раствора, собирает- ся на верхней поверхности бумаги, образуя в конце концов тол- стый слой осадка. Из этого и других опытов можно было сделать заключение, что сначала железо растворяется с образованием двууглекислой соли двувалентного железа и лишь после этого происходит окисление соли двувалентного железа. Опыт 86. Коррозия железа является электролитической коррозией (Е. Д. Бовин, 1932 г.) Возьмите стальной стержень длиной 10—15 см и диаметром 3—6 мм и, пользуясь наждачной бумагой, тщательно его очисти- те. Разрежьте стержень пополам, получив, таким образом два одинаковых электрода. Наденьте на один из электродов пробку и вставьте пробку в небольшой пористый тигель, либо в цилиндр, 91
сделанный из пергаментной бумаги и заткнутый с одного конца пробкой. Введите электроды в стакан и установите форсунку отводной трубки (подсоединенной к источнику кислорода) точно под свободным электродом. В стакан и в пористый тигель налей- те раствор поваренной соли; подсоедините концы электродов к милливольтметру. Электрод, находящийся в пористом сосуде, следует подсоединить к отрицательному полюсу. Вокруг свобод- ного электрода пропустите сильную струю кислорода. Отмечает- ся резкое отклонение стрелки, медленно возвращающейся почти к нулю при прекращении подачи кислорода. Оставьте цепь замкнутой на несколько минут. Затем на жидкости, взятые из пористого тигля и внешнего пространства, подействуйте раство- ром железосинеродистого калия: жидкость, взятая из пористого сосуда, содержит растворенное железо. Подействуйте на жид- кость, окружающую катод, раствором фенолфталеина. Объяснение наблюдаемого явления состоит в следующем, В присутствии кислорода железо становится катодом, т. е. более «благородным» в сравнении с железом, защищенным от кисло- рода; действительно, кислород пассивирует железо. На аноде — в пористом тигле, т. е. электроде, защищенном от действия кислорода, железо растворяется, Fe—металл ->Fe+++2<? Электроны идут по цепи к катоду, где происходит реакция деполяризации. -|-О2+Н2О+2^->20Н- РАСТВОРЕНИЕ ВОЗДУХА В ВОДЕ То, что воздух растворяется в воде, можно показать следую- щими способами: а) Прямо — смешивая чистую воду с определенным, извест- ным объемом воздуха и демонстрируя уменьшение объема при приведении системы к атмосферному давлению. б) Косвенно — кипятя воду, находившуюся в течение неко- торого времени в контакте с воздухом, и анализируя газ, выде- ляющийся из воды. При проведении опыта в младших классах не следует поль- зоваться водопроводной водой, поступающей из районов, бога- тых мелом. При отсутствии подходящей воды надо отложить это занятие до тех пор, пока не будет изучен углекислый газ. Это связано с тем, что в то время, как почти весь растворенный в воде воздух улетучивается вскоре после начала кипения воды, через некоторое время после этого начинается, хотя и неболь- шое, но непрекращающееся выделение газа, вызванное медлен- ным разложением кислого углекислого кальция. Следует ли рас- сматривать этот газ как часть растворенного в воде воздуха 92
или нет, решить очень трудно. Если необходимо провести этот опыт в младших классах, то пользуйтесь дистиллированной во* дой, постоявшей некоторое время на воздухе, не обращая вни- мания на небольшое количество углекислого газа. В течение сорокапятиминутного урока можно очень легко успеть и удалить воздух из воды кипячением и провести анализ газа с помощью метода, описанного в опыте 75 (метод с пере- вернутой бюреткой и чашечкой). Результаты опыта всегда по* называют, что анализируемый газ содержит объемы азота и кислорода, относящиеся друг к другу примерно, как 2:1. Когда оказывается, что этот результат идентичен с получаемым при расчете из величины парциальных давлений, то он оказывается наиболее убедительным доказательством того, что воздух явля- ется смесью газов. Поэтому этот опыт лучше оставить до по- следующего изучения воздуха, когда будут определены пар- циальные давления и усвоен данный принцип. Опыт 87. Воздух растворяется в воде Большую колбу заполните наполовину дистиллированной водой, и интенсивно кипятите ее в течение 5 минут с тем, чтобы удалить из неег воздух. Пока вода еще горячая, перелейте ее в небольшую колбу, заполнив ее доверху водой. Вставьте пробку и поставьте колбу на длительное время, пока ею не воспользуе- тесь. Возьмите 50-миллилитровую или лучше 100-миллилитро- вую бюретку со стеклянным краном и наполните ее на 3Д охлаж- денной и прокипяченной дистиллированной водой. Быстро от- кройте и закройте кран с тем, чтобы носик бюретки также за- полнился водой. Вставьте в бюретку резиновую пробку и в тече- ние нескольких минут взбалтывайте воду с воздухом. Дайте бюретке охладиться до комнатной температуры, ибо теплые руки могли ее нагреть, и отметьте уровень воды полоской бума- ги. Опустите кончик бюретки в воду и откройте кран. Уровень воды в бюретке подымается на небольшую, но вполне замет- ную высоту. Таблицу растворимости воздуха в воде смотрите на странице 329. Аналогичным образом может быть показана растворимость в воде кислорода, азота, окиси углерода и метана. Опыт 88. Анализ воздуха, выделяющегося из воды при ее кипячении В литре воды при комнатной температуре растворяется около 22 мл воздуха. Поэтому при проведении опыта в лекционной следует одновременно кипятить по меньшей мере две большие колбы с водой. Если опыт частично проводится самим классом, то газ, полученный в отдельных опытах, должен быть собран вместе, а анализ его проведен учителем. 93
К большой колбе подберите пробку и наденьте ее на от* водную трубку. Край отводной трубки должен быть установлен заподлицо с пробкой. Наполните колбу доверху водой. Насосите в отводную трубку доверху воду и попросите помощника на время, пока пробка не будет вставлена в колбу, закрыть конец отводной трубки пальцем. Установите и укрепите колбу на шта- тиве в нужном для нагревания положении и соедините ее с пневматической ванной. Бюретку или конец закрытой с одного Рис. 26. Прибор для собирания воздуха, выделяю- щегося из воды. конца трубки установите точно над выходом отводной трубки (рис. 26). Оботрите досуха поверхность колбы, доведите ее до кипения и поддерживайте необходимую температуру, пока про* исходит выделение воздуха. Когда в бюретку наберется доста* точное для анализа количество воздуха, замените ее на неболь- шую трубку, заполненную дистиллированной водой, над которой и соберите остальной газ. Если для выделения газа была исполь- зована водопроводная вода, поступающая из района, богатого меловыми отложениями, то следует добавить в маленькую труб- ку немного известковой воды. Обнаруживается присутствие угле- кислого газа. Перенесите бюретку в высокий цилиндр, охладите ее, отре- гулируйте уровни воды и отметьте объем газа. Затем с помощью 94
поглотительной чашечки введите в бюретку едкое кали (опыт 75) и в течение минуты взбалтывайте содержимое бюретки. Введя кран бюретки под воду, откройте его, снова охладите бюретку, отрегулируйте уровни и отметьте объем, занимаемый газом. При получении газа из дистиллированной воды едкое кали можно не вводить, ибо объем растворенного в дистиллирован- ной воде углекислого газ ничтожен. Затем заполните чашечку пирогаллолом и взбалтывайте бю- ретку в течение нескольких минут (см. стр. 85). Образование темной окраски обнаруживает присутствие кислорода, для изме- рения объема которого следует аналогично предыдущему ввести кран под воду, открыть его и измерить объем. В оставшийся ’ газ введите горящую лучину: лучина сразу гаснет. Определите объем колбы, рассчитайте объем газа, выделяю- щегося из литра воды, и объемное соотношение кислорода и азота в выделившемся газе. Следующие величины дают некоторое представление о ре- зультатах, которые должны быть получены. Газы, вытесненные из водопроводной воды при лаборатор- ных опытах, проводившихся учащимися, были собраны и про- анализированы. Анализы с помощью метода перевернутой бю- ретки и чашечки проведены автором и дали следующие резуль- таты: Объем взятого для анализа газа . • • • 29,1 30,4 32,2 32,0 мл » углекислого газа ..... 2,6 2,5 2,7 2,6 мл „ кислорода • . - 8,3 8,8 9,2 5,8 мл . азота (по разности) . . . . 18,2 19,1 20,3 20,9 мл ЖИЗНЬ БАКТЕРИИ В ВОЗДУХЕ Предварительные приготовления. Для опытов необходимы стерильный пищевой агар, чашки Петри и термостат. Трудно приготовить и стерилизовать небольшое количество пищевого агара. Поэтому, если он требуется изредка, то лучше всего его просто купить. При проведении этих опытов должны соблюдаться обычные предосторожности. Чашки Петри простерилизуйте до урока. G этой целью сначала вымойте их горячей, содержащей соду водой, затем промойте дистиллированной водой, дайте воде стечь, заверните чашки в промасленную бумагу и поместите их на час в нагретую печь. В промасленной бумаге чашки должны храниться до использования. Хорошо, прежде чем помещать чашки в печь, уложить их в жестянку. В этом случае будет достаточно просто извлечь их затем из печи и не потребуется хранения в стерильной атмосфере. Если термостат отсутствует, то можно из большой жестя- 95
ной банки (ящика) соорудить самодельный термостат. Возьмите большую банку (30X30X30 см), покройте внутренние стенки ящика листовым асбестом. В крышке ящика на 2,5 см от угла пробейте отверстие для термометра. Второе такое же от- верстие следует пробить в аналогичном месте у противополож- ного края. Наденьте на термометры пробки и в оба отверстия вставьте по термометру. Следует взять специальные термометры с длинной ножкой на 50°. Культуры надо инкубировать либо 5 дней при 22° С, либо 3 дня при 37° С. При работе в дневной школе пятидневный интервал неудобен, и поэтому, если имеется регулятор газа, то лучше нагревать термостат до 37° С. Однако при отсутствии регулятора предпочтительнее вести нагрев до 22° С, ибо в этом случае допустимы большие колебания темпе- ратуры. С помощью резинового шланга подсоедините паяльную трубку к газовой сети и отрегулируйте пламя таким образом, чтобы его длина была около 3 мм. Для того чтобы защитить пламя от действия сквозняков, накройте его обычным ламповым стеклом. Отрегулируйте высоту пламени и положение над ним инкубатора таким образом, чтобы была достигнута необходимая температура. Следует знать, что при отсутствии регулятора требуется частый надзор за температурой. Первым делом утром следует отрегулировать пламя; оно может погаснуть, если в лаборатории включены все горелки. Последним делом, перед уходом на ночь, должна быть регулировка температуры. По- кройте дно инкубатора толстым слоем ваты, поставьте на нее чашки Петри, покройте чашки новым слоем ваты, затем снова поставьте на нее чашки Петри и т. д. ОЗОН На первом этапе знакомства с воздухом изучение озона мож- но опустить и ввести его при возвращении к изучению воздуха и кислорода. Для того чтобы убедительно показать, что озон является аллотропической формой кислорода, следует сначала получить его в приборе, наполненном сухим кислородом, а за- тем, наоборот, с помощью термического разложения превратить озон в кислород. Для этих опытов необходимо иметь индукцион- ную катушку или трансформатор, подходящий источник элект- рического тока и озонатор. Однако если упомянутая аппарат тура отсутствует, можно прибегнуть к медленному окислению фосфора воздухом, сопровождающемуся образованием озона. С помощью этой реакции можно в течение урока получить количество озона, вполне достаточное для демонстрации его наиболее простых свойств. Однако изучение качественного и ко- личественного состава озона в этом случае следует опустить. Можно пользоваться небольшой индукционной катушкой, пи- таемой батареей, составленной из сухих элементов, или аккуму- лятором. Однако питаемый с помощью осветительной сети боль- 96
шой трансформатор значительно более эффективен и позволяет осуществить более яркий опыт, который даже большим классом наблюдается очень легко. ИНДУКЦИОННАЯ КАТУШКА При желании получить полное описание устройства и работы индукционной катушки следует обратиться к учебнику физики. Здесь же достаточно сказать, что небольшие индукционные катушки, используемые в школах, обычно требуют для питания постоянный ток напряжением 4—16 в и лучше всего работают при использовании в качестве источника тока батареи аккуму- ляторов. Можно приобрести и большие катушки, как например, дающие искру длиной 7 см и выше, которые могут работать при любом напряжении. Так, например, если индукционная ка- тушка для работы требует переменный ток напряжением 240 в, то с нею можно будет с удобством работать, пользуясь освети- тельной сетью. Работающая таким образом катушка не требует конденсатора или механического прерывателя, ибо прерывистый ток высокой частоты получается с помощью электролитического прерывателя. ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКИЙ ПРЕРЫВАТЕЛЬ ВЕНЕЛЬТА (А. Венельт, 1899 г.) Ячейку Венельта легко изготовить самому; она представляет собой устройство, состоящее из свинцовых или платиновых электродов, погруженных в разбавленный раствор серной кис- лоты. Удобным резервуаром является обычный стеклянный со- суд размером, например, 15x5x8 см. Наполните сосуд почти доверху разбавленным раствором серной кислоты. В случае, когда напряжение равно 220 в, возьмите 1 объем кислоты на 40 объемов воды. Свинцовую пластину шириной 5—7 см и дли- ной 18—20 см используйте в качестве катода. Анод можно изго- товить из свинца или платины. Его следует ввести в стеклянную или кварцевую пробирку, в дне которой должно быть отверстие. Для этой цели можно использовать обычную большую пробирку 15X2,5 см. Однако в связи с тем, что такие пробирки часто ло- маются, предпочтительнее пользоваться кварцевой пробиркой аналогичного размера, в дне которой следует проделать отвер- стие диаметром в 1 мм. На бортики сосуда помещают эбонито- вую пластинку, через отверстие в которой вводят в электролит пробирку, фиксируя ее таким образом в нужном положении (рис. 28). Возьмите свинцовую пластину длиной 17—20 см и ши- риной 2,5—3,5 см, согните ее в виде полуцилиндра таким обра- зом, чтобы она соответствовала по форме пробирке, и используй- те ее в качестве анода. При использовании такой ячейки в ка- честву прерывателя и электричества от осветительной сети 1 Фоулз 97
частота прерываний может достигнуть нескольких тысяч в се- кунду. В этом случае вторичный разряд имеет вид яркого фио- летового пламени. Составляют цепь из прерывателя трансфор- матора и озонатора в соответствии с рисунком 28. При продол- жительной работе электролитического прерывателя серная кис- Рис. 27. Получение озона. лота закипает и может разбрызгиваться; однако это не влияет на эффективность работы прибора. Электролитический прерыватель работает со значительно большим шумом, чем механический. Однако едва ли это являет- ся неудобством, ибо шум имеет место, лишь пока сосуды запол-» няются озоном. Действительно, жужжание разрыва и яркое пла- мя разряда вторичной катушки производят на класс сильное впечатление и являются подходящим сопровождением образова- ния столь чудесного вещества, как озон. Предосторожности. Преподаватели, не работавшие прежде с мощной катушкой или трансформатором, должны обратить внимание на следующие обстоятельства: 1. Во избежание получения опасного шока ни в коем случае во время объяснения материала или устройства аппарата не следует дотрагиваться до работающей катушки или какой-либо части катушки или прибора, контактирующегося с нею. 2. По этой же причине не следует собирать учащихся во- круг прибора. 3. Помните, что наименьшее расстояние между витками про^ волок вторичной обмотки должно быть в том месте, где требует- ся искра. 4. После выключения тока не следует сразу касаться катуш- ки, так как заряд, прежде чем уйти, в течение нескольких се- кунд остается на катушке. 5. Излишне говорить о том, что катушка не должна исполь- зоваться при токах больших, чем те, на которые она рассчитана. 98
ОЗОНАТОРЫ Озонатор, введенный Л. Бабо в 1863 г. и изображенный на рисунке 27, легко изготовить самому. Благодаря своей простоте он очень подходит для демонстрации качественного состава озо- на. При работе катушки вблизи искры ощущается своеобразный запах, благодаря которому вещество получило название озона. При работе прибора класс видит зону, подвергающуюся дейст- вию искры, проникающей внутрь трубки. Прибор состоит из трубки ДЕ длиной около 30 см; при ра- боте с небольшой катушкой можно воспользоваться трубкой, Рис. 28. Получение озона. изготовленной из обычного мягкого стекла, однако если берется мощная катушка, питаемая от осветительной сети, то трубка должна быть сделана из твердого стекла хорошего качества. В противном случае, под действием мощного тока стекло места- ми прогорает и затем лопается. В трубку впаивают платиновую проволоку FG длиной примерно 15 см. Конец проволоки должен быть впаян примерно на расстоянии 2,5 см от конца .трубки, а сама проволока должна располагаться внутри трубки. Вторую платиновую проволоку следует обмотать снаружи той части трубки, где лежит первая платиновая проволока. Таким обра- зом 12 см трубки остается свободной. Эту часть трубки нагре- вают при желании показать термическое разложение озона. Наружный конец первой проволоки и один конец проволоки, обмотанной в виде спирали, соединяют со вторичной обмоткой катушки или трансформатором. Таким образом, платиновые 7* 99
проволоки нигде друг с другом не контактируются, однако, ког- да катушка работает, внутри находящегося в трубке газа про- исходит тихий разряд. Озонатор, предложенный В. С, Броди (1872 г.) и изобра- женный на рисунке 28, более удобен в работе. Он известен очень хорошо, и поэтому не требуется давать его детальное описание. Прибор погружают в сосуд, наполненный раствором соли или разбавленным раствором серной кислоты. Трубку А наполняет тем же электролитом. Прочные медные проволоки WW подсоединяют к концам вторичной обмотки катушки или трансформатору и погружают в жидкость. Через кольцеобразное отверстие медленно пропускают кислород. Опыт 89. Получение озона с помощью озонатора Бабо Урок можно начать следующим образом. Пускают в ход электрическую машину и отмечают появление в воздухе вокруг работающей машины специфического запаха. Этот запах свой- ственен какому-то газообразному веществу Газ образуется тог- да, когда дающая искру катушка работает. Поэтому использова- на такая конструкция, при которой искра находится внутри труб- ки, что позволяет регулировать процесс, изолировать и изучать получаемое вещество. Этот опыт является решающим, ибо он по- казывает, что озон должен быть одной из форм кислорода: в свое время озон сможет быть охарактеризован как кислород, содержащий большой запас энергии. Соберите прибор в соот- ветствии с рисунком 27. Кислород можно получить одним из рекомендуемых далее способов (стр. 335). Его следует высу- шить, пропуская через серную кислоту. Если вы располагаете временем, то сначала подсоедините отводную трубку Н с помо- щью резинового шланга, хотя впоследствии придется его все равно снять. Вытесните воздух кислородом. Подставьте под струю выходящего кислорода йоднокрахмальную бумагу и от- метьте отсутствие реакции. Затем включите ток и одновременна медленно пропускайте кислород примерно со скоростью двух пузырьков в секунду. Выходящий при этом из трубки газ об- ладает характерным запахом,* и помещенная под струю этого газа йодокрахмальная бумага быстро окрашивается в си- ний цвет, демонстрируя таким образом присутствие нового ве- щества. С помощью резиновой трубки подсоедините отводную труб- ку Н к концу Е озонатора и попытайтесь собрать в приемник озонированный кислород. Вследствие окисляющего действия озона резина быстро разрушается. Теперь подберите отводную трубку Н такого диаметра, чтобы она плотно села на конец озонатора; залейте место соединения парафином. В соответст- вии с описанными далее опытами соберите озонированный кис- лородов сухие цилиндры и сосуды. 100
Опыт 90. Получение озона с помощью озонатора Броди (Б. /С. Броди, 1872 г.) Вместо прибора, описанного в опыте 89, можно пользоваться озонатором Броди. Соберите прибор, изображенный на рисунке 28. Он состоит из озонатора, трансформатора и прерывателя, включаемого в осветительную сеть. Вместо трансформатора можно воспользо-» ваться небольшой индукционной катушкой, питаемой от бата* реи или аккумулятора. На наружный конец озонатора наденьте длинную стеклянную трубку, длиной примерно 30 см, и залейте место соединения парафином. В этом случае другой конец труб- ки можно нагревать, не опасаясь расплавить парафин. Анало- гично опыту 89 получите озон и продемонстрируйте его действие на йодокрахмальную бумагу и резину. Опыт 91. Термическое разложение озона При прохождении по трубке озонированного кислорода на- грейте участок трубки GE с помощью едва светящегося пламе- ни горелки (озон разлагается при 230°С). Под струю выходяще- го из трубки газа подставьте йодокрахмальную бумагу. Какого- либо изменения окраски не отмечается, следовательно, в выхо- дящем газе озон не содержится. Введите в струю газа тлеющую лучину: обнаруживается вытекающий из трубки кислород. Не- сколько раз выводите и вводите йодокрахмальную бумагу под струю газа, соответственно удаляя и вводя пламя. При охлажде- нии трубки в вытекающем газе обнаруживается озон. Этот опыт окончательно доказывает, что озон является одной из форм кислорода. Опыт 92. Действие озона на ртуть (В. А. Шенстон, 1892 г.) Установите один из описанных озонаторов, наденьте на вы- ходное отверстие его согнутую под. прямым углом отводную трубку и пропускайте озон в небольшую сухую колбу. Для того чтобы определить момент заполнения колбы, держите у ее от- верстия йодокрахмальную бумагу. Бросьте в колбу небольшой шарик ртути, вставьте пробку и взболтайте содержимое колбы. Ртуть растекается по стенкам колбы, образуя зеркало. Добавь- те в колбу немного воды и взболтайте ее. Зеркальная пленка разрушается, и ртуть снова собирается в шарики. Опыт 93. Окисление сернистого свинца озоном (В. А. Шенстон, 1892 г.) С помощью озона превращают сернистый свинец в серно- кислый свинец. Смочите кусок фильтровальной бумаги разбавленным раст- 101
вором уксуснокислого свинца и затем погрузите бумагу в раз- бавленный раствор сернистого аммония. Введите бумагу в струю озона- Черная бумага становится белой. Опыт 94. Озон растворяется в скипидаре (К. Д. Гаррис» 1908 г.) В сухой 100-миллилитровый цилиндр с пробкой пропускайте озон, пока находящаяся у выхода цилиндра йодокрахмальная бумажка не окрасится в синий цвет. Для того чтобы показать наличие в цилиндре озона, быстро введите внутрь цилиндра длинную полоску йодокрахмальной бу- маги. Затем добавьте в цилиндр 5—10 мл скипидара и взбалты- вайте содержимое цилиндра в течение минуты. Исследуйте атмо- сферу внутри цилиндра с помощью новой полоски йодокрах- мальной бумаги: озон более не обнаруживается. Перелейте ски- пидар в небольшой сухой стакан и погрузите в скипидар кусо- чек сухой йодокрахмальной бумаги. Бумажка окрашивается в синий цвет. Покажите, что исходный, находящийся в склянке скипидар не действует на йодокрахмальную бумагу. Опыт 95. Озон не растворяется в серной кислоте Возьмите вместо скипидара концентрированную серную кис- лоту и повторите первую половину опыта 94. Обнаруживается, что озон не растворяется в серной кислоте. Он может быть легко обнаружен в атмосфере над серной кислотой даже через неделю после начала опыта. Опыт 96. Образование озона при окислении фосфора воздухом (Е. Ф. Горуп-Бизаней, 1859 г,) Окисление фосфора на воздухе сопровождается образовани- ем озона. Фосфор подвергают действию определенного объема воздуха. Через несколько минут находящаяся над фосфором атмосфера дает реакцию на озон. С двух или трех кусков фосфора под водой соскребите верх- ний темный слой, либо воспользуйтесь палочками фосфора. Очистив поверхность фосфора, поместите его в заполненную водой колбу. Сливайте воду до тех пор, пока палочки фосфора наполовину выступят из воды. Несмотря на то что возможность поломки колбы маловероятна, ради безопасности поставьте кол- бу в стеклянную чашку и неплотно прикройте колбу. Вскоре над фосфором начинают подниматься белые пары. Через не- которое время — летом достаточно обождать несколько минут — опустите в колбу полоску йодокрахмальной бумаги. Бумага сразу же синеет. (Сравните с опытом 447.)
ГЛАВА II КИСЛОТЫ, ОСНОВАНИЯ и соли Подвергая дерево сухой перегонке, получают древесный уголь и далее изучают его свойства. Синтезируют углекислый газ и впоследствии находят, что он в изобилии образуется при взаимодействии кислоты и мела. В младших классах дальней- шую работу можно с успехом вести в виде изучения мела по методу и направлению, описанным далее на странице 119. Ста- новится ясным, что мел является типичным карбонатом. Его изучение приводит к знакомству с содой, щелочами и далее с кислотами и солями. Нейтрализация едкого натра соляной кис- лотой приводит к получению обычной соли. Начиная с этого места, изучение большинства известных кислот, оснований, со- лей и продуктов их распада может быть проведено в любой последовательности. В этой главе первым изучается хлористый водород. Это объясняется тем, что при его разложении получается хлор —► элемент столь часто участвующий в химических реакциях, что ознакомиться с ним следует как можно раньше. Объемный со- став газообразных соединений, с которыми сталкиваются в этой главе, может быть изучен в любом удобном месте. Опыт 97. Сухая перегонка дерева Дерево подвергают деструктивной перегонке и получают древесный уголь, древесный деготь и древесный газ. Перегонку можно вести в медном, железном или стеклянном сосуде. Изображенная на рисунке 29 медная перегонная колба или более дешевая медная пробирка, похожая на большую стеклянную пробирку (рис. 30), легко заполняется, просто укрепляется и может быть быстро и сильно нагрета. При отсутствии металлических сосудов перегонку можно с достаточным удобством и вполне эффективно провести в стек- лянном приборе, собранном по рисунку 31. Класс видит, что дерево разлагается без пламени, что говорит о том, что разло- жение не есть обычное горение. Для опыта пригоден любой вид сухого дерева, наколотого на небольшие кусочки. Можно пользоваться и опилками. Рас- пилите дерево на небольшие брикеты и из них приготовьте дре- 103
Рис. 29. Деструктивная перегонка дерева: (а)—медная колба, наполовину заполненная опилками, (ft)—ириемник дегтя, (с)—склянка Вульфа, содержащая раствор едкого натра. Рис. 30. Медная пробирка. Рис. 31. Перегонка дерева. (Простой прибор.) весный уголь. Сосуды, изобра- женные на рисунке 29, запол- ните в соответствии с подписью под рисунком. Изображенную на рисунке 30 медную пробирку заполните до половины дере- вом и вставьте в пробирку корковую пробку. При работе с прибором, изображенным на рисунке 31, перегонный сосуд заполните наполовину деревом, а приемник — водой. Метал- лический сосуд сразу сильно нагрейте, а стеклянный — сначала осторожно. Вскоре начинает выделяться газ. Соберите его в сосуды. Первую пару сосудов отбросьте, ибо они содержат воз- дух, а содержимое третьего сосуда подожгите. Можно также подсоединить к прибору форсунку, как это показано на рисунке. 104
Затем, если это возможно, соберите некоторое количество газа в аспиратор или газгольдер с тем, чтобы можно было провести следующий опыт. Для того чтобы можно было осмотреть древес- ный уголь и древесный деготь, вовремя прекратите нагревание реторты. В находящийся над дегтем, слой воды опустите полос- ку синей лакмусовой бумаги. Лакмус становится красным. По комнате распространяется запах дегтя. Покажите учащимся дре- весный уголь и подарите несколько кусочков учащимся, любя- щим рисовать. Рис. 32. Го- рение дре- весного га- за. Опыт 98. Превращение пламени древесного газа в светящееся пламя В концы (/-образной трубки (рис. 32) вставь- те две форсунки. Форсунками могут служить либо кварцевые трубки, либо мундштуки глиня- ных курительных трубок. В каждое колено вве- дите по гГробке, сделанной из ваты. Пробки долж- ны быть свободными. Одну пробку смочите бен- золом. Шланг D подсоедините к аспиратору, со- держащему древесный газ. Откройте кран аспи- ратора, обождите минуту, пока вытеснится из трубки воздух, и затем зажгите выходящий из форсунок газ. Газ, проходящий через смоченную бензином вату, горит ярким белым пламенем. Опыт 99. Извлечение окрашенных веществ древесным углем (Т. Ловитц, 1785 г.) Приготовьте запасной раствор метилового фиолетового. Раствор подходящей концентрации получается при растворении. 0,3 г красителя в 500 мл воды. 5 мл этого раствора доведите во- дой до 100 мл и 30—50 мл получившегося раствора перелейте в 100-миллилитровый цилиндр с пробкой. Оставшуюся часть раст- вора сохраните для сравнения. Если у вас нет метилового фио- летового, то необходимое для опыта количество его можно по- лучить следующим образом. Обычно красящее вещество химических карандашей, маши- нописных лент и копировальной бумаги (окрашенной в фиоле- товый цвет) является метиловым фиолетовым. К измельченному грифелю карандаша или отработанной ленте прилейте немного теплой воды, профильтруйте и разведите его таким образом, чтобы интенсивность окраски его соответствовала интенсивности окраски 0,01 н. раствора КМпО4. Добавьте к раствору чайную ложку «с верхом» измельченного древесного угля и взбалты- вайте смесь в течение нескольких минут. (Хорошо ведет себя 105
древесный уголь. Он недорог и может быть использован в боль- ших количествах. Перед использованием его следует измельчить до кусочков, размером с рисовое зерно.) Взболтайте уголь с раствором красителя и профильтруйте смесь или дайте углю осесть. Получается совершенно бесцветная или почти бесцветная жидкость. Если получилась окрашенная жидкость, то сравните интенсивность ее окраски с интенсивно- стью окраски, исходного раствора. С помощью декантации про- мойте древесный уголь водой. После второй промывки получа- ется бесцветная вода. Затем взболтайте уголь с 10—15 мл эта- нола (технического метилированного спирта). Получается раст- вор, окрашенный в темно-фиолетовый цвет. Опыт 100. Адсорбция газов древесным углем Замечание. История вопроса. Впервые этот вид адсорбции был экспериментально открыт и описан знаменитым физиком Аббе Феликс Фонтана, служившим у тосканского герцога Фер* динанда II. Фонтана проводил свои опыты до открытия столь легко адсорбирующегося газа, как, например, аммиак; применяв- шаяся им полтора века назад методика лучше описываемой ниже. Он нагревал докрасна кусок древесного угля, вытесняя таким образом содержавшийся в угле газ, после чего погружал его под слой ртути и давал углю охладиться. Затем он помещал над ртутью вверх дном содержащую воздух пробирку и.отпускал уголь, который всплывал наверх и адсорбировал воздух. Полу- ченные результаты Фонтана опубликовал в 1777 году, однако еще ранее (около 1770 г.) сообщил о них Пристли, который подтвердил результаты Фонтана. Закрытую с одного конца трубку размером 30X2 см на- полните сухим аммиаком (см. опыт 385). Погрузите открытый конец трубки в находящуюся в сосуде ртуть. Приготовьте зара- нее кусок древесного угля и сильно прокалите его вне контакта с воздухом. (Для этого поместите кусок угля в небольшой тигель или консервную банку либо на лоток песчаной бани, закройте уголь слоем песка и сильно нагревайте его в течение несколь- ких минут.) Приподнимите трубку почти до поверхности ртути и паль- цами введите остывший уголь в трубку. Немедленно опустите трубку пониже в ртуть. Древесный уголь подымается на поверх- ность ртути и адсорбирует аммиак, вследствие чего ртуть под- нимается почти до верхушки трубки. Опыт 101. Вытеснение газов из адсорбционного комплекса. С помощью отсасывания удаляют адсорбированные на дре- весном угле газы. К куску древесного угля, размером с грецкий орех, привял жите кусочек свинца и поместите его в стакан с водой. 106
Поставьте стакан на подставку колокола Комовского. На- кройте стакан колоколом, предварительно хорошо смазав шли- фованную кромку колокола и подставку. Замените пробку коло- кола на другую пробку, сквозь которую проходит трубка с краном. Соедините кран с пустой отсосной склянкой, а послед- нюю— с вакуум-насосом. Закройте кран и несколько раз про- верните колесо насоса. Откройте кран. Из угля выделяется струя пузырьков. УГЛЕКИСЛЫЙ ГАЗ Опыт 102. Получение углекислого газа из мела При взаимодействии мела с соляной кислотой образуется углекислый газ. Сначала газ собирают над водой, а затем — с помощью вертикального вытеснения воздуха. Соберите прибор типа изображенного на рисунке 10. Колбу можно заменить двугорловой склянкой Вульфа. Кусок мела ве- сом 20 г разбейте на кусочки, размером примерно по 1 см каж- дый, и поместите мел в колбу. Немного соляной кислоты раз- бавьте равным объемом воды и время от. времени при необхо- димости прибавляйте в колбу по нескольку миллилитров раст- вора. Соберите газ в сосуды и цилиндры. Считайте, что первый сосуд заполнен воздухом, и отбросьте его. Источник углекислого газа. Описанный метод получения угле- кислого газа предназначен для темы «Изучение мела» или для демонстрации младшим классам наиболее простых свойств угле- кислого газа. Для проведения некоторых описываемых ниже опытов, а также и иных опытов, описываемых далее, желательно иметь более мощный источник углекислого газа. Далее, углекис- лый газ часто требуется для создания инертной атмосферы. По- этому нужно иметь всегда готовый к использованию источник углекислого газа. Углекислый газ может быть получен: а) Из баллона с жидкой углекислотой. б) С помощью аппарата Киппа, заряженного кусочками мра- мора размером с небольшой орешек и концентрированной соля- ной кислотой. с) С помощью любого из аппаратов, описанных на страни- це 60, аналогичным образом заряженных мрамором и кислотой. Чистый углекислый газ может быть получен при нагревании двууглекислого натрия. Обычную пробирку заполните на 7з дву- углекислым натрием и введите внутрь пробирки пробку, сверну- тую из асбестовых ниток. Пробка должна быть рыхлой и сво- бодно входить в пробку. Возьмите отводную трубку, наденьте на нее пробку и вставьте пробку в пробирку. Сначала осторож- но нагревайте ближайшую к асбесту часть соли и пропускайте выделяющийся газ через промывную склянку, содержащую сер- ную кислоту. Получаемый при взаимодействии мрамора с соляной кисло- 107
той углекислый газ можно очистить, пропуская его через две промывные склянки. В первой склянке должен содержаться на- сыщенный раствор двууглекислого натрия, во второй — концент- рированная серная кислота. Опыт 103. Свойства углекислого газа. а) Реакция с известковой водой В наполненную углекислым газом банку (а еще лучше — цилиндр) налейте около 20 мл известковой воды и взболтайте содержимое банки. Жидкость становится молокообразной. При проведении занятия в младшем классе в данный момент целесо- образно повторить синтез углекислого газа (опыт 34 6) и по- казать, что соединение, гасящее горящую свечу, также делает известковую воду молокообразной. Таким образом устанавлива- ется идентичность этого соединения с газом, образующимся при взаимодействии кислоты и мела. б) Отношение к горению Горящую свечу опустите в банку, (наполненную углекислым газом. в) Взаимодействие с водой Закрытую с одного конца трубку размером 30X1,5 см за- полните углекислым газом. Извлеките трубку из ванны и опусти- те ее открытым концом в банку, содержащую воду. Вода растворяет газ и медленно поднимается вверх по трубке. В цилиндр, заполненный углекислым газом (следует поль- зоваться газом, не содержащим хлористого водорода), добавьте раствор синего лакмуса. Лакмус должен быть хорошего каче- ства. Взболтайте раствор. Раствор лакмуса приобретает крас- ный цвет. Вместо этого можно также в банку, заполненную чистым углекислым газом, ввести увлажненную полоску синей лакмусовой бумаги. Наполните углекислым газом ЮО^милли- литровый цилиндр с пробкой, добавьте в цилиндр около 30мл дистиллированной воды и взбалтывайте ее в течение несколь- ких минут. Перелейте раствор в небольшую колбу и осторожно ее нагрейте. Как только начнется энергичное выделение пузырь- ков газа, удалите пламя с тем, чтобы наблюдаемое явление по ошибке не было принято за кипение. Опыт 104. Углекислый газ тяжелее воздуха Тот факт, что углекислый газ тяжелее воздуха, можно по- казать различными способами: а) Аналогично тому, как переливают воду, перелейте угле- кислый газ в «пустой» сосуд и исследуйте содержание нижне- 108
го сосуда с помощью горящей свечи или известковой воды (М. Фарадей, 1827 г.), 6) В этом опыте используется противоположный способ со- бирания углекислого газа, а именно: вытеснение воздуха снизу вверх (вертикальное вытеснение). Замените отводную трубку препаративной колбы на трубку, изображенную на рисунке 33, и пропускайте в банку углекислый газ, пока находящаяся вне цилиндра, у самого его отверстия, свеча не погаснет. Свечу следует держать горящим конном кверху с тем, чтобы пламя было как можно меньшим. в) На одном плече коромысла весов, аналогично описанному в опыте 55, подвесьте большой ста- кан с той лишь разницей, что пере* ворачивать стакан вверх дном не следует. Налейте в него углекислый газ или пропустите струю газа внутрь стакана. Различие в весе становится очевидным. г) Просверлите в картоне отвер- стие для отводной трубки и накрой- те им большой стакан или колокол. Рис. 33. Заполнение иилиндра углекислым газом. Вытесняя воздух, наполните стакан углекислым газом. Завяжи- те веревку вокруг маленького стакана и аналогично тому, как ведро опускают в колодец, опустите его. Извлеките маленький стакан и перелейте его содержимое в банку, содержащую из- вестковую воду. д) Укрепите на столе небольшой кусочек горящей свечи и осторожно опрокиньте над ней наполненную углекислым газом банку. Это надо делать таким образом, чтобы над свечой находил- ся передний край банки, а не центр ее, ибо при перевертывании стакана газ стремительно движется не только вниз, но и вперед. е) Помещают мыльный пузырь на «поверхность» углекисло- го газа (Ф. Кесслер, 1869 г.). В большой стакан пропускайте очищенный от хлористого во- дорода углекислый газ, пока он заполнит стакан почти до поло- вины (хлористый водород будет разрушать пузырь). Уровень углекислого газа устанавливайте с помощью горящей свечи. Для выдувания пузырьков воспользуйтесь длинной прямой стек- лянной трубкой, величиной с обычный карандаш. Выдуйте пу- зырь, не закрывайте конец трубки и перенесите пузырь к от- верстию колокола. Закройте пальцем отверстие трубки и встряхните ее с тем, чтобы отделился пузырь. В течение дли- тельного времени пузырь не лопается. Для сравнения введите пузырь в аналогичный стакан, содер- жащий воздух. 109
Опыт 105. Поглощение углекислого газа раствором едкого натра Наполненную углекислым газом пробирку откройте под раз- бавленным раствором едкого натра. Жидкость быстро подни- мается и заполняет пробирку. Опыт 106. Идентификация газа, содержащегося в содовой воде (В. Одлинг, 1869 г.) Заготовьте заранее бутылку с содовой водой и подберите пробку, подходящую по размеру к горлышку бутылки. Надень- те пробку на отводную трубку. Откройте бутылку, вставьте пробку с отводной трубкой и пропускайте вытекающий из бутылки газ в содержащий извест- ковую воду цилиндр. Твердый углекислый газ. Увеличение промышленного про-» изводства и потребление твердого углекислого газа (сухого льда) позволяет надеяться, что сухой лед найдет широкое при- менение в домашнем хозяйстве. Поэтому полезно познакомить учащихся с сухим льдом и научить их правильно с ним обра- щаться. Если готовить твердый углекислый газ из находящегося в баллоне жидкого углекислого газа, то он обойдется очень до- рого. Однако с целью ознакомления с самим процессом по- лучения сухого льда следует небольшое количество жидкого углекислого газа превратить в твердый. Основную же массу сухого льда, необходимого для проведения опытов, можно ку- пить. При хранении сухого льда в изолированном контейнере по- тери составляют 2% в сутки. Небольшие количества лучше всего хранить в термосе, наполненном ватой. Твердый углекислый газ имеет плотность 1,2. Несмотря на то что его температура — 78,9°С, кусочек его можно без опасе- ний положить на руку, ибо между рукой и твердым веществом образуется подушка газообразного углекислого газа, плохо проводящего тепло. Однако брать (сжимать) его пальцами не следует, ибо их можно отморозить. Поэтому брать сухой лед следует лишь перчатками, а при работе с ним следует пользоваться деревянными инструментами. Опыт 107. Получение твердого углекислого газа (В, Одлинг, 1869 г.) Для проведения опыта требуются баллон с жидким углекис- лым газом и специальная металлическая коробка (рис. 34). Эта коробка представляет собой контейнер, приспособленный для сохранения твердого углекислого газа. Давление сжиженного газа уменьшают до одной атмосферы. ПО
При этом улетучивается около 2/з газа, а оставшееся количество охлаждается до температуры ниже точки замерзания. Поместите баллон на стол, подымите его конец и подставьте под него деревянный брусок. Баллон должен быть установлен таким образом, чтобы вентиль его был опущен вниз. Носик вен- тиля должен быть направлен стоит из двух металлических цилиндров, к каждому из кото- рых прикреплена покрытая де- ревом пустотелая ручка. Два цилиндра, соединяемые друг с другом с помощью простого механического устройства, об- разуют приемник для затвер- девающего газа. В одном из цилиндров имеется патрубок, служащий для введения жид- кого углекислого газа. Когда к полу. Коробка Наттерера со- Рис. 34. Коробка Наттерера для получения и хранения твердой двуокиси углерода. жидкость поступает в прием- ник, часть ее испаряется, повышая таким образом давление. и, выходя через имеющиеся в рукоятках маленькие отверстия, охлаждает оставшийся в приемнике углекислый газ, кото- рый и затвердевает, образуя пушистую белую кристалличе- скую массу. С помощью резинового шланга соедините носик баллона с входным патрубком металлической коробки. Попро- сите ассистента взять'в руки коробку (за деревянные ручки). В дополнение можно также одеть перчатки или обернуть ручки несколькими слоями тряпки. Излишне говорить,что эта опера- ция не представляет никакой опасности, однако желательно, чтобы ассистент был знаком с условиями опыта. За металличе- скую коробку не следует браться голыми руками, а пальцы не следует держать в струе выходящего охлажденного газа. Как следует откройте вентиль баллона с тем, чтобы выходящий газ образовал белые струи, простирающиеся на 7—10 см по обе сто- роны от рукояток коробки. Через 30 секунд в коробке образует- ся значительное количество твердого вещества. Если вы хотите заполнить коробку доверху, пропускайте газ до тех пор, пока в вытекающем газе не появятся кусочки твердого углекислого га- за. Поскольку твердое вещество не сжато, оно сохраняется все- го в течение нескольких секунд, однако его можно сохранить в термосе. Можно также спрессовать его в небольшой картонной •или деревянной трубке. Приготовьте заранее такую трубку. От- кройте металлический приемник, всыпьте твердое вещество в картонную коробку и, надев перчатки и пользуясь деревянной ложкой, перенесите по частям твердое вещество в трубку. Один конец трубки плотно прижмите к куску чистого дерева, а дру- гим куском дерева, плотно входящим в трубку, утрамбовывай- те кристаллы. 111
Вытолкните спрессованный таким образом цилиндрик и положите его на голую руку. Дайте учащимся рассмотреть его. Пусть каждый учащийся подержит его в руке, однако преду- предите их, чтобы они не сжимали твердое вещество паль- нами. В сухую пустую банку поместите чайную ложку «без верха» пушистых кристаллов и попросите класс наблюдать за их исчез- новением. Затем попытайтесь погрузить в банку горящую све- чу. Кажется невероятно таинственным, что при каждой попытке погрузить горящую свечу в будто бы пустой сосуд свеча гаснет. В аналогичным образом заполненную банку добавьте известко- вую воду. Иное применение твердого углекислого газа описано в опыте 258. Опыт 108. Разложение углекислого газа магнием (Ф. Кесслер, 1869 г.) В колбу, заполненную углекислым газом, опускают горящий магний. Образуется окись магния, и выделяется свободный уг- лерод. Возьмите короткогорлую колбу емкостью 500 мл или более. Вытесняя воздух, заполните ее углекислым газом. С этой целью пропускайте в колбу углекислый газ до тех пор, пока горящая небольшим пламенем свеча, помещенная у выхода из горлыш- ка, не погаснет. Оборачивая магниевую ленту вокруг обычного карандаша, сделайте.из ленты длинную спираль. Держите щип- цами спираль вертикально над горлышком, колбы. Зажгите маг- ний и спокойно опустите спираль в центр колбы. (Желательно установить магниевую спираль в нужное положение до того, как ее зажгут, иначе ослепительное пламя горящего магния за- труднит введение ленты в колбу; в противном случае следует надеть синие очки.) Взболтайте содержимое колбы с небольшим количеством воды и погрузите в раствор полоску красной лакмусовой бу- маги. Затем добавьте к смеси соляную кислоту. Окись магния растворяется, а черное вещество (углерод) всплы- вает на поверхность жидкости. Если время позволяет, со- берите черное вешество. высушите его, нагрейте его в труб- ке для сжигания, одновременно пропуская над ним кислород, и образующийся при этом газ введите в известковую воду. При взаимодействии мела с кислотой легко и в большом ко- личестве образуется углекислый газ. Сразу возникает вопрос: откуда он происходит? Как уже советовалось ранее, в младших классах дальнейшая работа может быть проведена в форме изу- чения мела по типу, описанному в приложении 1. При проведении этого исследования следует постараться связать лабораторные и лекционные занятия. Некоторые примечатель- ные опыты описаны ниже. 112'
ТЕРМИЧЕСКОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ МЕЛА В связи с тем что интенсивное выделение газа начинается лишь при достижении температуры 700—800°С, стеклянные пробирки для проведения этой реакции не подходят. Однако опыт легко проводится при помещении мела либо в пробирку, сделанную из тонкого железа, либо в обычную круглую корот- кую кварцевую трубку. Опыт 109. Получение углекислого газа из мела а) Использование кварцевой трубки Возьмите кварцевую трубку с внутренним диаметром 3—4 мм и длиной 15—20 см, к одному концу ее подсоедините резиновый шланг, а в другой вставьте стеклянную пробку. К открытому концу подсоедините отводную трубку и введите ее в известковую воду. В центр кварцевой трубки поместите несколько осколков мела, и этот участок трубки нагрейте гудящим пламенем горел- ки Бунзена. Менее чем через две минуты начинает выделяться углекислый газ. Описанный простой метод разложения мела исключительно быстр и эффективен. За время урока можно по нескольку раз повторить опыт, перезаряжая трубку осколками мрамора, изве- сткового шпата, арагонита и устричных раковин. Обнаружи- вается, что все эти вещества содержат углекислый газ. б) Использование железной пробирки Изготовьте из тонкого листового железа пробирки. Такие пробирки служат очень долго. Поместите на дно железной про- бирки несколько граммов мела, вставьте в пробирку пробку с отводной трубкой и конец последней погрузите в содержащий известковую воду цилиндр. Нагрейте закрытый конец пробирки докрасна. Сначала из пробирки выделяется воздух, а затем газ, делающий известковую воду молокообразной. Отсюда следует, что в состав мела входит углекислый газ. Для того чтобы рас- смотреть вещество, остающееся после выделения углекислого газа, мы сильно нагреваем мел. на открытом воздухе. Препаративное получение извести не очень подходит для лекционного опыта. Нагревание в этом случае затягивается на 15—20 минут, а шум гудящей горелки отвлекает учащихся. Поэтому на уроке следует приготовить лишь немного извести, добавив к ней значительно большее количество, полученное предварительно. Нагревайте куски мела или гипса в муфельной печи в течение 12 часов. Горячее вещество перенесите в жестян- ку. При отсутствии муфельной печи куски мрамора, величиной с грецкий орех, держите на огне обычной домашней печи, пока они не раскалятся докрасна. Мел, помещенный в раскаленную в Фоулз 1 13
докрасна топку современной колонки водяного отопления, пол- ностью разлагается за несколько часов. Извлеките щипцами прокаленные куски и перенесите их в плотно закрывающуюся жестянку. Если вы хотите получить небольшое количество из- вести непосредственно в лекционной, поступите следующим об- разом. Опыт ПО. Получение извести нагреванием мела В куске мела весом около 1 г с помощью небольшого шила (или сверла) просверлите отверстие. Для этого возьмите кусо- чек мела, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда. На- деньте мел на двухмиллиметровый стержень или на тонкую железную проволоку. Положите стержень на небольшое метал- лическое кольцо, либо на треугольную фарфоровую подставку таким образом, чтобы он оказался точно над синим конусом гу- дящего пламени горелки Бунзена. В течение 12—20 минут силь- но нагревайте мел, поворачивая его время от времени. Нагре- вайте сразу два куска мела. При желании взвесьте мел до и после нагревания. Через 5 минут после начала нагревания за- темните комнату — сразу становится видимой раскаленная до- бела известь. Дайте охладиться полученному веществу. Один остывший кусок поместите в сухую пробирку. Из пипетки по каплям добавляйте воду: отчетливо видно набухание и разру- шение твердого вещества и выделение пара. В дополнение к этому опыту аналогичным образом подействуйте на один из больших кусков извести, полученных ранее. Положите на тре- ножник кафель, поместите на кафель кусок извести и из пипетки по каплям добавляйте воду. Если известь доброкачественная, то в результате выделится много «пара», а сама -известь сначала набухнет, а затем превратится в сухой порошок. Поместите в колбу немного гашеной известиг добавляйте разбавленную кислоту и обратите внимание на то, что шипения при этом не происходит. Для сравнения в другую колбу поме- стите примерно равное количество мела и аналогичным обра- зом подействуйте на него разбавленным раствором кислоты. Поместите в колбу немного гашеной извести и взболтайте ее с водой. Кажется, что известь в воде не растворяется. Про- фильтруйте жидкость. Опустите в фильтрат полоску синей лак- мусовой бумаги. Попросите ученика подуть в другую порцию фильтрата. Опыт 111. Соединения извести обладают способностью окрашивать пламя Необходимым условием для научного изучения химии яв- ляется умение уверенно идентифицировать различные вещества, встречаться с которыми приходится по ходу работы. В связи с этим следует продемонстрировать окраску, придаваемую пла- 114
мени соединениями кальция. В данный момент следует ска- зать, что эта окраска свойственна соединениям извести. Поместите на часовое стекло немного гашеной взвести, смо- чите ее в избытке концентрированным раствором соляной кис- лоты, погрузите в жидкость чистую платиновую проволочку и затем введите проволочку в пламя горелки. Покажите, что чи- стая кислота не окрашивает пламя. Смочите концентрированным раствором соляной кислоты один из углов большого куска мела или мрамора и поднесите его почти вллотную к пламени горелки. Выделяющийся с шипе- нием углекислый газ увлекает за собой в пламя частицы хло- ристого кальция, окрашивающего пламя в очень красивый цвет. КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ ИЗВЕСТИ При сильном нагревании мел разлагается на газообразное вещество — углекислый газ и твердый остаток — известь — веще- ство уже хорошо известное. В связи с тем что известь выдержи- вает нагревание до белого каления, не подвергаясь при этом разложению, возникает вопрос, не является ли известь элементом. Раствор извести окрашивает лакмус в синий цвет. В этом отношении известь ведет себя аналогично окислам магния, нат- рия и калия, состав которых был установлен с помощью синтеза. Более того, свойства извести очень похожи на свойства окиси магния. Однако при обычном проведении опыта известь не вос- станавливается углеродом, ибо если бы она восстанавливалась, то это произошло бы в печи, где она была получена. Более того, при нагревании извести в кислородно-водородном пламени на- блюдается «известковое свечение», говорящее о том, что известь не восстанавливается также и водородом. Опыт 112, Получение из извести кислорода (Дэви, 1810 г.) Над нагретой известью пропускают хлор. Выделяющийся раз собирают и идентифицируют. Он является кислородом. Соберите необходимый для получения хлора прибор и, для того чтобы сделать видимой скорость выделения газа, введите в прибор промывную склянку, содержащую серную кислоту. В изготовленную из тугоплавкого стекла трубку поместите не- сколько граммов негашеной извести. Один конец трубки соеди- ните с прибором, служащим для получения хлора, а другой — с пневматической ванной. Пневматическая ванна и установлен- ный в ней газоприемник должны быть заполнены разбавленным раствором едкого натра. Осторожно нагревайте трубку. Пропу- скайте над известью хлор со скоростью два пузырька в секунду. Когда процесс стабилизируется, попросите одну половину клас- са считать пузырьки поступающего хлора, а другую — пузырьки выделяющегося кислорода. Получаемый результат удивительно
близок к ожидаемому значению. Исследуйте собранный газ с помощью тлеющей лучины, а также обратите внимание на его бесцветность. В данный момент не следует осложнять урок детальным описанием метода получения хлора. Обратите вни- мание на зеленый цвет находящегося в промывной склянке газа. По окончании опыта откройте промывную склянку и покажите, что находящийся в ней газ гасит горящую лучину. Если, как это, видимо, следует из проведенного опыта, известь является окислом металла, то содержащийся в извести металл должен на- ходиться в большом количестве в земной коре. Исходя из этого, мы могли бы синтезировать окислы всех известных металлов, дающих белые окиси, и затем определить, какой из них обладав ет свойствами извести. Однако для сокращени^времени препода- вателю следует попросту познакомить учащихся с металличе- ским кальцием. Опыт 113. Синтез окиси кальция Кальций нельзя сжечь обычным путем, просто помещая его в ложку для сжигания и поджигая в кислороде. Однако его мож- но сжечь, пользуясь следующим методом, предложенным Э. Д. Годдардом. кой в соответствии с рисунком 35. максимально возможным образом, Помещенный в желез- ную ложку металлический кальций сильно нагрева- ют в струе кислорода. Для этого необходимы две горелки и кислород, поступающий из бал- лона либо газометра. К трубке, по которой по- ступает кислород, подсо- едините глиняную либо кварцевую трубку длиной 10—15 см. Укрепит^ над горелкой железную столо- вую ложку и нагрейте ее как можно сильнее. По- дайте струю кислорода. Затем поместите в лож- ку кальций (сантимет- ровый кубик) и нагрейте его сверху второй горел- Когда кальций разогреется поскребите его трубкой с тем, чтобы снять покрывающий его слой извести и собрать из- весть в одно место. Кальций горит и полностью превращается в известь. Дайте полученному веществу охладиться, исследуйте его и покажите, что оно обладает свойствами извести. 116
Количественные опыты, как. например определение объема и веса углекислого газа, содержащегося в 1 г мела, определе- ние количества содержащейся в меле извести и эквивалентного .веса кальция, класс проводит в лаборатории. Из числа несколь- ких количественных определений, проводимых классом в связи с анализом мела, одно из определений, проводимых классом наиболее точно, следует использовать для демонстрации химиче- ской идентичности различных форм углекислого кальция. Раз- дайте учащимся мрамор, природный мел, мел, используемый для побелки, мел, полученный осаждением, известковый шпат, ара- гонит, коралл и устричные раковины и попросите определить в каждом из образцов либо процентное содержание мела, либо извести. Если определения будут проведены хорошо, то получен- ные результаты послужат превосходной иллюстрацией закона постоянства состава. Опыт 114. Качественный синтез мела В большую колбу или склянку поместите немного синтезиро- ванной извести и взболтайте ее с 200—300 мл воды. Профильт- руйте жидкость и слейте фильтрат в колбу. Пропускайте в раствор углекислый газ. Образование белого осадка говорит о том, что при этом происходит химическая реакция. Через 2—3 минуты отключите углекислый газ и вскипятите жидкость. Кипячение превращает желатинообразный мел в порошкооб- разную, легко оседающую форму, благодаря чему класс отчет- ливо видит, что белое вещество нерастворимо. Декантируйте большую часть воды, немного суспензии мела перелейте в про- бирку и добавьте к ней разбавленный раствор кислоты. Обра- тите внимание на шипение и покажите, что оно вызвано обра- зующимся углекислым газом. Смочите платиновую проволоку раствором мела в кислоте и введите проволоку в пламя. Пламя приобретает красноватый, характерный для кальция оттенок. Следовательно, полученное вещество обладает свойствами мела. Отсюда следует, что мел представляет собой соединение основ- ного окисла с окислом неметалла. Далее станет известным, что такого рода соединения называются солями. Мел является хо- рошим примером нерастворимой соли. Сначала вводят термин «карбонат», потом «карбонат каль- ция». Далее, с уже известными соединениями проводят реак- ции, применяемые для опознавания карбонатов. Опыт 115. Иные формы карбоната кальция Следует показать, что мрамор, известковый шпат, известняк, коралл и устричные раковины являются карбонатом кальция* Разложите их перед классом и покажите, что по внешнему ваду они резко отличаются друг от друга. 117
Возьмите небольшую колбу, пробку с отверстием и отводную трубку. Поместите в колбу мрамор, добавьте к нему разбавлен- ный раствор азотной или соляной кислоты и пропускайте вы- деляющийся газ в содержащий известковую воду цилиндр. Взяв пальцами кусочек мрамора, смочите краешек его концентриро- ванной соляной кислотой и затем введите в пламя горелки. Мрамор не содержит натрия. Поэтому полученная в данном случае характерная для кальция яркая красная окраска пламе- ни будет сильно отличаться от желто-оранжевой, придаваемой пламени осажденным мелом, неизменно содержащим адсорби- рованный углекислый натрий. Аналогичным образом последовательно исследуйте вышеупо- мянутые вещества. Затем, в соответствии с целями обучения и способностями класса, следует подытожить материал, прой- денный при изучении мела и окислов. Для начинающих учащихся мел является типичным карбо- натом, изучение химии которого приводит к знакомству со ще- лочами. Продолжая изучение карбонатов, следует исследовать свин- цовые белила, магнезит и какой-либо местный минерал, напри- мер анкерит (двойная углекислая соль двувалентного железа и кальция, встречающаяся в угольных пластах) или витерит, угле- кислую медь и соду, и показать, что они являются карбонатами. Некоторые из перечисленных веществ поместите по отдель- ности в пробирки и нагрейте их. Углекислая медь разлагается при слабом нагревании, углекислый свинец — при средних тем- пературах, а углекислый натрий не разлагается даже при самом сильном нагревании. Классу следует объяснить, что при нагре- вании до белого каления углекислый натрий все же медленно разлагается. В данный момент можно сформулировать общий вывод, а именно, что все карбонаты при нагревании разлагают- ся на углекислый газ и окисел металла, причем температура, при которой происходит разложение, определяется относитель- ной активностью металла, входящего в состав данного карбо- ната. Опыт 116. Мел растворим в угольной кислоте Наполните 100-миллилитровый цилиндр чистым углекислым газом и налейте в цилиндр 20 мл известковой воды. Образуется обыкновенный белый осадок мела. Взбалтывайте смесь в тече- ние минуты. Мел полностью растворяется, и мутная жидкость снова становится прозрачной. Замечание. Прибавление к 100 мл насыщенного при ком- натной температуре раствора извести 52—53 мл углекислого га- за ведет к образованию мела, а прибавление 104—105 мл уг- лекислого газа — к образованию двууглекислого кальция. Налейте растворившийся мел в небольшую колбу и кипяти- те раствор. Выделяется углекислый газ, и осаждается мел. 118
Теперь обсудите механизм образования накипи в чайниках и котлах. Достаньте немного накипи и покажите классу, что в состав накипи входят кальций и углекислый газ. ОБ ИЗУЧЕНИИ МЕЛА. ЕГО ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ ЗНАЧЕНИЕ Знакомство с мелом не следует ограничивать только изуче- нием его химии. Следует подробно рассказать о многообразном значении этого вещества. При этом удачным планом изложе- ния будет следующий: хорошо, например, собрать временно кол- лекцию различных форм углекислого кальция. У многих учени- ков дома найдутся лишние образчики кораллов, кальцита или сталагмита, которые они охогно принесут в школу. Кроме того, некоторые учащиеся, возможно, побывали в местах, где могли наблюдать изумительные образцы сталагмитов и сталактитов и отчетливо видеть то действие, которое оказывает вода на извест- няковые породы. Кроме экономического производственного зна- чения, изучение мела представляет блестящую возможность связать изучение химии с биологией, сельским хозяйством, гео- графией, геологией и океанографией. При проведении занятий в старших классах следует остановиться на значении мела в промышленности. Среди многих увлекательных вещей, о кото- рых можно в связи с этим рассказать классу, следует обратить внимание на действие извести на почву, на роль, которую играет углекислый газ в жизни растений, на роль океана в регулирова- нии концентрации углекислого газа, в атмосфере, в образовании раковин и кораллов и т. д. Замечание. Следующие три раздела, а именно: «Жесткость воды», «Окись углерода» и «Простые углеводороды»—являют- ся естественным продолжением работы с углеродом и мелом. ЖЕСТКОСТЬ И МЯГКОСТЬ ВОДЫ1 Желательно, чтобы большинство описанных в этом парагра- фе опытов были проделаны в лаборатории самими учащимися. В районах, где вода мягкая, учитель должен приготовить жест- кую воду сам. Для этого следует насыщенный раствор извести разбавить десятью объемами водопроводной воды и добавить к раствору немного сернокислого маг^йя, примерно 0,25 г кристаллогидрата на литр. Опыт 117. Водопроводная вода содержит растворенные соли Поставьте на стол несколько пар газоприемников. В один из газоприемников каждой пары налейте водопроводную воду, а в другой — дистиллированную. В каждую пару газоприемни- ков добавьте углекислого натрия, щавелевокислого аммония, 1 См. стр. 488. 119
азотнокислого серебра, хлористого бария и раствора мыла. Ес- ли водопроводная вода жесткая, то в газоприемниках, напол- ненных ею, немедленно или через 1—2 минуты появятся белые осадки; дистиллированная вода остается прозрачной. Тем временем налейте в часовое стекло водопроводную во- ду и осторожно нагревайте стекло на песчаной бане. Когда вода испарится, покажите осевшее на стекле вещество, которое было растворено во взятой воде. ПРИГОТОВЛЕНИЕ РАСТВОРА МЫЛА Подходящий для данной серии опытов раствор мыла может быть быстро приготовлен простым растворением в воде зелено- го жидкого мыла. Налейте в стакан 50 мл воды, добавьте 10 г мыла, взболтай- те смесь и нагревайте ее в течение минуты с тем, чтобы мыло растворилось. Доведите раствор водой до объема, равного 500 мл, и тщательно его перемешайте. Получается прозрачный раствор, который, однако,, через несколько дней мутнеет. При желании получить немутнеющий раствор следует половину во- ды заменить на глицерин или этанол. Опыт 118. Титрование жесткой и мягкой воды раствором мыла Наполните бюретку вышеприготовленным раствором мыла. В колбочку с пробкой налейте 50 мл дистиллированной воды, добавьте 1 мл раствора мыла и взболтайте содержимое склян- ки (продолжительность взбалтывания не оказывает влияния на устойчивость пены). Образуется плотная устойчивая пена. Поставьте склянку на стол с тем, чтобы данная пена могла служить в качестве стандарта сравнения и одновременно мож- но было бы определить продолжительность ее жизни. В другую склянку налейте 50 мл водопроводной воды и повторите тит- рование. Сначала прибавляйте раствор мыла порциями по 1 мл и, лишь приблизившись к концу титрования (который учитель должен знать заранее), прибавляйте по 0,2 или 0,5 мл до тех пор, пока при взбалтывании не будет получена пена такой же величины и продолжительности жизни, как у стандартного раст- вора. Добавляемое таким образом количество мыла достаточно не только для полного осаждения всех магниевых и кальциевых солей, но также для образования пены. Если позволяет время, оттитруйте также дождевую воду (собранную через некоторое время после начала дождя), а так- же, если они доступны, речную или колодезную воду и про- кипяченную воду, полученную из района, в почве которого содержится много мела. Воду следует энергично кипятить в те- чение 10—15 минут либо значительно упарить в противном 120
случае бикарбонат не разрушится. Охладите ее и доведите дистиллированной водой до исходного объема. Количество мы- ла, требуемое для титрования, сразу указывает на то, что в результате этой процедуры вода стала значительно мягче. СМЯГЧЕНИЕ ЖЕСТКОЙ ВОДЫ Из различных способов смягчения воды в промышленности широко используются два метода. Первый метод основан на использовании извести и соды, второй — на использовании пер- мутита; оба они пригодны для лекционной демонстрации. Так называемая временная жесткость воды вызывается дву- углекислыми кальцием и магнием. Путем добавления рассчи- танного количества извести первый может быть удален пол- ностью, а второй — лишь частично. Таким образом, как это ни кажется парадоксальным, жесткая вода смягчается добавлением максимально жесткой известковой воды. СаНз(СОз)2 + Са(ОН)г = 2СаСОз 4- Н2О MgH2(CO3)2+Ca(OH)2=MgCO3+CaCO3+2H2O Хорошо известно, что вследствие частичной растворимости в воде как его углекислой соли, так и гидроокиси магний осаж- дается неполностью. В промышленности постоянная жесткость воды, вызываемая присутствием сернокислых кальция и магния, удаляется добав- лением рассчитанного количества углекислого натрия. Опреде- ление временной жесткости воды и ее удаление с помощью из- вести может служить хорошим лекционным опытом, однако оп- ределение постоянной жесткости следует проводить в лабора- тории. Опыт 119. Удаление временной жесткости воды с помощью извести С помощью титрования раствором кислоты известного титра определяют количество двууглекислого кальция, растворенного в литре жесткой воды, и выражают его в эквивалентах извести .(скажем, х эквивалентов). Аналогичным образом титруют из- вестковую воду и определяют в миллилитрах объем раствора (скажем, у мл), содержащий х г извести. К литру жесткой воды добавляют у мл известковой воды, в результате чего оседает мел. Затем раствором мыла титруют определенные объемы ис- ходной жесткой воды и воды, обработанной известью. Возьмите определенный объем водопроводной воды, скажем 200 или 500 мл, и добавьте к воде какой-либо индикатор, не ре- агирующий на угольную кислоту, например метиловый оранже- вый или бромфеноловый синий. Титруйте воду 0,1 н. раство- ром НС1 до нейтральности по индикатору. 121
Количество израсходованной кислоты точно эквивалентно количеству извести, растворенной в воде в виде двууглекислого кальция. Затем тем же титрованным раствором кислоты проти- труйте 50 мл известковой воды, взятой из запасной склянки, и рассчитайте величину объема известковой воды, содержащего то же количество извести, что и один литр жесткой воды. К 500 мл водопроводной воды (или иному желаемому объе- му) добавьте 31,9 мл известковой воды. Через 10 минут на хо- лоду или через несколько секунд при нагревании выпадает уг- лекислый кальций и жидкость становится мутной. Часть раст- вора, необходимую для титрования раствором мыла, отфильт- руйте. Остальную оставьте с тем, чтобы углекислый кальций мог осесть. Впоследствии СаСО3 следует отделить и идентифи- цировать. 50 мл отфильтрованного раствора оттитруйте титрованным раствором мыла.. Несмотря на то что к водопроводной воде бы- ло добавлено значительное количество чрезвычайно жесткой из- вестковой воды, отмечается значительное уменьшение жесткости. Для того чтобы показать, сколь велика жесткость исполь- зовавшейся в качестве реактива 'известковой воды, оттитруйте 50 мл этой воды. Если ранее водопроводная вода не была от- титрована раствором мыла, то возьмите 50 мл ее и оттитруйте сейчас. СМЯГЧЕНИЕ С ПОМОЩЬЮ ОБМЕНА ОСНОВАНИЙ: ПЕРМУТИТНЫЙ ПРОЦЕСС Этот процесс основан на явлении обменной адсорбции. В жесткую воду помещают глину, на которой адсорбированы ионы натрия. Ионы кальция сильнее адсорбируются на глине и вытесняют в раствор ионы натрия. (А12Оз)х(5Ю2)у Na2O + Са ++ = (А120з)х (SiO2)y СаО + 2Na+ Адсорбция является широкораспространенным явлением. Само понятие адсорбции усваивается легко и ее простейшие примеры могут быть убедительно продемонстрированы с по- мощью опытов, . при которых происходит изменение окраски. Поэтому до проведения данного опыта, иллюстрирующего смяг- чение воды, следует сначала провести опыт 494, демонстрирую- щий простую адсорбцию, и опыт 495, демонстрирующий обменную адсорбцию. Опыт 120. Смягчение жесткой воды с помощью пермутита (Э. Д. Вильямс, 1933 г,) Через колонку, заполненную пермутитом, пропускают воду известной жесткости (выраженной в количестве миллилитров мыльного раствора). Выходящую из колонки воду титруют раст-* 122
вором мыла и находят, что она столь же мягка, как и дистил- лированная вода. В нижнюю шейку известковой башни введите перфорирован- ную пластинку. Для того чтобы имитировать промышленный процесс, насыпьте на пластинку слой гравия в 3 см, поверх него, почти доверху,— пермутит, после чего — снова тон- кий слой гравия. Возьмите резиновую втулку, вставьте в нее трубку и плотно введите в тубус, находящийся у основания башни. Вводите в верхушку колонки жесткую воду и дайте ей медленно стекать в расположенный на выходе из колонки ста- кан. Протитруйте часть прошедшей через колонку воды раство- ром мыла. Когда способность пермутита смягчать воду умень- шится, пропустите через колонку раствор соли (10—15 г в 100 мл воды), после чего несколько раз промойте колонку дистиллированной водой. Вместо известковой башни мож- но использовать снабженную краном аспираторную склянку либо стеклянную трубку 40X4,5 см. Трубка должна на расстоя- нии 6 см от концов иметь два сужёния, а в нижнее отверстие ее следует вставить пробку с проходящей сквозь нее трубкой с краном. Замечание. В состав углекислого газа входит определенное количество кислорода, поэтому он должен действовать как окис- литель. Для проверки этого положения углекислый газ пропус- кают над нагретым металлом. В опыте 108 было показано, что магний разлагает двуокись углерода с выделением свободного углерода. Поэтому, ясно, что химически более активные метал- лы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений выше маг- ния, будут реагировать подобным же образом. Учитель, при- дающий особое значение физической основе химической реак- ции, обратит на это внимание. Когда углекислый газ пропуска- ют над металлами, расположенными в электрохимическом ряду напряжений ниже магния, то образуется окись углерода. Отсю- да следует, что кислород может быть отнят от углекислого газа двумя порциями, что значит, что в состав углекислого газа вхо- дит по меньшей мере два атома кислорода. В качестве восста- новителей в данном случае обычно выбирают железо и цинк. Реакция углекислого газа с железом необычайно сложна. В результате этой реакции обычно, кроме окиси углерода, об- разуются также углерод, карбид железа, закись железа и маг- нетит. Более того, этот процесс не сопровождается изменением окраски, которое указывало бы на прохождение химической реакции. Поэтому предпочтительнее пользоваться цинком. Он реагирует при значительно более низкой температуре, причем в результате этой реакции происходит изменение окраски — об- разуется белая окись (в горячем состоянии она окрашена в желтый цвет). 123
Опыт 121. Восстановление углекислого газа цинком или железом В трубке для сжигания между двумя свободно входящими асбестовыми пробками на участке длиной 10—15 см поместите порошкообразный цинк, набив его в трубку как можно плотнее. Подсоедините один конец трубки к источнику углекислого газа, а другой — к пневматической ванне. Для того чтобы сделать видимой скорость поступления углекислого газа, введите в уста- новку промывную склянку, наполненную серной кислотой. В ванну налейте разбавленный раствор едкого натра. Пользу- ясь горелкой с ласточкиным хвостом, либо двумя горелками, не очень сильно нагревайте трубку. При нагреве до температу- ры, близкой к красному калению, реакция идет легко. Отрегу- лируйте таким образом скорость поступления углекислого газа, чтобы через промывную склянку проходило 3 пузырька в секунду. Собирайте газ в газоприемник. Ясно, что выделяющий- ся газ не является углекислым газом, ибо последний раство- рился бы в растворе щелочи. Удалите газоприемник и подожги- те находящийся в нем газ, после чего покажите наличие в га- зоприемнике углекислого газа. Отсюда следует, что выходящий из цинка газ может быть либо газообразной формой углерода, либо его низшим окислом. Если реакция продолжается в течение нескольких минут, то в трубке образуется вполне видимое количество окиси цинка. Вместо цинка можно взять железные опилки либо порошко- образное железо, однако в этом случае трубку нужно нагревать до значительно более высокой температуры. При пользовании печью для сжигания, типа изображенной на рисунке 5, вместо стеклянной трубки и склянок можно с экономией применить наполненную гвоздями железную трубку. Возьмите газовую трубу длиной 60 см, набейте центральную часть ее сапожными гвоздями, разогрейте ее в печи для сжигания максимально возможным образом, после чего медленно пропускайте сквозь трубу углекислый газ. Опыт 122. Восстановление углекислого газа углеродом. Над раскаленным углеродом медленно пропускают углекис- лый газ. Некоторые авторы рекомендуют проводить этот опыт в железной трубке, однако в этом случае в связи с результа- тами, полученными в опыте 121, теряется наглядность восста- новления углеродом. Поэтому лучше пользоваться кварцевой трубкой. Набейте кварцевую трубку, длиной около 30 см, кусочками древесного угля, размером с горошек, и поместите трубку в печь (стр. 50). Аналогично опыту 121, подсоедините один ко- нец трубки к источнику углекислого газа, а другой — к пнев- 124
матической ванне. Нагрейте трубку максимально возможным образом, а затем медленно пропускайте над углеродом угле- кислый газ. Последующую часть опыта и трактовку результатов следует вести аналогично опыту 121. Опыт 123. Образование водяного газа 1 (Б. Лепсиус, 1890 г.) Сквозь горящую угольную дугу пропускают пар. Демонстри- руют горючесть выходящего газа и наличие в его составе окиси углерода. Для данного опыта необходимо иметь небольшую колбу диа- метром 12—20 см с двумя боковыми выходами. В соответствии с описанием опыта 408 введите в колбу через боковые отверстия два угольных стержня. Подберите к горлышку колбы пробку и пропустите сквозь пробку две отводящие трубки. Одна трубка должна почти касаться углей, а другая — быть заподлицо с нижней поверхностью пробки. Вставьте пробку, переверните колбу и укрепите ее на металлическом штативе. Пропускайте через длинную трубку пар, а короткую трубку соедините с пнев- матической ванной. Как только пар полностью вытеснит воздух, введите выходящий пар под перевернутую банку, заполненную холодной водой. Зажгите дугу. Образующийся газ быстро за- полняет банку. Зажгите газ и покажите наличие в банке угле- кислого газа. В действительности образующийся газ состоит из равных объемов водорода и окиси углерода. ПРЕПАРАТИВНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ОКИСИ УГЛЕРОДА Для получения окиси углерода в количествах, достаточных для изучения ее свойств, требуются более легкие методы, чем основанные на до сих пор описанных реакциях. Для этой цели в основном пользуются тремя методами: а) Дегидратацией муравьиной кислоты или б) щавелевой кислоты с концентрированной серной кислотой. в) Взаимодействием железистосинеродистого калия с кон- центрированной серной кислотой. Я предпочитаю метод (а), описанный на странице 334. В этом случае окись углерода выделяется при низкой темпера- туре и реакция легко поддается контролю. Этот метод более удобен еще и потому, что уравнение реакции простое, а активные ученики всегда требуют уравнения реакции, вне зависимости от того, понятно ли оно им или нет. Метод также осуществляется успешно, однако уравнение реакции его сложное, а за разложением приходится следить, ибо в противном случае реакция выходит из-под контроля. 1 Альтернативный метод описан на стр. 526. 125
При работе по методу (б) требуется удалять углекислый газ. а в элементарной работе следует, насколько это возможно, избегать осложнений. Опыт 124. Получение окиси углерода, (Г. Фоулз, 1844 г.) Гидратированный железистосинеродистый калий нагревают с концентрированной серной кислотой. Приблизительно при 170° С начинается реакция и газ выделяется непрерывным по- током. При проведении реакции при более высокой температуре выделение газа может легко выйти из-под контроля. Считается, что реакция идет по следующему уравнению: K4[Fe(CN)6] + 6H2SO4 + 6Н2О = = 3(NH4)2SO4 + 2K2SO4 + FeSO4 4- 6СО 6 молекул воды частично берутся из 3 молекул воды, входя- щих в состав гидратированной соли, а частично — из серной кислоты, которую наливают в избытке. Измельчите в тонкий порошок 15 г гидратированного желе- зистосинеродистого калия К4 [Fe (СЫ)бЬЗН2О и смешайте его Рис. 36. Взрыв смеси метана с кислородом. Рис. 37. Получение окиси углерода. с чайной ложкой «с небольшим верхом» белого мелкого песка. Налейте в препаративную колбу 80—90 мл концентрированной серной кислоты (эти количества дадут 5 литров окиси углеро- да). Небольшими порциями добавляйте соль, каждый раз 126
взбалтывая смесь. Песок и взбалтывание предупреждают спе- кание соли, которое могло бы быть вызвано дегидратирующим действием серной кислоты. Подберите к колбе пробку, наденьте ее на отводную трубку и шариковую воронку и соберите прибор в соответствии с рисунком 37. Осторожно нагревайте колбу и внимательно ожидайте начала выделения газа, после чего сразу же удалите горелку. Далее подогревайте колбу лишь при необходимости, поль- зуясь для этого как можно меньшим пламенем. Выделяется чи- стый и сухой газ. СВОЙСТВА ОКИСИ УГЛЕРОДА Получайте газ по методам опыта 380 или опыта 124. Соби- райте его в пневматической ванне под водой. Нельзя позволять газу выделяться в комнату. Для того чтобы обеспечить это, следите за тем, чтобы при реакции образовывалась слабая струя газа, которую легко держать под постоянным контролем. Все газы, обычно отбрасываемые как «воздух», и все не требуемые для занятий газы сожгите (см. стр. 129). Прежде чем присту- пать к каким-либо опытам, сначала заполните газом требуемое число цилиндров. Затем соберите и сожгите все газы, выделяю- щиеся из препаративной колбы. Опыт 125. Реакция с кислородом 2/з банки заполните окисью углерода, а оставшуюся 7з — кислородом. Зажгите смесь. Происходит реакция соединения, сопровождающаяся слабым взрывом. Опыт 126. Взаимодействие с известковой водой Наполните газом банку или лучше цилиндр с пробкой. По- ставьте цилиндр в вытяжной шкаф, извлеките пробку, налейте в цилиндр 20 мл известковой воды и быстро вставьте пробку. Взболтайте содержимое цилиндра. Жидкость остается прозрач- ной. Если газ собирался над водопроводной водой, поступающей из местности, в почве которой содержится много мела, извест- ковая вода может помутнеть. Для того чтобы избежать этого, в тех случаях, когда предполагается использование известковой вОды, следует собирать газ над дистиллированной водой. Опыт 127. Восстановление с помощью окиси углерода В трубку для сжигания длиной 22 см поместите окись же- леза либо окись меди и подсоедините к трубке соответственно источник окиси углерода и пневматическую ванну. Прежде чем начать нагревание, сначала пропускайте по трубке окись угле- рода с тем, чтобы вытеснить воздух. Не давайте газу выходить 127
в комнату, а собирайте его в банку. Пропускайте окись угле- рода, пока банка не заполнится. Удалите заполненную банку и введите следующую. Для того чтобы показать, что содержа- щийся в первой банке газ не является углекислым газом, на- лейте в банку известковую воду. Затем осторожно нагревайте трубку и пропускайте сквозь нее слабую струю окиси углерода. В трубке образуется красная медь, иногда отлагающаяся на поверхности стекла в виде блестящей зеркальной пленки. На собранный газ аналогичным образом подействуйте известковой водой (не забыв немедленно ввести новую банку, взамен извле- ченной). Известковая вода мутнеет. Опыты гр. 128. Восстановление хлористого палладия ГФ.) Окись углерода восстанавливает находящийся в растворе хлористый палладий. Металлический палладий выпадает в оса* док в виде черного порошка. PdCh + Н2О + СО = Pd + 2НС1 + СО2 Опустите в раствор хлористого палладия полоску белой про* мокательной бумаги. Бумага становится желтой. Цвет бумаги не изменяется и на воздухе. Слегка сдвиньте крышку газопри- емника, заполненного окисью углерода, введите в него полоску бумаги, смоченную раствором, и быстро закройте газоприемник. Вскоре бумага темнеет и через две минуты становится совер- шенно черной. Отводную трубку прибора, служащего для полу- чения окиси углерода, введите в наполненную водой переверну* тую банку. Введите в банку 2—3 мл газа. Подымите банку, дайте стечь воде и немедленно закройте банку. Введите в бан- ку полоску бумаги, смоченную раствором хлористого палладия., Примерно через две минуты бумага становится черной. Заполните банку светильным газом, вытесняя содер- жащийся в ней воздух. Накройте банку крышкой и введите в нее полоску бумаги, смоченную раствором хлористого палла* дия. Через несколько секунд бу\Т5га чернеет. Для обнаружения в воздухе окиси углерода и измерения ее концентрации поль- зуются солями серебра, золота и палладия. В связи с тем, что в воздух поступает большое количество окиси углерода, эти реакции имеют очень большое значение (см. комментарии на стр. 129). Опыт 129. Восстановление азотнокислого серебра окисью углерода К 30 мл 0,1 н. раствора AgNOs добавляйте разбавленный раствор нашатырного спирта до тех пор, пока выпадающая сначала гидроокись серебра полностью не растворится. Нагрей- 128
те жидкость до 50° С, после чего 2/3 ее перелейте в цилиндр с пробкой, предварительно заполненный окисью углерода. Оставшуюся жидкость сохраните для сравнения. Через 2— 3 секунды жидкость начинает темнеть, а через несколько минут выпадающее в осадок серебро делает ее черной как смоль. Этот опыт может быть поставлен также в иной модифика- ции. Смочите фильтровальную бумагу аммиачным раствором азотнокислого серебра. Одну часть бумаги введите в цилиндр, заполненный окисью углерода, а другую оставьте на воздухе для сравнения. ОКИСЬ УГЛЕРОДА —СМЕРТЕЛЬНЫЙ ЯД Хотя отравляющие свойства окиси углерода и нельзя проде- монстрировать в наглядном опыте, учитель обязан обратить на них внимание учащихся. Действительно, изучение окиси углеро- да представляет один из описанных удобных случаев сообщения знаний, полезных также и в последующей обы- денной жизни. Нет сомнений в том, что в настоящее время постоянно происходит увеличение количества окиси углерода, образующейся в промышленном производстве в качестве побоч- ного продукта, и соответственно возрастает количество ее, по- падающее в атмосферу. В равной степени несомненно и то, что большинство лю- дей не подозревает, что этот газ очень токсичен, даже при большом разведении. Окись углерода является единственным токсическим газом отработанного бензина; она добав- ляется во все увеличивающихся количествах к светильному газу. Утверждают, что токсический эффект окиси углерода ощу- щается уже при ее концентрации в атмосфере около 0,01%, что при концентрации 0,05% она вызывает головокружение, при концентрации 0,2% — потерю сознания, а при концентрации 1% смерть наступает через несколько секунд после вдыхания. Первая помощь в случае отравления — покой, свежий воздух и, если это возможно, введение кислорода. ПРОСТЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ От использования окиси углерода в качестве горючего легко перейти к изучению иных горючих соединений углерода, напри- мер, угля, каменноугольного газа и его главных составных ча- стей, и отсюда —к более общим вопросам — к изучению пламе- ни, горения и взрыва. $ Фоулз 129
Опыт 130. Получение метана а) С помощью взаимодействия ацетата натрия с гидроокисью натрия Проще всего получать этот газ в препаративных количест- вах по методу Дюма, улучшенному Шлегером, а именно: при помощи нагревания смеси уксуснокислого натрия с натронной известью. CHsGOONa + NaOH ~ СН4 + Na2COs Следует пользоваться безводным уксуснокислым натрием. Если он отсутствует, то насыпьте на железный лоток кристалло- гидрат CH3COONa-ЗН2О и нагревайте его до тех пор, пока из расплавленной массы перестанет выделяться вода. Безводная соль плавится при 319° С. Когда она затвердеет, измельчите ее в тонкий порошок и храните в закупоривающейся склянке. На- сыпьте в железный лоток немного натронной извести и высуши* те ее. Смешайте 1 вес. ч. уксуснокислого натрия с 3 вес. ч. нат- ронной извести и поместите смесь либо в изготовленную из ту- гоплавкого стекла пробирку, либо в небольшую колбу с пробкой и отводной трубкой. Сначала нагревайте смесь осторожно, а за* тем более сильно до тех пор, пока не начнет выделяться равно- мерная струя газа. Собирайте газ над водой. Прежде чем на- чинать опыты с газом, наполните им необходимое число цилинд- ров и склянок. Соберите оставшийся газ и храните его над водой в аспираторе. 14 г вышеупомянутой смеси дают один литр метана. Пробирка должна быть сухой, а нагрев следует вести медленно, в противном случае пробирка может лопнуть. Если метан требуется часто, то есть смысл для его приготовле- ния приобрести медную колбу или пробирку (рис. 30). б) С помощью гидролиза карбида алюминия Газ может быть получен при простом действии воды на кар* бид алюминия. Однако более устойчивое выделение газа имеет место при использовании вместо воды разбавленного раствора соляной кислоты, переводящей в раствор нерастворимый в воде гидрат окиси алюминия. В техническом карбиде алюминия обычно содержится карбид кальция, при гидролизе которого получается ацетилен. Ацетилен можно удалить, пропуская не- очищенный метан через щелочной раствор перманганата калия. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- ке 89. Насыпьте в колбу 10—15 г карбида алюминия. В капель- ную воронку налейте разбавленный (2 н.) раствор соляной кис- лоты. Подсоедините к прибору дополнительно две промывные склянки, типа склянок Вульфа, и в каждую из них налейте по 50 мл 6-процентного раствора перманганата калия в 1,0 н. раст- 130
воре едкого натра. Прибавляйте кислоту и при необходимости очень осторожно нагревайте колбу. Первые две банки отбрось* те, ибо в них, вероятно, содержится воздух, после чего наполни- те газом необходимое число банок и цилиндров. Опыт 131. Инертность метана В наполненные метаном цилиндры добавьте соответственно бромную воду, кислый и щелочный растворы перманганата калия и аммиачный раствор хлористой меди (одновалентной). Взболтайте смесь. Не отмечается каких-либо реакций. Эта инертность позволяет отличить метан от этилена и ацетилена. Опыт 132. Горение метана Зажгите метан и обратите внимание на цвет пламени. (Если используется метан, приготовленный по методу опыта 130, то присутствие иных углеводородов приводит к получению светя- щегося пламени.) Как только пламя погаснет, закройте банку. Взболтайте оставшийся в банке газ с известковой водой. Взрыв кислородно-метановой смеси можно провести в ко- ротком толстостенном газоприемнике. Этот опыт является до- вольно рискованным и ему лучше предпочесть опыт 133. Предостережение! В случае, если смешение углеводородов с небольшими количествами кислорода и воспламенение смеси в закрытом сосуде проводится в качестве лекционного опыта, должны быть предприняты исключительные предосторожности. Смесь ацетилена с кислородом ни в коем случае нельзя воспла- менять даже в открытых цилиндрах. При этом развивается столь большое давление, что содержащий данную смесь сосуд не разорвется лишь в том случае, если он рассчитан на давле- ние не менее 120 ат. В своих исследовательских работах профессора Г. Б. Дик- сон, Лотар Мейер и Т. Е. Торп специально предупреждают об этом лекторов. Вначале Лотар Мейер отнесся с пренебрежением к предос- тережению, высказанному в его адрес Диксоном на съезде Британской Ассоциации, и утверждал, что он часто проводил подрыв углеводородйо-кислородных смесей в газоприемниках в качестве лекционных опытов. Однако через несколько лет после этого, в 1894 г., у самого Лотара Мейера во время такого опы- та произошел ужасный взрыв. В результате поднесения горя* Шей свечи к отверстию газоприемника, содержавшего смесь ацетилена с кислородом, произошел столь сильный взрыв, что все люди, находившиеся поблизости, былц временно оглушены. Аппарат разлетелся на мелкие кусочки, и сам Мейер лишь по счастливой случайности избежал серьезного ранения. При желании продемонстрировать на опыте взрывчатые 9* 131
свойства кислородно-углеводородных смесей необходимо всегда принимать соответствующие меры предосторожности, детально описанные профессором Д. Ридом в нижеследующем опыте. Опыт 133. Взрыв смеси метана с кислородом (Д. Рид, 1931 г.) Наполните водой 500-миллилитровую колбу и вытесните Уз воды метаном, а остальную воду — кислородом. Закройте колбу сухой пропарафиненной пробкой. Через пробку должны проходить две медные проволоки, аналогично рисунку 36. Укрепите пробку и концы медных проволок на деревянной подставке. Наденьте на колбу сделанный из металлической сет- ки колпак, укрепите его на деревянной подставке, оберните полотенцем и положите сверху какой-нибудь тяжелый предмет. Когда все это будет сделано (но ни в коем случае не раньше!), подсоедините выводные концы к индукционной катушке и, на- конец, взорвите смесь (желательно, чтобы установка находилась от вас на расстоянии не меньше метра). Покажите, что колба превратилась в мелкий порошок. Опыт 134. Легкость метана Аналогично опыту 54 метан можно вылить «вверх» и пока- зать его наличие в верхнем сосуде. ПОЛУЧЕНИЕ ЭТИЛЕНА Простым способом препаративного получения этилена сред- ней степени чистоты является дегидратация спирта с помощью фосфорной кислоты (опыт 135 6). Однако фосфорная кислота реагирует со стеклом колбы и термометра. В опыте 135 (в) это затруднение обходится. Для тех случаев, когда не предполага- ют проведения широкого исследования свойств этилена, а лишь * желают показать, что этилен является продуктом, образующим- ся при дегидратации этанола, достаточно воспользоваться про- стым методом получения, описанным ниже. Опыт 135. Получение этилена а) Дегидратация этанола с помощью серной кислоты . (Д. Д. Беккер, 1669 г.; Д. Дальтон, 1810 г.) Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- ке 37. Емкость колбы должна быть около 400—500 мл. Отсое- дините колбу, налейте в нее 25 мл этанола (можно взять тех- нический метилированный спирт) и постепенно, порциями, до- бавьте 80 мл концентрированной серной кислоты, охлаждая 132
смесь в промежутках между добавлением каждой порции кис- лоты. Добавьте к смеси чайную ложку «с верхом» мелкого бе- лого песка. Песок уменьшает возможность вспенивания смеси при последующем нагревании. Подсоедините колбу к прибору и осторожно нагревайте жидкость, пока она не закипит (около 150°С). Отрегулируйте пламя таким образом, чтобы, с одной стороны, газ поступал равномерной струей, а с другой — на- сколько это возможно, исключалось вспенивание. Две первые банки с газом отбросьте. Остальной газ соберите в цилиндры и банки. Если имеют в виду проведение опыта с пламенем, то некоторое количество газа необходимо сохранить в аспираторе. б) Дегидратация этанола с помощью сиропообразной фосфорной кислоты (Г. С. Ньюз, 1901 г.) Техника данного метода была разработана Ньюзом, хотя реакция, на которой этот метод основан, была известна намного раньше. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- ке 38. Налейте в колбу 50—60 мл сиропообразной ортофосфор- Рис. 38. Получение этилена. ной кислоты и погрузите в жидкость термометр со шкалой на 300° С. Оттяните конец капельной шариковой воронки с тем, чтобы он превратился в форсунку, и отогните его кверху. По- следнее делается для того, чтобы предупредить вытеснение этанола из воронки выделяющимся этиленом, так как это мо-* 133
жет вызвать бурное выделение газа. Для того чтобы заполнить стебель воронки, погрузите его в этанол, откройте кран и вса- сывайте этанол, пока он не пройдет в шарик воронки. Вставьте воронку в препаративную колбу и, когда все будет готово, на- гревайте колбу, пока фосфорная кислота не нагреется до 200° С. В течение опыта поддерживайте температуру на уровне 200—> 220° С. Затем медленно, по каплям прибавляйте этанол. Первые два газоприемника отбросьте, ибо они содержат вытесненный из прибора воздух. в) Дегидратация этанола с помощью фосфорной кислоты: модифицированный метод (Эскиз и описание взяты из книги Д. Рида «Введение в ор- ганическую химию», 1931 г., издательство Белл.) Поместите в железную трубку небольшие кусочки пемзы, смоченные сиропообразной фосфорной кислотой, и, нагревая Рис. 39. Получение этилена: (я)—колба, содержащая этанол и нагреваемая в водяной бане; (в)—желеэная труба, содержащая пемзу, смоченную сиропообразной фосфорной кислотой; (с)—ловушка; (</)—газоприемник для собирания этилена. 6 bobbEddoopoo трубку, пропускайте сквозь нее слабую струю паров этанола (рис. 39). Собирайте газ над водой. Замечание. Приготовленный таким образом этилен содер-* жит небольшое количество растворимых в воде примесей, реаги* рующих с хлором со взрывом. Если предполагается проведение реакции с хлором, то прежде, чем смешивать газы, следует дать неочищенному этилену постоять над водой в течение 20 минут (личное сообщение профессора Д Рида). 134
Опыт 136. Горение этилена Сожгите находящийся в сосуде этилен и обратите внимание учащихся на белое яркое пламя. Как только пламя исчезнет, закройте сосуд, после чего его содержимое взболтайте с из* вестковой водой. Реакция этилена с кислородом идет с сильным взрывом, но ее можно благополучно провести в невысоком тол* стостенном газоприемнике. Однако предпочтительнее пользо- ваться методом опыта 133. Опыт 137. Соединение с хлором (М. Фарадей» 1827 г.) Равным объемом хлора и этилена дают смешиваться на рассеянном солнечном свету. Происходит реакция соединения, в результате которой образуются маслянистые капельки (симмет- рический дихлорэтан). С2Н4 + Ch = C2H4CI2 Заполните газоприемник водой, и одну половину ее вытес- ните этиленом, а вторую — хлором. (Хлор можно быстро полу- чить с помощью аппаратуры и метода, описанных в опыте 338.) Оставьте заполненный газами газоприемник стоять над водой, однако не держите его на прямом солнечном свету. Вскоре хлор исчезает. В газоприемник подымается вода, а на стенках его появляются капли маслянистой жидкости. Отсюда и происхо- дит название «маслянистый газ>. Опыт 138. Разложение этилена хлором (М. Фарадей, 1827 е,) Воспламеняют смесь, состоящую из одного объема этилена я двух объемов хлора. Происходит бурная реакция, в резуль- тате которой образуется хлористый водород и выделяется сво- бодный углерод. Заполните газоприемник водой. Уз воды вытесните этиле- ном, а остальные */з — хлором. Сразу же закройте газоприем- ник. Поставьте его на стол отверстием кверху, снимите крышку и поднесите пламя. Происходит реакция, сопровождающаяся образованием красноватого пламени, копоти и дыма. Исследуй- те образовавшийся дым с помощью влажной лакмусовой бу- мажки и аммиака. Опыт 139. Этилен и бром В наполненный этиленом 100-миллилитровый цилиндр с «робкой добавьте около 5 мл бромной воды и взболтайте со- держимое цилиндра. Вскоре бром обесцвечивается и образу- ются маслянистые капельки. Внимание! 5 мл бромной воды соответствуют 50 мл газо- образного брома, находящегося при комнатной температуре. 135
Опыт 140. Обесцвечивание перманганата калия этиленом В наполненный этиленом 100-миллилитровый цилиндр с пробкой добавьте 10 мл 0,1 н. раствора КМпО4, подкисленного разбавленным раствором серной кислоты. Взболтайте с одер-* жимое цилиндра. Перманганат калия обесцвечивается. Опыт 141. Поглощение этилена олеумом (Д. Рид, 1931 е.) Заполните этиленом бюретку Бунта (рис. 40) и закройте оба крана. Из находящейся вверху бюретки чашечки введите внутрь бюретки 4 или 5 мл дымящей серной кислоты (содержащей 20—25% свободного серного ангидрида). Закройте кран и один-два раза переверните бюретку. Затем погрузите кончик бюретки в обычную концентри- рованную серную кислоту и откройте нижний кран* Рис. 40. Бюретка Бунта. Рис. 41. Получение ацетилена. Так как этилен поглотился олеумом, кислота быстро поднима- ется вверх по бюретке. Опыт 142. Получение ацетилена а/ Получение небольших количеств В наполовину заполненную водой стеклянную ванну брось- те небольшой кусочек карбида кальция. Наполните водой газо- приемник, переверните его и установите над разлагающимся карбидом кальция. СаСг + 2НОН = Н2С2 + Са(ОН)2 136
б) Метод препаративного получения В отсосную склянку (рис. 41) насыпьте немного песка и поверх песка поместите небольшие кусочки карбида кальция. Через капельную воронку медленно прибавляйте воду и со- бирайте выделяющийся газ над водой. Опыт 143. Ацетилен растворяется в ацетоне Используйте аппаратуру и метод опыта 141. Один объем ацетона растворяет 24 объема ацетилена. Откройте бюретку над водой. Опыт 144. Горение ацетилена (Смотри предостережение на странице 131) Зажгите находящийся в сосуде ацетилен и обратите внима- ние на коптящее светящееся пламя. После окончания горения поставьте опыт на обнаружение углекислого газа. Опыт 145. Реакция с хлором Следующим образом эта реакция может быть проведена с достаточной безопасностью. На дно газоприемника поместите несколько граммов белильной извести и добавьте к ней не- сколько миллилитров разбавленного раствора соляной кислоты. Прикройте газоприемник куском картона. Вскоре газоприемник наполняется хлором. Насыпьте в него десертную ложку «без верха» порошкообразного карбида кальция. Немедленно вы- деляется ацетилен, который со вспышкой реагирует с хлором. При этом образуются клубы копоти и дымящий хлористый во- дород. Этот опыт показывает, что для образования пламени не обязательно наличие кислорода. Опыт 146. Реакция с бромом В наполненный ацетиленом 100-миллилитровый цилиндр с пробкой добавляют 5 мл бромной воды и взбалтывают содер- жимое цилиндра. Вскоре окраска брома исчезает. Опыт 147. Образование ацетиленистой меди (одновалентной) В заполненный ацетиленом цилиндр налейте 5 мл аммиач- ного раствора хлористой меди (одновалентной). Сразу же об- разуется красный осадок ацетиленистой меди (одновалентной). Отводную трубку прибора, служащего для получения аце- тилена, можно заменить на согнутую под прямым углом трубку 137
и пропускать выделяющийся апетилен непосредственно в раст- вор хлористой меди (одновалентной). Не бросайте ацетиленистую медь. Сразу же смойте ее, ибо в сухом состоянии она взрывается. Замечание. Учитель, излагающий краткий курс химии и же- лающий подготовить учащихся к пониманию процессов краше- ния и протравливания, может в данном месте прервать курс. Он может кратко рассказать о пламени и горении, получить бензол (через бензойную смолу и бензойную кислоту), нитро- бензол, анилин и, наконец, бензолазо- £ -нафтол. Эти синтезы просты и описываются в практикумах по органической химии. Изучение мела можно следующим образом связать с изу- чением щелочей и кислот. В результате элементарного знакомства с мелом класс узнает о реакциях на карбонаты. Применение этих реакций показывает, что обычная сода является карбонатом. Отсюда можно предположить, что сода, возможно, представляет собой соединение окиси металла с углекислым газом, в связи с чем появляется желание выделить этот окисел металла. С помощью нагревания этого сделать не удается, так как при самых высо- ких температурах, обычно достигаемых в лаборатории, сода просто плавится. (Лучше всего, если этот опыт проводится са- мими учащимися, нагревающими соду, помещенную на плати- новую проволоку или кусочек железа.) Желательно, чтобы уча- щиеся сами догадались,ч что следует испробовать реакцию с известью, имея в виду, что в этом случае должен образоваться нерастворимый мел и другое соединение, которое и должно быть второй составной частью соды. Опыт 148. Получение окисла металла из кристаллической соды (Д. Блэк, 1775 г.) Налейте в 200-миллилитровый стакан 80 мл воды и раст- ворите в ней 10 г кристаллической соды. Возьмите 4 г хоро- шей извести, погасите ее и смешивайте затем с 80 мл воды с тем, чтобы получилась сметанообразная масса. Вскипятите раствор соды и медленно добавляйте к ней суспензию извести, следя за тем, чтобы раствор все время продолжал кипеть. Поставьте стаканы на деревянную подставку и дайте осесть осадку. Если данные выше указания были выполнены точно, то реакция закончится сразу после смешения жидкостей, мел легко осядет и находящаяся над осадком жидкость не даст ре- акции на карбонат. Отфильтруйте часть прозрачной жидкости в маленький цилиндр (типа обрезанного мерного цилиндра) и попросите ученика через длинную стеклянную трубку подуть в раствор. Помутнения не происходит, следовательно, в растворе нет из- 138
вести. (Младшему классу, конечно, не следует сообщать, что известь не растворяется в едком натре.) К части прозрачного раствора добавьте разбавленный раствор кислоты: вспенива- ния не происходит, следовательно, данный раствор не содержит карбоната. Погрузите в раствор широкую полоску красной лак- мусовой бумаги. Бумага становится синей, указывая на наличие в растворе окисла металла. Этот окисел не является известью и, следовательно, может быть только окислом, входящим в состав соды. Назовите его. Часть раствора поставьте выпариваться досуха, а тем временем на образовавшийся ранее осадок по- действуйте кислотой. Происходит бурное шипение, показываю- щее, что данный осадок является мелом и что реакция прошла именно таким образом, как и ожидалось. АММИАК Опыт 149. Иллюстрация исторического метода получения Укрепите сухую пробирку почти вертикально таким обра- зом, чтобы ее можно было нагревать. Поместите на дно про- бирки немного шерсти. Запасите заранее влажную полоску красной лакмусовой бумаги, стеклянную палочку и концентри- рованный раствор соляной кислоты. Держа у отверстия пробирки полоску лакмусовой бумаги и палочку, смоченную соляной кислотой, сильно нагрейте про* бирку. Бумага синеет, а от палочки начинают подыматься белые пары. Очевидно, что из пробирки выделяется газ, обладающий щелочными свойствами. Назовите этот газ и расскажите исто- рию его открытия. Повторите опыт, пользуясь вместо шерсти естественным шел- ком, птичьими перьями или желатиной. Получаются аналогич- ные результаты. Подобным же образом нагрейте искусствен- ный шелк — вискозу—например негодный чулок. В этом случае аммиак не выделяется. Между прочим, термическое разложение используется в качестве метода, позволяющего отличить нату- ральный шелк от искусственного. Опыт 150. Каменный уголь как источник аммиака Если сухая перегонка угля классом уже проводилась, то аммиак уже был обнаружен учащимися среди продуктов рас- пада. Если же она не проводилась, то ее следует провести в лекционной в виде аналитического опыта.- В виду того, что уголь приходится сильно нагревать и что в результате обра- зуется дегтеобразный трудно смываемый осадок, этот опыт лучше проводить не в трубке из тугоплавкого стекла, а в де* шевой глиняной курительной трубке, которую не жалко после опыта выбросить. 139
Набейте почти доверху чубук трубки порошкообразным уг- лем, а затем замажьте отверстие трубки глиной или лучше смазкой пирума (см. стр. 324). Укрепите трубку таким об-» разом, чтобы ее можно было нагревать. Для того чтобы деготь мог стекать, мундштук трубки следует наклонить вниз. Снача- ла чубук трубки нагревайте осторожно, а затем — максимально возможным образом. Влажную лакмусовую бумажку держите точно над мундштуком. Обнаруживается присутствие аммиака. Из вышепроведенного опыта следует, что из области пламе- ни, где температура горящего угля ниже определенного преде- ла (смотрите стр. 144), должен улетучиваться аммиак, поэто- му в состав «дыма» должен входить аммиак. Далее, из опыта 100 мы знаем, что уголь (всегда содержащийся в дыме и саже дымоходов) поглощает аммиак. Отсюда следует, что сажа дол- жна содержать аммиак. Опыт 151. Получение аммиака из сажи Поручите нескольким энтузиастам — ученикам собрать из обычных печных дымоходов сажу и принести ее в класс. На- сыпьте в обычную открытую колбу несколько граммов сажи, увлажните ее разбавленным раствором едкого натра и на- гревайте колбу. Пользуясь влажной красной лакмусовой бу- мажкой, проведите реакцию на аммиак. Я лично с помощью этого метода всегда обнаруживал в саже аммиак. Аналитики сообщают, что в саже часто содержится до 7% аммиака. Об- судите вопросы, связанные с наличием аммиака в саже и использованием сажи в качестве удобрения. Опыт 152. Препаративное получение аммиака: предварительный опыт Укрепите пробирку аналогично вышеописанному с тем, чтобы ее можно было нагревать. Смешайте по десертной ложке хлористого аммония и гашеной извести. Пересыпьте смесь в пробирку и осторожно ее нагревайте. Если запах аммиака клас- сом не ощущается, то с помощью ручных мехов направьте газ в сторону учащихся. Очевидно, что в результате действия осно- вания на соль образуется новое основание и новая соль. Замечание. При проведении препаративного получения ам- миака в качестве лекционного опыта нагревание сухой смеси представляется нежелательной процедурой. Оно требует по- стоянного внимания, а колбы и пробирки при данном способе часто лопаются. Предпочтительнее добавлять к смеси неболь- шое количество воды, а затем нагревать ее с помощью неболь- шого пламени. В этой модификации реакция не требует по- стоянного внимания. 140
Для того чтобы показать, какое соединение является ис- точником аммиака и объяснить смысл происходящей реакции, один раз следует получить аммиак из хлористого аммония, а далее, при необходимости получения газа для лекционных це* лей, следует пользоваться нагреванием водного раствора. Опыт 153. Получение аммиака из хлористого аммония (Д. Пристли, 1774 г.) Действуя гашеной известью на хлористый аммоний, получа- ют свободный аммиак. Для осушения аммиак пропускают через колонку, заполненную кусками негашеной извести после чего собирают в газоприем- ник, вытесняя из пос- леднего воздух свер- ху вниз. Соберите прибор, аналогичный изобра- женному на рисун- ке 42. Для усиления впечатления подбери- те максимальную из имеющихся в вашем распоряжении коло- нок, скажем высотой 30—40 см, и заполни- те колонку кусками из- вести, величиной с обыкновенный орех. Вне работы плотно за- крывайте колонку. Это позволит надолго сохранить ее эффек- тивность. Газоприем- ники и банки можно либо устанавливать не- посредственно на ко- Л „ донку, как это показа- Рис* 42, ПолУчение аммиака. но на рисунке 42, ли- бо накрывать специальными крышками к газоприемнику (стр. 153) и вводить аммиак в сосуд по короткой отводной трубке. Обнару- жение аммиака на выходе длинной трубки свидетельствует о за- полнении сосуда. Следует взять препаративную колбу емкостью 150—200 мл. Для убедительности погасите немного извести на виду у класса. Поместите в колбу около 20 г хлористого ам- мония и 20 г гашеной извести (количество, намного превышаю- щее действительно необходимое) и добавьте 10—15 мл воды. Нагревайте колбу на небольшом пламени. Наденьте на отвод- 141
ную трубку колонки лист сухого картона и установите на нем газоприемник. Подсуньте под картон кусочек влажной красной лакмусовой бумаги и, когда она станет синей, осторожно уда- лите газоприемник, прикрывая его картоном. В момент снятия газоприемника с отводной трубки подведите под газоприемник вместо картонной крышки стеклянную и на место удаляемо* го заполненного газоприемника установите пустой. Наполните аммиаком число газоприемников, необходимое для последую- щих опытов, а также колбу емкостью 500 мл, используемую далее для демонстрации растворимости аммиака. Остающийся в приборе газ с помощью устройства D (рис. 66) пропустите в воду. СВОЙСТВА аммиака Несколько опытов с аммиаком описаны в других местах этой книги. Его лёгкость, аналогично водороду, может быть по- казана с помощью «переливания вверх». Однако для большей убедительности следует определить его плотность (опыты 385 и 391). Соединение аммиака с хлористым водородом описано в опыте 168. Опыт 154. Растворимость аммиака Наполните аммиаком 500-миллилитровую колбу. Далее по- ступайте аналогично методу опыта 166, однако красную лакму- совую бумажку держите в ванне. Аналогично тому, как это^описано для хлористого водорода в опыте 416, заполните аммиаком длинную закрывающуюся трубку или прямой эвдиометр. С помощью изогнутой пипетки введите в нее немного воды. Вместо воды можно ввести в газ кусочек льда. Опыт 155. Отношение к горению С заполненного аммиаком перевернутого вверх дном газо- приемника удалите крышку и медленно введите в газ горящую свечу. Свеча гаснет, однако у отверстия моментально появляет- ся зеленоватое пламя. (Возможно, что нагревание, вызываемое медленно движущейся свечой, приводит к частичному разложе- нию аммиака и далее к горению водорода.) Далее следует пред- положить,— лучше если это будет сделано самими учащими- ся,— что, может быть, аммиак будет гореть в атмосфере чисто- го кислорода. Для проверки этого предположения проводится следующий опыт. Опыт 156. Горение аммиака в кислороде (Э. Фрэнклэнд, 1872 г.) Струю аммиака вводят в атмосферу кислорода. Газ воспла- меняют, и аммиак горит желтовато-коричневым пламенем. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- 142
ке 43. Диаметр широкой трубки может варьировать примерно от 2,5 до 15 см. Для того чтобы наблюдать истинный цвет пла- мени аммиака, следует к концу трубки, по которой он посту- пает, аналогично опыту 184, подсоединить кварцевый или пла* тиновый наконечник. На дно широкой трубки поместите неплотный слой ва- ты. Это делается для того, чтобы по- ступающий кислород равномерно рас- пределился внутри трубки. В 200- миллилитровую колбу, снабженную согнутой под прямым углом отводной трубкой, налейте 20 мл раствора ам- миака (d = 0,88). С помощью резино- вого шланга соедините отводную трубку с аппаратом для сжигания. Из баллона или аспиратора или поль- зуясь методом, описанным в опы- те 382, подайте медленную струю кис- лорода. Очень осторожно нагревайте нашатырный спирт. Он не должен ки- петь. Примерно через минуту, поль- зуясь красной лакмусовой бумажкой, покажите, что из отверстия трубки выделяется аммиак. Зажгите его. Ам- Рис. 43. Горение аммиака в кислороде. миак горит небольшим желтовато-коричневым пламенем. Ам- миак непосредственно реагирует со многими солями, образуя комплексные соединения — аммиакаты. Опыт 157. Образование сернокислой пентааммино-меди (2). CuSO4-5NH3 (Купрамминсульфата) (Ф) Соберите прибор для получения сухого аммиака, аналогич- ный изображенному на рисунке 42. Налейте в колбу около 20 мл раствора аммиака (d = 0,88). В трубку для сжигания, ^изготовленную из мягкого стекла, поместите несколько граммов безводной сернокислой меди. Соедините трубку с колонкой, заполненной известью. Очень осторожно нагревайте колбу, ибо нужно, чтобы аммиак выделялся медленно. Безводная серно- кислая медь нагревается и становится темно-синей, что говорит о том, что происходит химическая реакция. Вращайте трубку для сжигания таким образом, чтобы подвергнуть действию аммиака еще не окрасившиеся частицы сернокислой меди. По окончании реакции извлеките часть синего порошка, насыпь- те его в пробирку и осторожно нагрейте. Стремительно выде- ляется аммиак, а твердое вещество последовательно окраши- вается в различные цвета (см. опыт 391). Сильно нагревайте 143
пробирку, пока осадок не станет белым. Дайте ему охладиться и добавьте воду. Образуется синяя масса, следовательно, белое вещество действительно было безводной сернокислой медью. Опыт 158. Образование хлористого гексамино-кальция СаС12.6NH3 Возьмите длинную трубку и, в соответствии с опытом 439, над ртутью заполните ее аммиаком. Введите в аммиак шарик плавленного хлористого кальция. Аммиак поглощается, а ртуть подымается до верхушки трубки. Замечание. Данные два опыта говорят о том, что аммиак обладает способностью прямо соединяться с некоторыми со- лями. (В младших классах не следует приводить химические названия образующихся соединений.) Это явление широко рас- пространено и часто используется при обычных анализах. Дан- ные две соли часто используются для сушки газов. Очевидно, что для сушки аммиака их использовать не следует. КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ АММИАКА При прохождении через раскаленную докрасна трубку ам- миак разлагается. Однако из продуктов его разложения может быть выявлен в данном случае только водород. В следующем опыте водород удаляется из аммиака при помощи химической реакции с окисью меди. Этот метод позволяет обнаружить Другую составную часть аммиака — азот. Полученный результат подтверждают действием хлора на аммиак. Аммиак полностью разлагается при 400—500° С. Разложе- ние может быть проведено: а) В короткой «глазированной» кварцевой трубке (2— 3 мм), нагреваемой пламенем горелки Бунзена. Этот метод яв- ляется наиболее простым. Аппаратура может быть собрана за несколько минут, а сам опыт проведен не более чем за 5 минут. б) В сантиметровой кварцевой трубке длиной 30 см, запол- ненной пемзой. Трубку можно нагревать в настольной печи, аналогично описанной на странице 49. Если учитель распо- лагает временем (а аппаратура в школе имеется), то следует ее использовать. Кроме своей внешней эффектности, данный метод, обеспечивая полное разложение аммиака, позволяет да- лее провести определение его объемного состава с помощью подсчета числа пузырьков газа (стр. 148). в) В железной трубке — полудюймовой газовой трубе дли- ной 60 см. Разложение в нагретой железной трубке является очень эффективным методом, интересным также с исторической точки зрения, однако в этом случае неясно, является ли разло- жение аммиака чисто термическим. Детально будет описан только метод (а). 144
Опыт 159. Термическое разложение аммиака (Ф.) Разложение аммиака было описано Пристли в 1774 г. Собе- рите прибор для получения сухого аммиака, аналогичный изоб- раженному на рисунке 44. Когда все будет подготовлено, на- лейте в препаративную колбу 10—20 мл раствора аммиака (d=0,88). Между прибором для получения аммиака и пневма- тической ванной введите узкую кварцевую трубку длиной 20 либо 30 см. (Использование 30-сантиметровой трубки позволя- ет далее проводить нагревание двумя или тремя горелками Бунзена, что столь же эффективно, как и нагревание в настоль- Рис. 44. Термическое разложение аммиака. ной печи.) Между заполненной известью колонкой и кварцевой трубкой введите промывную склянку, содержащую медицинский парафин. К находящемуся в пневматической ванне выходному концу отводной трубки подсоедините клапан Бунзена (смотрите стр. 417). Вначале нагревать колбу не следует, ибо аммиак самопроизвольно поступает в находящуюся над раствором ат- мосферу. Когда же выделение его приостановится, время от времени нагревайте колбу. Пользуйтесь очень небольшим пламе- нем— высотой не больше 1 см. Как только из клапана переста- нет выделяться воздух — а это произойдет примерно через ми- нуту после начала выделения аммиака — установите над клапа- ном отводной трубки наполненный водой перевернутый газо- приемник и с помощью одной либо двух горелок Бунзена на- грейте среднюю часть кварцевой трубки докрасна. Сразу же из клапана начинает выходить нерастворимый газ и заполнять газоприемник. Судя по количеству и непрерывности поступле- ния газа, это не воздух. Столь же очевидно, что это и не ам« 10 Фоулз
миак. Удалите газоприемник и исследуйте газ с помощью го* рящей свечи. Выясняется, что этот газ — водород. Теперь по- старайтесь, чтобы можно было сосчитать число пузырьков. Как и ранее, попросите одну половину учащихся считать число пу- зырьков аммиака, а другую — число пузырьков предполагаемо- го водорода. Обычно получаются не столь точные ре- зультаты, как в опыте 161, однако по ним наглядно видно, что объ^м газообразных продуктов разложения намного больше объема разложившегося аммиака. Опыт 160. Получение азота из аммиака Очевидно, что аммиак, не может разложиться только на одно вещество, так же как нельзя расщепить на одну часть линейку. Поэтому в надежде обнаружить другие составные части аммиака попытаемся удалить из него водород. Аммиак пропускают над нагретой окисью меди, в результате чего образуются вода и медь и выделяется свободный азот. «Крекинг» аммиака является современным промышленным методом получения водорода. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- ке 48. Сухую окись меди распределите на участке длиной 5 см. расположив ее между неплотными пробками, сделанными из асбестовых нитей. Поскольку окись восстанавливается аммиа- ком при не слишком высоких температурах, можно пользовать- ся трубкой, изготовленной из мягкого стекла. При желании при- емник В, представляющий собой охлаждаемую водой неболь- шую колбу Вюрца или [/-образную трубку, можно не вводить. В этом случае конденсирующаяся вода будет стекать с конца трубки для сжигания. Как и ранее, подсоедините к выходному концу отводной трубки клапан Бунзена. Подсоедините трубку для сжигания к прибору для получения сухого аммиака, опи- санному в Предыдущем опыте. Нагревайте препаративную кол- бу и осторожно пропускайте аммиак до тех пор, пока из клапа- на перестанет выходить воздух. Затем установите над клапаном» вверх дном, заполненный водой газоприемник и нагревайте трубку едва светящимся пламенем. Через клапан проходит бес- цветный нерастворимый газ, в трубке образуется блестящая медь, и в приемнике собирается бесцветная жидкость. Иссле- дуйте газ и покажите, что он является азотом. Если время поз- воляет, продолжайте восстановление до тех пор, пока соберется количество жидкости, достаточное для проведения ее иденти- фикации. Вследствие образования небольших количеств ам- миачной гидроокиси меди (гидроокиси купраммония) жидкость часто окрашивается в слегка синеватый цвет. (Если проведен опыт 157, это можно легко объяснить.) Несмотря на это, при нагревании жидкость обесцвечивается и кипит при 100°С. По- этому она в основном представляет собой воду. Поскольку в 146
замкнутой системе в конце опыта содержится только медь, азот и вода, а в начале опыта — только окись меди и аммиак, то очевидно, что в состав аммиака входят только азот и водород. Этот вывод в дальнейшем будет подтвержден синтезом. (См. также стр. 199.) Опыт 161. Разложение аммиака хлором (К, Л. Бертолле, 1785 г,; А. В. Гофманн, 1865 г.) В концентрированный раствор аммиака пропускают хлор. Происходит бурная реакция, и выделяется свободный азот. ЗС12 + 8NH3 = 6NH4CI + N2 Замечание. Успевающий класс, знающий о большом сродст- ве хлора с водородом, должен быть в состоянии заранее пред- видеть результат реакции (см. стр. 19). Я слышал, что некото- рые учителя говорят, что, вопреки утверждению Гофманна, хлор не вспыхивает под слоем раствора аммиака. Тем не менее в действительности, при обеспечении правильных условий, а именно—подведении нагретого неразбавленного воздухом хло- ра (т. е. быстрой струи чистого хлора), вспышка, несомненно, имеет место. Я лично при проведении данного опыта получаю хлор действием соляной кислоты на перманганат калия (опыт 388), благодаря чему могу, абсолютно контролируя ход опыта, получать при желании’ быструю либо медленную струю хлора. Таким образом, исключается опасность образования треххлористого азота при использовании избыточного количест- ва аммиака. Далее, по ходу опыта образуется не слишком
много азота, поэтому следует избегать его потерь, происходя- щих в результате необходимости вытеснять воздух. Для этого следует, насколько это возможно, уменьшить «мертвые прост- ранства» воздуха. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисун- ке 45. При желании промывную склянку Дрекселя можно ис- ключить. Однако ее наличие позволяет осуществить интересный учебный прием. D — большая по размеру склянка Дрекселя. С тем же успехом будет служить и небольшая склянка Вульфа. Засосите в стебель капельной воронки концентрированную соляную кислоту и заполните кислотой шарик воронки. В склян- ку В насыпьте несколько граммов перманганата калия. Вы- годнее вытеснить воздух из препаративной колбы и промывалки до того, как они будут подсоединены к склянке D. Осуществля- ется это очень просто: по каплям добавляют к перманганату кислоту и пропускают газ в ловушку, пока занимаются осталь- ной частью прибора. В склянку D наливают 80 мл раствора аммиака (d=0,88). При желании можно позади склянки D по- местить черный экран и затемнить комнату. Для того чтобы по- лучить энергичную струю хлора, добавьте к перманганату 1 мл кислоты. Если воздух был вытеснен в соответствии с данными выше инструкциями, то вспышка обязательно произойдет. Про- должайте опыт до тех пор, пока’ в газоприемнике не соберется количество газа, достаточное для его исследования. Покажите, •что полученный газ является азотом. ОПРЕДЕЛЕНИЕ СООТНОШЕНИЙ ОБЪЕМОВ С ПОМОЩЬЮ ПОДСЧЕТА ЧИСЛА ПУЗЫРЬКОВ ГАЗОВ Много лет назад, желая поддержать внимание класса во время медленно идущего накопления азота, мне пришла в го- лову мысль позволить классу считать пузырьки азота и хлора. Неожиданно результаты оказались столь успешными как в от- ношении учебного приема, так и в отношении количественного проведения опыта, что в дальнейшем я пользовался этим мето- дом как при данном, так и при других аналогичного типа опы- тах. В связи с этим я всегда забочусь о том, чтобы отводные трубки были одного диаметра. Действительно, данный метод, экономя время, может заме- нить обычные количественные определения. Действуйте следую- щим образом: отрегулируйте скорость поступления соляной кис- лоты таким образом, чтобы можно было сосчитать число вы- деляющихся пузырьков хлора. Попросите одну половину класса вслух считать число пузырьков выделяющегося хлора, а вто- рую— азота. Когда будет сосчитано, скажем, 60 пузырьков хло- ра (20 пузырьков азота), запишите результат на доске и на- чинайте счет сначала, договорившись прекратить счет на два- дцатом пузырьке азота. К моменту двадцатого пузырька азота 148
число пузырьков хлора превышает 50 — результат, приводящий к сильному возбуждению учащихся. На данной стадии следует провести некоторые из опытов 436—440, посвященных определению качественного состава ам- миака. СИНТЕЗ АММИАКА Все прежние методы получения аммиака бледнеют в срав- нении с современным промышленным процессом каталитическо- го синтеза его, проводящимся под высоким давлением и при низкой температуре. Поэтому следует попытаться в какой-то степени воспроизвести подобный процесс. Однако в настоящее время, в условиях школы невозможно получить высокое дав-* ление. Модные учебные методы синтеза, а именно пропускание искры через смесь азота и водорода и тихий разряд в этой смеси, представляют только академический интерес и не иллю- стрируют синтез при невысоких температурах. Все же, при по- мощи приведенной далее серии опытов, может быть иллюстри- рована реакция соединения, проходящая при низких темпера-* турах, которую можно считать также проходящей при высоком давлении. Опыт 162. Получение азота из селитры Нагревают смесь селитры и железных опилок и получают азот. При желании в данном месте можно, несколько забегая вперед, провести опыт 207 с тем, чтобы показать, что селитра содержит кислород. Смешайте 3 г сухой тонкоизмельченной селитры с 12 г чистых железных опилок. Не следует брать же- лезо в меньшей пропорции к сёлитре, ибо в этом случае реак- ция пойдет столь быстро, что улавливание газа станет затруд- нительным. Пересыпьте смесь в пробирку. Вставьте в пробирку пробку с отводной трубкой и укрепите ее в штативе таким образом, чтобы далее можно было вести нагрев. Введите от- водную трубку в пневматическую ванну с тем, чтобы собрать выделяющийся газ. Подготовьте заранее два наполненных во- дой газоприемника и воспользуйтесь помощью ученика, ибо газ выделяется очень быстро. Сначала нагрейте участок смеси, рас- положенный ближе всего к пробке. Через всю массу смеси пробегает искра и выделяется струя газа. Заполните газом оба газоприемника. Исследуйте содержимое второго газоприемника и покажите, что содержащийся в нем газ является азотом. Об- ратите внимание, сколь большой объем занимает образовавший- ся азот и в сколь малом объеме исходной селитры он должен был находиться. Действительно, 10 г селитры занимают объем, равный 5 мл, а выделяют количество азота, занимающее при комнатной температуре объем, равный 1150 мл. 149
Опыт 163. Получение водорода из гидроокиси калия Гидроокись калия нагревают с железными опилками: виде* ляется свободный водород. 2КОН + Fe = К2О + FeO 4- Н2 Реакция идет при умеренных температурах. Измельчите 5 г гидроокиси калия и смешайте ее с 15—20 г чистых железных опилок. Пересыпьте смесь в пробирку, вставьте пробку с отвод- ной трубкой и укрепите пробирку в штативе с тем, чтобы ее далее можно было нагревать. Осторожно нагревайте смесь. Задолго до того, как вся пробирка нагреется до темно-красного каления, начнет выделяться непрерывная струя газа. Пользуясь пневматической ванной, обычным образом соберите над водой выделяющийся газ. Заполните им половину газоприемника и отбросьте его, считая, что теперь воздух вытеснен пол- ностью. Далее заполните следующий газоприемник и испытайте газ с помощью горящей свечи. Выяснится, что этот газ является водородом. Из 1 г гидроокиси калия получают количество во- дорода, занимающее при комнатной температуре объем, равный 200 мл. Как’ и в опыте 162, можно считать, что содержащий- ся в гидроокиси калия водород находится под большим давле- нием. Опыт 164. Образование аммиака (Д. В. Доберейнер, 1838 г.) Смешивают селитру, гидроокись калия и железные опилки. Смесь нагревают: выделяется аммиак. Смешайте 2 г селитры с 3 г измельченной гидроокиси калия и 20 г чистых железных опилок. Пересыпьте смесь в пробирку. Подберите к пробирке пробку. Наденьте ее на согнутую под прямым углом отводную трубку. Укрепите пробирку таким об- разом, чтобы её можно было нагревать. Наружная часть отвод- ной трубки должна быть направлена вертикально вверх. Из вы- шепроведенных двух опытов следует, что в данном опыте мы можем ожидать одновременного выделения водорода и азота, находящихся в момент выделения под давлением. Медленно нагревайте пробирку и держите у выхода отвод- ной трубки влажную полоску красной лакмусовой бумажки. Бумажка становится синей, обнаруживая наличие аммиака, выделяющегося в большом количестве. Выделяющиеся одновре- менно азот и водород, находясь под давлением, соединяются, и образуется аммиак. Теперь можно рассказать о промышлен- ном процессе получения аммиака. 150
СОЛЯНАЯ КИСЛОТА При добавлении серной кислоты к обычной соли происходит бурная реакция, сопровождающаяся шипением и вспениванием. Бурное течение реакции затрудняет собирание газа. Обычно для уменьшения интенсивности реакции пользуются следующими способами: а) Соль расплавляют, а затем измельчают на куски жела- тельной величины. б) Кислоту несколько разбавляют с тем, чтобы свободный хлористый водород выделялся только при нагревании. Одни специалисты рекомендуют брать 11 объемов кислоты на 8 объе- мов воды, другие—’12 объемов кислоты на 4 объема воды. Следует приготовить про запас достаточное количество разбав- ленной кислоты. Я лично не пользуюсь ни одним из этих методов, а просто нагреваю каменную соль с концентрированной серной кислотой. Таким образом мне не приходится ни плавить соль, ни готовить и хранить специальный запасной раствор, а этого не может не одобрить преподаватель, ценящий свое время. Более того, ка- менная соль недорога. Если каменная соль достаточно хороше- го качества, то при реакции выделяется устойчивая равномер- ная струя газа. Опыт 165. Получение «паров» соли (Д. Р. Глаубер, 1648 г.) а) Предварительный опыт Насыпьте в сухой газоприемник чайную ложку «с верхом» обычной поваренной соли и добавьте несколько миллилитров концентрированной серной кислоты. Обратите внимание на бур- ный характер реакции. Подуйте на выделяющиеся пары и опу- стите в них влажную полоску красной лакмусовой бумажки. Расскажите о «паре» соли. Подействуйте серной кислотой на кристалл каменной соли величиной с фасоль и обратите вни- мание на то, что интенсивность реакции зависит от величины поверхности соли, подвергшейся действию кислоты. б) Собственно опыт Разбейте каменную соль на кусочки размером с маленький орех. Держа колбу емкостью 400—500 мл горизонтально, осто- рожно опустите в нее примерно 20 кусочков соли. Наденьте пробку на шариковую воронку и отводную трубку, вставьте ее в колбу и укрепите колбу в штативе с тем, чтобы ее можно бы- ло далее нагревать. Доберите остальную часть прибора и нали- вайте через воронку концентрированную серную кислоту, пока 151
она не закроет соль. С помощью небольшого пламени нагре- вайте колбу. При этом будет выделяться совершенно сухой газ, однако если вы. хотите сделать видимой скорость его вы- деления, то введите в прибор содержащую серную кислоту про- мывную склянку. Собирайте газ, вытесняя им воздух вверх. С этой целью воспользуйтесь описанной ниже специальной Рис. 46. Получение ядовитого газа вне вытяжного шкафа с использованием крышки Фрэнклэнда и газовой ловуш- ки Вэра. крышкой к газоприемнику. Избыток газа отведите в вытяжной шкаф или в газовую ловушку Вэра, заполненную крупными кусками углекислого аммония и палочками едкого натра, ув-* лажненными раствором аммиака (d = 0,88) (рис. 46). При отсутствии специальной крышки к газоприемнику по- ступите следующим образом: пробейте в куске картона отвер- стие для отводной трубки и закройте картоном подлежащий за- полнению газоприемник. С помощью резинового шланга до- статочной длины подсоедините к колбе отводную трубку с тем, чтобы ее можно было извлекать из газоприемника, не снимая картонной крышки (рис. 64). Когда газоприемник заполнится газом, медленно извлеките отводную трубку, подведите под картон стеклянную крышку, удалите заполненный газоприемник и введите вместо него пустой. Имейте под рукой необходимое число газоприемников, колб и цилиндров. Лишь заполнив их, переходите далее к опытам. По заполнении газом необходимого числа сосудов подсоеди-< ните к колбе перевернутую шариковую воронку, аналогично D рисунка 46, и отведите в раствор оставшийся в колбе газ. 152
Специальная крышка к газоприемникут (Э. Фрэнклэнд, 1872 г.) При собирании газов с помощью метода вертикального вы- теснения воздуха, проводимом непосредственно на лекционном столе, вне вытяжного шкафа, лучше накрывать газоприемники не куском картона, а специальной крышкой (D, рис. 46). Она представляет собой стеклянную крышку с отверстием, в кото- ром находится корковая пробка с проходящими сквозь нее длинной и короткой отводными трубками. Следует пользоваться корковой пробкой, а не резиновой, ибо смазанная вазелином стеклянная трубка через некоторое время резиновой пробкой схватывается столь -плотно, что сдвинуть ее становится невоз- можно. Для того чтобы длинная трубка свободно скользила по отверстию пробки, ее необходимо смазать вазелином. Легкие га- зы следует вводить через короткую отводную трубку, а тяже- лые— через длинную. Стеклянную крышку следует хорошо смазать с тем, чтобы она плотно закрыла газоприемник и сделала его газонепроницаемым, В этом случае избыток газа сможет выйти только через вторую отводную трубку, с помощью которой его можно будет отвести либо в вытяжной шкаф, либо в газовую ловушку. При собирании тяжелого газа трубку D с помощью резино- вого шланга следует подсоединить к препаративной колбе. Шланг должен быть достаточно длинным с тем, чтобы конец трубки D можно было поднять до поверхности пробки. Когда газоприемник заполнится, подымите от водную трубку, сдвиньте специальную крышку с заполненного газоприемника и одновре- менно надвиньте ее на очередной пустой сосуд. С помощью это- го устройства и газовой ловущки Вэра можно прямо на лекци- онном столе, вне вытяжного шкафа, наполнять неприятными газами сосуд за сосудом, не испытывая каких-либо неудобств. Самодельная крышка к газоприемнику. Обычные поступаю- щие в продажу крышки Фрэнклэнда изготавливаются из стекла, толщиной 3 мм. Для того чтобы пробка с уверенностью закрыла отверстие в такой пластинке, она должна пройти сквозь нее и выйти с обратной стороны. Поэтому при смене сосудов обяза- тельно теряется какая-то часть газов. Я пользуюсь крышкой толщиной 1,2 см. В этом случае пробка сидит плотно даже тог- да, когда она располагается заподлицо с нижней поверхностью крышки. Из алебастра можно легко сделать самодельную фрэнклэн- Довскую крышку к газоприемнику. Сделайте квадратную картонную изложницу размером при- мерно 7,5—8,5 см и глубиной 1,5—2,5 см. Для этого вырежьте из углов крышки картонной коробки два квадрата (вместе с 1 См. стр, 545. 153
угловыми бортиками) и склейте их с помощью липкой бумаги. На проходящую сквозь центр дна картонной изложницы канце- лярскую кнопку посадите пробку, аналогичную необходимой для изготовляемой крышки. Внутреннюю часть изложницы и поверх- ность закрепленной в ней пробки смажьте вазелином. Смешайте одну весовую часть цемента с двумя или тремя весовыми частя- ми гипса, смочите смесь водой, перемешайте ее и заполните изложницу полученной массой, хорошо уплотняя ее вокруг проб- ки. Дайте форме день постоять. Хотя к концу этого времени отливка затвердеет, однако она еще будет достаточно мягкой и ее можно будет резать и зачищать. Удалите картонную излож- ницу и, пользуясь в. качестве шаблона картонным диском диамет- ром 8 см, придайте отливке круговую форму. Затем, смачивая основание крышки водой, осторожно шлифуйте ее об идеально плоский камень, пока поверхность основания не станет Совер- шенно гладкой. СВОЙСТВА <паров> соли В заполненный газом сосуд опустите горящую свечу. Свеча гаснет. Определение плотности газа сразу показывает, что этот газ тяжелее воздуха (опыт 387). Его можно провести как в качестве лекционного опыта, так и в качестве лаборатор- ного занятия. Во время заполнения цилиндра обратите внима- ние на пары, стелющиеся по дну сосуда. Опыт 166. Демонстрация высокой растворимости газа Метод 1. Так называемый опыт с фонтаном (Е. Ф. Торуп-Бизаней, 1859—1868 гг.) Большое сродство с водой обладающего большой раствори- мостью газа может быть Рис. 47. Опыт с фонтаном. показано с помощью двух в одинако- вой степени эффектных методов. Наполняют газом большую кол- бу. Пробку колбы надевают на стеклянную трубку. Внешний ко- нец трубки должен быть длиной около 5 см, а внутренний — доста- точно далеко входить в шарообраз- ную часть колбы. Его следует оття- нуть наподобие форсунки.На внеш- ний конец трубки следует надеть резиновый шланг с зажимом. Возьмите сухую колбу емкостью 500—1000 мл и пропускайте в нее в течение 2—3 минут хлористый во- дород, слегка прикрывая отверстие 154
колбы ватой. Медленно извлеките из колбы отводную трубку и вставьте подготовленную пробку с трубкой. Налейте в чашку воду и слегка подкрасьте ее лакмусом. Переверните колбу, опу- стите резиновую трубку в воду и укрепите колбу в этом поло- жении. Можно просто опереть колбу на небольшое кольцо ме- таллического штатива, аналогично рисунку 47. Попросите уче- ника отпустить зажим. Сначала вода медленно подымается по трубке, но, достигнув колбы, она выбрасывается из форсунки с большой силой. Одновременно лакмус изменяет свою окраску. Опыт легко проводится и оставляет неизгладимое впечатление. Редко случается, чтобы студенты забыли об этом наглядном доказательстве растворимости. При 18° С в 1 мл воды раство- ряется 451 мл НС1. Опыт 167. Демонстрация растворимости. Метод 2. (М. Фарадей, 1827 г.) В длинный узкий цилиндр, наполненный ртутью, пропускают хлористый водород. В газ, через ртуть, вводят небольшое коли- чество воды. Газ быстро растворяется, и ртуть стремительно подымается к верхушке трубки. Можно воспользоваться закрытой с одного конца толстостен- ной трубкой с диаметром примерно 1,2 см и длиной около 30—50 см. Однако значительно легче опыт проводится в пря- мом эвдиометре с трехходовым краном, типа изображенного на рисунке 102, или даже просто в‘бюретке со стеклянным краном. Заполните трубку ртутью, заткните ее большим пальцем и установите над сосудом, заполненным ртутью. Пропускайте в трубку хлористый водород, пока он не вытеснит всю ртуть. Ука- зания о методах работы с ртутью приведены на странице 327. Достаньте пипетку с концом, согнутым в виде полукруга. На- сосите в пипетку, примерно до половины, воду, введите конец пипетки под наполненную хлористым водородом трубку и осто- рожно вдуйте в трубку около 1 мл воды (см. рис. 130). Ртуть стремительно подымается к верхушке трубки. При работе с эвдиометром, с трехходовым краном сначала, в соответствии с детальным описанием, приведенным на страни- це 323, впустите через кран газ, а затем поступайте аналогично вышеописанному. Опыт 168. Соединение хлористого водорода с аммиаком (Д. Пристли, 1774 г.) Над сосудом, заполненным сухим аммиаком (получение см. опыт 150), установите перевернутый сосуд, заполнен- ный хлористым водородом. Уберите крышки. Когда белые пары осядут, откройте сосуд и покажите белую соль. 155
Опыт 169. Реакции раствора Покажите, что раствор газа обладает сильно кислой реакцией на лакмус. На отдельные порции раствора подействуйте метал- лами магнием и цинком. К другой порции раствора, находя- щейся в цилиндре, добавьте раствор азотнокислого серебра. Вы- падает белый осадок. Для того чтобы осадок свернулся, взбол- тайте смесь. Образование этого осадка представляет собой спо- соб идентификации хлористого водорода, однако в младших классах объяснять химизм этого процесса не следует. КАЧЕСТВЕННЫЙ СОСТАВ «ПАРОВ» СОЛИ До сих пор кислый газ следует называть «паром» (или «па- рами») соли. Пока состав его не будет установлен с помощью анализа или синтеза, называть его хлористым водородом не следует. Из хлористого водорода свободный хлор может быть выделен с помощью двуокиси марганца, перекиси свинца или свинцового сурика. Выберите сами любой из этих реактивов. Применение двуокиси марганца имеет исторический интерес. Эта реакция также часто используется для препаративного получе- ния хлора. С другой стороны, состав двуокиси марганца уча-* щимся неизвестен и установлен ими быть не может, в то время как анализ окислов свинца является простой и обычной про- цедурой. Опыт можно провести, либо пропуская струю газа над нагретым окислом, аналогично опыту 170, либо более просто, в цилиндре с пробкой, в соответствии с описанием опыта 171. Опыт 170. Получение свободного хлора из «паров» соли Над находящейся в трубке нагреваемой двуокисью марган” ца пропускают струю хлористого водорода. Выделяющийся сво- бодный хлор собирают над соляным раствором. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисунке 48. А — трубка для сжигания, изготовленная из мягкого стекла, дли- ной примерно 22 см, В — приемник (его можно исключить): при- емником может служить небольшая колба Вюрца либо U-образ- ная трубка; С — пневматическая ванна, заполненная насыщенным раствором обычной соли. Пока прибор собирается, насыпьте в чашку несколько граммов двуокиси марганца и нагревайте ее на едва светящемся пламени горелки, с тем чтобы двуокись стала совершенно сухой. Сухой хлористый водород получайте анало- гично опыту 165 (б), однако возьмите колбу поменьше и помести- те в нее 3—4 кусочка каменной соли, величиной с фасоль. Запол- ните сухой двуокисью марганца примерно 8—10 см трубки для сжигания и вставьте по обе стороны двуокиси марганца пробки из асбеста. Очень осторожно нагревайте трубку для сжигания (реакция идет при низкой температуре) и пропускайте сквозь нее равное 156
мерную струю хлористого водорода. Над раствором соли собира- ется зеленый газ. Введите в газ длинную полоску влажной крас- ной лакмусовой бумаги. Бумага немедленно обесцвечивается. Рис. 48. Получение хлора из .паров* соли. Назовите этот газ. Выпустите из сосуда немного газа с тем, что» бы запах его распространился по комнате. Покажите, что соб- равшаяся в приемнике бесцветная жидкость является водой. Опыт 171. Получение свободного хлора из «паров» соли (А. Алесси, 1889 г») Закрывающийся пробкой сосуд заполняют сухим хлористым водородом. Затем в цилиндр вводят двуокись свинца, в резуль- тате чего выделяется свободный хлор. РЬОг + 4НС1 -> РЬС12 + 2НгО + С12 Сосуд открывают под водой или соляным раствором, которые подымаются и заполняют сосуда. Заполните сухим хлористым водородом цилиндр емкостью 100 мл с пробкой или сухую закрывающуюся колбу, изготовлен- ную из белого стекла. Воздух вытесняйте вверх. Извлеките пробку, быстро насыпьте в сосуд десертную ложк> (без «верха») Двуокиси свинца (или больше, смотрите ниже) и немедленно вставьте пробку. (1 г РЬОг реагирует с 400 мл НС1, находящегося при комнатной температуре.) Коричневое твердое вещество стано- вится белым, тем самым показывая, что химическая реакция действительно имеет место. Примерно через 1—2 минуты откройте цилиндр под водой или соляным раствором. Жид- 157
кость заполняет часть цилиндра, и над ней отчетливо виден зеленый хлор. Поставьте цилиндр обычным образом и иссле- дуйте хлор, опуская в него полоску лакмусовой бумаги. ВЫДЕЛЕНИЕ СВОБОДНОГО ВОДОРОДА ИЗ «ПАРОВ* СОЛИ (Гей-Люссак и Тенард, 1809 г.) В лекционных опытах хлористый водород можно разложить с помощью натрия, железа, магния, цинка или алюминия. Раз- ложение с помощью натрия представляет собой наиболее эф- фектную реакцию, однако этот опыт приходится проводить в трубке, изготовленной из твердого стекла, которая по ходу ре- акции всегда разрушается. Тем не менее при проведений этой реакции в младших' классах я предпочитаю пользоваться на- трием, ибо в результате этой реакции синтезируется обычная соль. Опыт этот не труден, однако его следует проделать пред- варительно. Амальгама натрия легко разлагает хлористый во- дород, и при этом не приходится расплачиваться прибором. Гей- Люссак пользовался калием. Исходя из теоретических соображений, из оставшихся метал- лов наиболее подходящим должен был бы быть магний, ибо он наиболее химически активен. В действительности имеется фак- тор, ограничивающий активность магния, а именно — физические свойства его хлорида. Нелетучесть и тугоплавкость хлористого магния (т. пл. 708° С) приводит к тому, что металл покрывается пленкой соли, уменьшающей активную поверхность металла и столь сильно замедляющей реакцию, что даже при использова- нии двух горелок Бунзена требуется полчаса, для того чтобы наполнить водородом один сосуд. Хлористый цинк (т. пл. по различным данным в- пределах 250°—365°С) плавится и улету- чивается с поверхности металла, а хлористый алюминий улету- чивается при 183° С и затем конденсируется на стенках трубки. Эти два металла реагируют с хлористым водородом при уме- ренных температурах; одна и та же трубка может быть ис- пользована многократно. Кроме того, данная реакция иллюстри- рует способ образования важных безводных хлоридов, многие из которых используются в промышленности в качестве катали- заторов. Поэтому при преподавании краткого курса химии в классе, быстро усваивающем материал, я рекомендую прово- дить разложение хлористого водорода либо цинком, либо алю- минием. Опыт 172. Выделение свободного водорода из «паров» соли а) С помощью натрия «Пар» соли пропускают над нагретым натрием: выделяется водород; его собирают и идентифицируют. Этот опыт нетруден, однако он требует навыка. Введите трубку для сжигания между препаративной колбой и пневмати- ке
целой, получение газа ве- Рис. 49. Получение водорода из «паров* соли. поместите в трубку для сжи- концентрированную серную кис- ческой ванной. К концу отводной трубки подсоедините клапан Бунзена. Трубка для сжигания должна быть сделана из твердого стекла хорошего качества. Выберите лучшую из трубок, имею- щихся на складе, в противном случае трубка может лопнуть» как только воспламенится натрий, и вы не успеете собрать не- обходимое количество водорода. Редко случается, чтобы труб- ка осталась после опыта дите либо в небольшой колбе Вюрца (150 — 200 мл), либо в небольшой склянке с пробкой и от- водной трубкой. Для того чтобы над натрием прохо- дила интенсивная струя газа, не вводите в прибор промывную склянку. На- клонив колбу, осторожно опустите в нее 6—7 кус- ков каменной соли, вели- чиной с фасоль. Вырежь- те из куска натрия кубик; очистите его от бензина и гания. Наливайте в склянку лоту, пока она не закроет соль, и нагревайте склянку с по- мощью небольшого пламени. Как только из клапана Бунзена пе- рестанет выходить воздух, а для вытеснения воздуха требуется менее двух минут после начала реакции, поместите над клапа- ном наполненный водой перевернутый газоприемник и начните нагревать натрий. Одновременно должно быть обеспечено по- ступление интенсивной струи хлористого водорода. Вскоре нат- рий воспламеняется, в связи с чем начинается выделение газа из клапана. Когда реакция закончится, извлеките из ванны на- полненный газом сосуд и поднесите к газу пламя. Газ горит, однако углекислый газ при этом не образуется; следовательно, этот газ является .водородом. Так как и натрий и водород яв- ляются элементами, то водород может происходить только из <пара» соли. Если время позволяет, вытесните из трубки для сжигания хлористый водород, извлеките и покажите белое ве- щество. Дайте его попробовать, покажите, что оно растворимо в воде, и идентифицируйте его. Это обычная соль. Внимание! Черное вещество, образующееся в трубке побли- зости от натрия, в основном является кремнием. Метод Макнэйра (Д. С. Макнэйр, 1902 г.). Вместо трубки длиной 23 см для сжигания Макнэйр пользо- вался пробиркой, изготовленной из твердого стекла. Метод его аналогичен выше описанному, а прибор изображен на ри- сунке 49. 1W
Опыт 173. Выделение свободного водорода из «пара» соли б) С помощью амальгамы натоия Возьмите изготовленную из твердого стекла трубку диамет- ром 1,5 см и длиной 45 см. Слегка согните ее в 8 см от каждого конца с тем, чтобы она приобрела \_/ форму. Введите ее меж- ду прибором для получения хлористого водорода и пневматиче- ской ванной. Амальгамируйте 2 г натрия 20 мл ртути, пользуясь методом, детально описанным в опыте 418. Поместите амальгаму в трубку. Желательно воспользоваться клапаном Бунзена, одна- ко с его помощью нельзя отметить момент, когда небольшое коли- чество воздуха вытесняется из трубки, так как реакция идет на холоду. Поэтому, прежде чем подсоединять препаративную кол- бу к трубке с амальгамой, обождите, пока хлористый водород вытеснит из колбы воздух. Поместите над отводной трубкой за- полненный водой перевернутый сосуд, осторожно нагревайте амальгаму, пропускайте над ней слабую струю сухого хлористо- го водорода и покачивайте трубку с тем, чтобы хлористый во- дород мог действовать на новые поверхности. Водород получа- ется легко. Можно также поместить амальгаму в небольшую колбу Вюр- ца (Гейманн, 1876 г.) и пропускать сквозь нее пузырьки хлори- стого водород* Однако при этом необходимо иметь устройство, поддерживающее хлористый водород под достаточным давле- нием, ибо в противном случае он не будет проходить в амаль- гаму. В вышеописанной модификации опыт удается легко. Аргументация. Опыты 171 и 172 показывают, что «пар» соли содержит водород и хлор. Опыт 184 показывает, что «пар» соли может быть получен только из водорода и хлора. Поэтому да- лее можно пользоваться названием «хлористый водород». В дан- ном месте можно с успехом провести определение количествен- ного состава хлористого водорода согласно опытам 416 и 421. Опыт 174. Выделение свободного водорода из «паров» соли (Ф) в) С помощью алюминия В этом опыте образуется безводный хлористый алюминий. Воспользуйтесь прибором, аналогичным использовавшемуся в опыте 172, однако между препаративной колбой и трубкой для сжигания введите промывную склянку с серной кислотой. Сле- дует взять трубку для сжигания, изготовленную из стекла сред- ней твердости. Введите в трубку несколько граммов алюминие- вой фольги. Поместите ее в центре половины трубки, располо- женной ближе к препаративной колбе. Одну асбестовую пробку поместите вблизи пробки, а другую — сразу за фольгой. Таким 160
образом, большая часть трубки остается прозрачной, и учащиеся могут легко видеть сублимирующийся хлористый алюминий. Как и ранее, прежде чем начать нагревание трубки для сжига- ния, вытесните воздух. Поскольку реакция начинается на холоду, прекращение выделения пузырьков газа не слишком очевидно классу; когда весь воздух вытеснится, а это произойдет пример- но через 2 минуты, если размер используемой аппаратуры соот- ветствует вышеописанной, встреча пузырьков с воздухом будет сопровождаться появлением белого дыма. G помощью пламени горелки Бунзена нагревайте трубку в месте нахождения алюми- ния. Выделяется водород. За 5 минут можно легко заполнить сосуд емкостью 300 мл. При желании заполните еще один сосуд. Дайте остыть трубке для сжигания. Постучите по трубке, либо соскребите с ее поверхности снего- подобное вещество — хлористый алюминий — и перенесите его в сухую пробирку. Немедленно закройте ее пробкой. При соответ- ствующем обсуждении экспериментальных результатов младшим классам следует показать хлористый алюминий и отметить, что он является ценным химическим реактивом. Нанесите на хлорид алюминия одну-две капли воды. Происходит реакция, сопро- вождающаяся сильным шипением, и содержимое трубки стано- вится горячим. Опыт 175. Выделение свободного водорода из «пара» соли г) С помощью цинка Воспользуйтесь прибором и методом опыта 174. Безразлич- но, какого вида цинком пользоваться для данной реакции —па- лочками, фольгой, порошком или каким-либо другим, ибо цинк вскоре сплавляется в одну большую глобулу (т. пл. 419°С). Под- вижный расплавленный цинк растекается вдоль трубки. Поэто- му я предпочитаю помещать его в лодочку. Для этой цели очень подходит самодельная никелевая лодочка, описанная К. X. Ха- гопьяном (1934 г.). Хлористый цинк плавится (т. пл. 290°С) и стекает с цинка. Поэтому в течение всего опыта поверхность цин- ка остается блестящей и серебристой. Полный сосуд водорода можно легко собрать примерно за 5 минут. Как и в опыте 174, после окончания обсуждения главного содержания опыта, соскребите хлористый цинк и покажите, сколь энергично он реагирует с водой. Как мыть лодочку. Погрузите лодочку на 1 минуту в разбав- ленный раствор соляной кислоты, скажем 4 н.; в результате цинк разрыхлится и основную часть его затем можно будет легко соскрести старым ножом. Снова погрузите лодочку в кислоту, с тем, чтобы растворился весь оставшийся на лодочке цинк. Если лодочку держать в кислоте слишком долго, то растворится и некоторое количество никеля. 11 Фоулз 161
Опыт 176. Разложение хлористого водорода магнием Этот метод медленный и пользоваться им не рекомендуется, за исключением того случая, когда хотят получить безводный хлористый магний. Воспользуйтесь прибором и методом опы- та 174. В трубку для сжигания введите свернутую в спираль магниевую ленту весом 0,5—1,0 г. Вытесните воздух и нагревайте магний. Металл плавится (т. пл. 633°С) и в течение всего опыта остается серебристо-ярким. Однако, глобулы металла тонут в трудно видимом хлориде, что максимально замедляет выделение водорода, из-за чего за 30 минут едва удается заполнить водоро- дом один сосуд. К несчастью, магний реагирует со стеклом, в ре- зультате чего обычно трубки портятся. ПРЕПАРАТИВНОЕ ПОЛУЧЕНИЕ ХЛОРА Существует ряд удовлетворительных учебных методов Ьолу- чения хлора средней степени чистоты. Поэтому преподаватель должен детально разработать лишь тот из них, которым он со- бирается пользоваться. Возможно, что следующие два способа являются наиболее общими учебными методами: а) Действие соляной кислоты на двуокись марганца — пов* торение оригинального опыта Шееле (1774 г.). б) Действие несколько разбавленной серной кислоты на смесь соли и двуокиси марганца — К. Л. Бертолле (1785 г.). Оба эти метода удовлетворительны, а химизм реакций — простой. Газ можно собирать прямо на лекционном столе вне вытяжного шкафа, при помощи вытеснения воздуха, пользуясь специальной крышкой к газоприемнику и ловушкой, в точном соответствии с описанием получения хлористого водорода, при- веденным в опыте 165. В некоторых опытах лучше собирать хлор над соляным раствором. Поэтому для того чтобы можно было быстро произвести замену, имейте наготове небольшую чашку, заполненную соляным раствором, и соответствующую отводную трубку. Не следует непосредственно на лекционном столе собирать над соляным раствором значительное количество хлора. Наличие в атмосфере комнаты небольших количеств хло- ра не ведет к каким-либо неприятностям, однако если случайно в комнату проникнут большие количества его, следует стол и пол комнаты опрыснуть нашатырным спиртом. Если хлор попал в легкие, то нагрейте в чашке немного нашатырного спирта и подышите его парами. Опыт 177. Получение хлора (К. Шееле, 1774 г.) Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисунке46. Емкость колбы А должна быть около 500 мл; шариковую ворон- ку при желании можно исключить. В промывной склянке В ДОЛЖ- НО
на содержаться вода. При желании получить сухой хлор введите между В и D промывную склянку, содержащую концентрирован- ную серную кислоту. Однако в младших классах без необходимо- сти не следует усложнять прибор. Если вытяжной шкаф или вытяжной колпак расположены удобно, то избыточный газ можно отвести в них; однако более поучительно пользоваться устройством опыта 165 и собирать газ непосредственно на лекционном столе. Поместите в газовую ловушку Е несколько кусочков углекислого аммония, размером с фасоль, и приливайте 4н. раствор NaOH, пока он не закроет углекислый аммоний. Осторожно опустите в препаративную колбу 20—30 г двуокиси марганца (в виде небольших кусочков, ибо с порошком реакция пойдет слишком быстро) и добавьте 80—100 мл концентрированной соляной кислоты. С помощью маленького пламени очень осторожно нагревайте колбу. Как и в случае с хлористым водородом, необходимое число сосудов можно заполнить до начала опытов, однако в данном случае это не столь обязательно, ибо газ выделяется равномерно и опасность обратного всасывания маловероятна. Шлифованные поверхности крышек и газоприемников смажьте вазелином. В этом случае неизрасходованный хлор будет сохранен в газо- приемниках в течение многих недель и сможет быть при необ- ходимости использован, чтю сэкономит время, необходимое для сборки прибора. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ МЕТОД Опыт 178. Получение хлора (К. Л. Бертолле, 1785 г.) При действии концентрированной серной кислоты на смесь поваренной соли с двуокисью марганца бурно выделяется хлор. Экспериментально показано, что если кислота несколько разведена водой, то газ выделяется более равномерно. Были ре- комендованы различные разведения, например отношения объ- емов кислоты: вода — 2:1; 11:8; 3:1. Каждое из этих соотно- шений обеспечивает выделение равномерной струи газа, но при несколько различных температурах. Для этого опыта необходи- мо заранее запасти как определенное количество соответствую- щим образом разбавленной кислоты, так и смеси двуокиси мар- ганца и соли. На каждые 130 г соли возьмите по 100 г пиролюзита. Получа- емый по этому методу газ пригоден для большинства лекционных опытов, однако следует помнить, что в большинстве случаев по- ступающая в продажу двуокись марганца содержит карбонат, в чем можно убедиться, действуя на нее разбавленным раствором серной кислоты. В случаях, когда требуется чистый хлор, его сле- дует получать по методу опыта 390.
Воспользуйтесь прибором, аналогичным изображенному на ри- сунке 46, но исключите шариковую воронку. В колбу Л помести- те 100 г твердой смеси. После того как все подготовлено, налейте в колбу 200 мл охлажденного разбавленного раствора кислоты (скажем И объемов кислоты на 8 объемов воды). Для того что- бы далее твердая смесь не спеклась, в течение минуты взбалты- вайте жидкость круговыми движениями, с тем чтобы она опусти- лась на дно. Как и прежде, в промывную склянку В налейте не- много воды. Медленное выделение газа имеет место и без нагревания. При желании получить более быструю струю газа следует нагревать колбу с помощью маленького пламени. Далее поступайте аналогично предыдущему опыту. ХИМИЯ ПРЕПАРАТИВНОГО МЕТОДА ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРА (ФЗ Этот дополнительный материал в младших классах излагать не следует; смотрите замечание на странице 44. Опыт 179. Образование и разложение хлористого марганца В маленькую колбу поместите чайную ложку так называе- мой гранулированной двуокиси марганца (кусочки величиной с половину фасоли; не пользуйтесь порошком, ибо его реакцион- ная способность слишком велика) и добавьте около 50 мл кон- центрированной соляной кислоты. В течение одной минуты жид- кость становится мутной и темной. Слейте мутную жидкость в другую колбу. Покажите, что если 10 мл темной мутной жидко- сти развести до 50 мл, то она превратится в светло-коричневый прозрачный раствор. Нагревайте колбу с оставшейся частью не- разбавленной мутной жидкости. Выделяется большое количество газа. Введите в газ полоску влажной лакмусовой бумажки и покажите, что этот газ — хлор. Темная окраска разрушается хлором, и остается бесцветная жидкость (или слегка зеленова- тая, из-за наличия железа). Нейтрализуйте светлую жидкость, для чего лучше всего добавляйте небольшими порциями безвод- ную соду. Пользуясь какой-либо из известных учащимся реак- ций, исследуйте жидкость на наличие марганца. Становится очевидным, что прозрачная жидкость является раствором хло- ристого марганца, а, следовательно, темная жидкость должна поэтому быть высшим хлоридом марганца МпСЦ или МпОз. Следовательно, механизм реакции, вероятно, состоит в образо- вании четыреххлористого марганца и его последующем разложе- нии при нагревании жидкости. МпОг + 4НС1 = MnCU + 2Н2О MnCk = MnCh + Cl2 164
Эти промежуточные реакции были бы достаточны для объяс- нения механизма образования хлора как по методу Бертолле, так и по методу Шееле, если бы не результат нижеследующего опыта. Опыт 180. Действие серной кислоты на двуокись марганца В небольшую колбу насыпьте чайную ложку порошкообраз- ной двуокиси марганца, добавьте несколько миллилитров кон- центрированной серной кислоты и осторожно нагревайте смесь в течение 2—3 минут. Введите в колбу тлеющую лучинку. Лу- чина вспыхивает, обнаруживая присутствие кислорода. Во из- бежание неудачи, всегда вводите в колбу лучину лишь через 1—2 минуты после начала выделения газа. Действительно, из-за присутствующего в двуокиси марганца карбоната вначале-всег- да выделяется углекислый газ. Далее, тлеющая лучина вспых- нет только тогда, когда в атмосфере будет содержаться более 40% кислорода. Ясно, что при взаимодействии серной кислоты с твердыми составными частями образуются кислород и хлористый водород. Однако действительным продуктом реакции является только хлор. Отсюда следует, что образующийся свободный кислород с помощью выделяющейся при реакции энергии должен окислять хлористый водород. Это исследование очень интересно, ибо оно показывает, что при химических реакциях одни и те же конеч- ные продукты могут быть получены различными путями. СВОЙСТВА ХЛОРА Опыт 181. Растворимость хлора Цвет и запах воды, через которую пропускают хлор, делают очевидным его растворимость в воде. При желании раствори- мость хлора можно показать прямо, действуя следующим обра- зом. Наполните хлором 100-миллилитровый цилиндр. Налейте в цилиндр 20 мл воды и взбалтывайте содержимое цилиндра в течение минуты. Установите цилиндр на фоне белого экрана и обратите внимание на цвет водной фазы. Вылейте раствор в от- крытый сосуд и погрузите в жидкость полоску лакмусовой бумаги. Для того чтобы показать растворимость хлора в растворе едкого натра и йодистого калия, пропускайте хлор в наполненную соля- ным раствором бюретку, перевернутую над наполненным соля- ным раствором сосудом. Вместо бюретки можно взять закрытую с одного конца стеклянную трубку диаметром 1,2 см и длиной 30 см. Опустите наполненную хлором трубку в сосуд, содержащий один из упомянутых растворов. Жидкость подымается и запол- няет трубку. Сам процесс заполнения хлором сосудов говорит о том, что хлор — тяжелый газ. Значение плотности хлора мож- но определить с помощью опытов 388, 390. 165
Опыт 182. Обесцвечивание с помощью хлорной воды (К. Л. Бертолле, 1789 г.) Обесцвечивающее действие лучше всего демонстрировать с помощью разбавленной хлорной воды. В несколько небольших цилиндров или газоприемников налейте различные растворы: индиго, красные чернила, черные чернила, раствор лакмуса, вы- тяжку окрашенных лепестков и т. д. В каждый сосуд налейте по нескольку миллилитров хлорной воды. Некоторые красители обесцвечиваются медленно, а остальные — быстро. На куске га- зеты напишите что-нибудь обычными чернилами и опустите ее в сосуд, содержащий хлорную воду. Обесцвечиваются только слова, написанные чернилами. Опыт 183. Сухой хлор не обесцвечивает За несколько часов до начала урока в наполненный хлором сосуд налейте около 20 мл концентрированной серной кислоты и закройте сосуд хорошо смазанной крышкой. Прикрепите к стек- лянной палочке кусок яркой ткани и водой напишите на этой тка- ни какую-нибудь букву. Не берите воды больше, чем ее надо для написания буквы и не увлажняйте зря материю. Снимите крышку и быстро введите ткань в сосуд. Ткань обесцвечивается только на увлажненном месте, и таким образом становится видной напи- санная водой буква. Достаточно успевающему классу следует далее рассказать о широком использовании хлора в промышленности в качестве обесцвечивающего агента. Получение белильной извести описа- но в опыте 344. ЬодйрСЭ Рис. 50. Синтез хлористого во- дорода. Опыт 184. Синтез хлористого водорода а) Переверните заполненный хлором сосуд и установите его над сосудом, заполненным врдородом. Опыт этот не следует проводить на ярком солнечном свету. Удалите крышки. Становится видным, как хлор «падает» в во- дород. Для того, чтобы газы перемешались не- сколько раз, переверните сосуды. Затем за-* кройте каждый сосуд. Воспламените содержи- мое сосуда, предварительно полностью убрав крышку. Раздается сильный взрыв, и образу- ются пары хлористого водорода. б) Е. Ф. Горуп-Бизаней, 1859—1868 гг. Вос- пользуйтесь аппаратом Киппа, либо каким- нибудь иным из устройств, описанных на стра- нице 60, и, соблюдая указанные предосторож- ности, зажгите выходящий из кварцевой фор- сунки водород. Отрегулируйте пламя с тем, 166
чтобы длина его была около 6 мм (рис. 50). Опустите пламя 8 заполненный хлором сосуд. Из сосуда подыма- ются пары хлористого водорода. Идентифицируйте эти па- ры, для чего подуйте на них и введите в них полоску влажной синей лакмусовой бумаги. Воспользуйтесь длинной полоской, скажем, 15X2,5 см, с тем чтобы реакция была видна всему классу. Опыт 185. Реакция с фосфором Поместите в ложку для сжигания кусочек сухого фосфора, величиной с горошину, и опустите ложку в заполненный хлором сосуд. Фосфор самовоспламеняется и горит слабым зеленоватым пламенем. Так как в данном случае оба реагирующие вещества являются элементами, то оседающее на стенках сосуда желто- ватое вещество может быть только хлористым фосфором. Опыты гр. 186. Хлор энергично реагирует с металлами а) Хлор и сурьма, (или мышьяк) В кусочек муслина заверните немного тонко измельченной порошкообразной сурьмы. Потрясите мешочек с сурьмой над наполненным хлором сосудом с тем, чтобы мельчайшие частич- ки сурьмы упали в сосуд. Частички сурьмы, попадая в хлор, воспламеняются и сгорают ярким пламенем. Внимание! В больших количествах пары металла ядовиты и поэтому (что может случиться, если опыт проводится вне вы- тяжного шкафа) не следует их напрасно вдыхать. Конечно, этот опыт лучше проводить в вытяжном шкафу. б) Хлор и медь Для этого опыта следует взять голландский металл (имита- ция золотых листочков CuZn). В небольшую банку или сосуд (без бортиков) с горлышком такого же диаметра, как и у газо- приемника, поместите 2—3 листочка металла. Установите на- полненный хлором сосуд над банкой. Тяжелый хлор опускается на листочки, которые воспламеняются и горят тусклым пла- менем. в) Хлор и магний (О. Оманн, 1920 г.) Привяжите связку магниевой проволоки к железному стерж- ню, посыпьте магний порошкообразной сурьмой и опустите его в наполненный хлором сосуд. Воспламеняющаяся сурьма зажи- гает магний, который горит очень бурно. Снегоподобный лету-» чий хлористый магний покрывает стенки сосуда. 167
г) Хлор и ртуть (К. Д. Вудвард, 1895 г.) В заполненный хлором цилиндр с пробкой налейте 2—3 мл ртути и взболтайте содержимое цилиндра. Стенки цилиндра по- крываются сплошной пленкой ртути, как будто бы они изнутри посеребрились. Поставьте цилиндр на виду у класса и попроси- те учащихся наблюдать за ним. Вскоре серебристая пленка исчезает, поглощаемая белыми пятнами образующейся хлори- стой ртути. д) Хлор и натрий (К. Гейманн, 1876 г.) В связи с его теоретической важностью желательно провести этот синтез в виде специального опыта и не пытаться проводить его в газоприемнике. Натрий воспламеняется в быстрой струе хлора. Воспользуйтесь отрезком трубки для сжигания, изготов- ленной из высококачественного твердого стекла. Соедините труб- ку для сжигания с небольшой широкогорлой колбой Вк}рца, в данном случае служащей приемником. Для этого введите трубку поглубже в горлышко колбы. Избыток хлора будет выходить из бокового отростка колбы Вюрца и может быть далее отведен либо в вытяжной шкаф, либо в ловушку. Осушите кусочек на-« трия, величиной с половинку фасоли, поместите его в трубку, соедините трубку с прибором, служащим для получения хлора, и в течение нескольких минут пропускайте газ с тем, чтобы вы- теснить воздух. Натрий покрывается корочкой хлорида, предо- храняющего его от дальнейшей реакции. Сильно нагрейте на-» трий и пропустите быструю струю хлора. Натрий воспламеняет- ся и горит исключительно интенсивным желтым пламенем. Хлористый натрий переносится избыточным хлором и отлагает- ся в холодном приемнике. Так как в закрытой системе содер- жатся только хлор и натрий, то белое вещество должно быть хлористым натрием. Отсоедините прибор для получения хлора и с помощью ручных мехов вытесните током воздуха избыток хлора. Покажите, что белое вещество растворяется в воде и об- ладает вкусом обычной соли. Опыт 187. Горение свечи в хлоре Согните конец железной проволоки в виде полукруга и при- вяжите к нему кусок свечи. Зажгите свечу и опустите ее в за- полненный хлором сосуд. Свеча горит красным пламенем. Осе- дает сажа. Появляются пары; их легко идентифицировать: это — хлористый водород. Накапливаясь, пары гасят йламя. Свеча снова загорается, если ее опускают под слой паров в атмосферу непрореагировавшего хлора. При желании можно подробно ра- зобрать результаты опыта. Очевидно, что в состав вещества све* чи входит углерод и водород. 168
Опыт 188. Скипидар и хлор (Ф, Аккум, 1817 г. Модификация) Нагрейте в чашке немного скипидара, погрузите в него связ- ку стеклянной ваты, отожмите стеклянную вату и опустите ее в заполненный хлором сосуд. Не закрывайте сосуд. Скипидар за- горается. Появляются белые пары, и выделяется углерод. Иден- тифицируйте пары. Это — хлористый водород. Часто при прове- дении этого опыта скипидаром смачивают не стеклянную вату, а промокательную бумагу. Однако в этом случае исчезает нагляд- ность того, что горит именно скипидар. ДЕЙСТВИЕ ХЛОРА НА ВОДУ (К. Л. Бертолле, 1785 г.) Предыдущие опыты показывают, что хлор энергично реаги- рует с целым рядом элементов и соединений, в особенности с теми соединениями, в состав которых входит водород. Возникает вопрос: может ли хлор реагировать с водородом, входящим в состав воды? Очевидно, что при обычных условиях эта реакция не происходит, ибо в противном случае не могла бы существо- вать хорошо известная хлорная вода. Однако если воду поме- стить в условия, при которых связь между элементами ослабля- ется, то хлор с успехом реагирует с водой. Опыт 189. Разложение хлорной воды солнечным светом Возьмите длинную стеклянную трубку диаметром 1,5 см и длиной 50—75 см, закройте ее с одного конца, наполните хлор- ной водой и опустите открытым концом в соляной раствор. По- ставьте прибор на яркий прямой солнечный свет. В верхней ча- сти трубки собираются пузырьки бесцветного газа. На ярком солнечном свету достаточное для идентификации количество га- за образуется за несколько часов. Переверните трубку и введи- те в газ тлеющую лучину. Лучина воспламеняется. Опыт 190. Разложение перегретого пара хлором (К. Гейманн, 1876 г.) Через нагретую до красного каления трубку пропускают смесь хлора и пара. Выходящий из трубки газ пропускают через ра- створ едкого натра и собирают. Демонстрируют, что этот газ является кислородом. Не обязательно нагревать трубку в настольной печи. Реак- цию можно провести легко и быстро при простом нагреве пла- менем горелки достаточно узкой кварцевой трубки. Соберите прибор, аналогичный изображенному на рисунке 51. В изобра- женном на рисунке приборе хлор получают при действии (по 169
каплям) концентрированной соляной кислоты на двуокись мар- ганца (ем. стр. 343). Однако с тем же успехом для данного опы- та может подойти и любой другой удобный метод получения хлора. Введите в прибор промывную склянку, содержащую сер- ную кислоту. Хотя ее наличие и не обязательно, однако оно даст Рис. 51. Разложение пара хлором. возможность подсчитывать число пузырьков хлора (см. стр. 148)'. Налейте в ванну разбавленный раствор едкого натра и подго- товьте наполненный аналогичным раствором газоприемник. D — представляет собой кварцевую трубку диаметром 2—3 мм и длиной 20 см, подсоединенную с помощью резиновых шлангов с одной стороны к колбе, служащей для получения пара, а с дру- гой — к отводной трубке. При желании можно воспользоваться корковыми пробками. Однако использование резины позволяет собрать прибор более быстро. Трубку, через которую хлор посту- пает в колбу, где образуется пар, не следует погружать в кипящую воду, ибо это может привести к засасыванию воды в препаратив- ную колбу. Когда все будет подготовлено, отсоедините резиновый шланг С, соединяющий промывную склянку и колбу. Нагрейте содержащуюся в колбе воду до кипения, тем самым параллельно вытесняя воздух из кварцевой трубки. Тем временем приступите к получению хлора, вводя, однако, в препаративную колбу не бо- лее 1 мл кислоты. Как только зеленая окраска хлора покажет, что он заполнил препаративную колбу и промывную склянку (на это требуется менее 2 минут), немедленно прекратите нагрев во- ды и подсоедините промывную склянку к колбе. С помощью сильного пламени горелки нагрейте центральную часть трубки D и введите в ванну наполненный раствором едкого натра газопри* емник. Примерно через одну минуту в газоприемнике Е начинает собираться газ. Заполните газом примерно одну треть или поло-* 170
вину газоприемника и исследуйте его с помощью тлеющей лучи- ны. Становится ясным, что этот газ — кислород. Объяснение опыта. В младших классах я объясняю реакцию следующим образом: хлор обладает большим сродством с во- дородом, но, очевидно, что сродство с водородом кислорода так- же велико. При обычных условиях хлор не может оторвать водо- род от кислорода. Нагревание приводит к разложению многих со- единений, и, хотя при температуре красного каления вода не разлагается, при этом, вероятно, прочность связи между кисло-» родом и водородом ослабляется. Вследствие этого хлор оказы- вается способным действовать на молекулы воды с ослабленной связью между водородом и кислородом, в результате чего обра- зуется хлористый водород. Из этого следует, что при использу* емых условиях хлористый водород является более прочным со- единением, чем вода. Более того, этот опыт открывает способ- ность солнечных лучей вызывать химические реакции. Содержа- щаяся в солнечных лучах энергия разлагает хлорную воду на холоду. Для осуществления подобной же реакции требуется на* гревание до красного каления. Другие реакции хлора: Реакция хлора с сероводородом опи- сана в опыте 238; с йодистым водородом — в опыте 328; с нега- шеной известью — в опыте 112; с гашеной известью — в опыте 344; с этиленом — в опыте 137. АЗОТНАЯ КИСЛОТА И ПРОДУКТЫ ЕЕ РАЗЛОЖЕНИЯ Опыт 191. Получение азотной кислоты из селитры (Д. Р. Глаубер, 1648 г.; М. Фарадей, 1827 г.) На селитру действуют избыточным количеством серной кис* лоты. Образующуюся при реакции обмена азотную кислоту от- гоняют. Лучше, если азотная кислота будет получена самими уча- щимися в лаборатории. Однако если этот опыт потребуется провести в качестве лекционного, поступите следующим об- разом. В реторту с пробкой поместите 40 г селитры (можно восполь- зоваться также и азотнокислым натрием) и с помощью шарико- вой воронки с короткой трубкой введите в реторту 30 мл кон- центрированной серной кислоты. Закройте реторту стеклянной пробкой и соберите прибор в соответствии с рисунком 52. Обра- тите внимание на отсутствие пробок и резиновых шлангов. Осто- рожно нагревайте реторту. Вскоре жидкость закипает, реторта заполняется коричневыми парами, а в приемнике собирается жел- тая жидкость. В младших классах излагать химический смысл реакции не следует. Конечно, образование коричневых паров яв- ляется следствием неустойчивости образующейся в первой фазе реакции 100-процентной азотной кислоты, частичное разложение 171
которой приводит к образованию кипящей при определенной тем- пературе более стабильной смеси, содержащей 98,6% HNO3. В младших классах достаточно напомнить, что азотная кислота полностью разлагается при температуре красного каления (опыт 31), почему при используемых умеренных температурах можно ожидать ее частичного разложения. Когда жидкость пере- станет кипеть, удалите пламя. Этот момент заметить очень легко, ибо азотная кислота кипит при 86° С, а серная (98-процентная) — при 338°С. Помните, что полученный продукт (около 16 мл) представляет собой азотную кислоту хорошего качества, а имен- но 98,6-процентную кислоту удельного веса 1,51. Ее следует хра- нить в банке со стеклянной пробкой и приберечь для специальных опытов. Обычная поступающая в продажу азотная кислота (d= 1,42) кипит при 120,5°С и состоит из 68%'НМОзи32% воды. Желательно вылить из реторты кислый сернокислый калий, пока он еще расплавлен, ибо при затвердевании его реторта может лопнуть. Сливая расплавленную соль, не держите реторту вы- соко над водой. Возьмите реторту рукой за тубус и вылейте со- держащуюся в ней жидкость (через тубус) в сухой глиняный лоток. СВОЙСТВА АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ Опыт 192. Разъедающая способность кислоты С помощью стеклянной палочки нанесите на полоску синей лакмусовой бумаги каплю кислоты (del,5). Сначала бумажка краснеет, но вскоре изменяется и превращается в желтое соеди- нение— бумага разлагается. 172
Налейте на тарелку несколько капель кислоты и погрузите в кислоту кончик птичьего белого пера. Смоченная кислотой часть пера становится желтой. Возьмите цветок за стебель и по- грузите его лепестками в кислоту. Аналогичные опыты проведи- те с пробкой, посаженной на стеклянную палочку, куском шер- сти или куском окрашенной ткани. Кислота разъедает все пере-» численные предметы и окрашивает их в желтый цвет. Нанесите небольшую капельку кислоты на ноготь пальца — образуется желтое соединение. Если имеется в наличии кусочек золота (18 каратов или бо- лее), поместите его в налитую в цилиндр кислоту — никакой ре- акции не происходит. Покажите, что платина столь же инертна по отношению к азотной кислоте. В другой цилиндр положите кусочек латуни и добавьте к ней несколько капель кисло- ты. Происходит бурная реакция, и интенсивно выделяются коричневые пары. Как только пары достигнут верхушки ци- линдра, закройте цилиндр и перенесите его в вытяжной шкаф. Учащиеся должны приготовить в лаборатории уже извести ные соли азотной кислоты — например азотнокислые аммоний, кальций, медь, свинец, калий, натрий. РАЗЛОЖЕНИЕ АЗОТНОЙ КИСЛОТЫ ПРИ НАГРЕВАНИИ Термическое разложение азотной кислоты показывает, что одними из соединений, входящих в состав азотной кислоты, яв- ляются кислород и коричневый газ. Термическое разложение азотной кислоты лучше всего проводить в длинной глиняной ку- рительной трубке. Этот опыт уже был описан ранее (опыт 31). В данный момент его неплохо повторить. После того как будет собран и идентифицирован кислород, удалите пневматическую ванну и дайте учащимся понаблюдать за выходящим из мунд- штука коричневым газом. Очевидно, что прежде коричневый газ был невидим вследствие того, что он растворялся в воде. Объясните классу, что разложение кислоты вызывается сообще- нием ей добавочной энергии. В данном случае кислота получила тепловую энергию. Иные формы энергии будут вызывать анало- гичное разложение. Поскольку эта кислота столь легко отдает кислород, она должна вести себя как окислитель. Следователь- но, восстановители (за счет энергии химической реакции) будут соединяться с кислородом азотной кислоты и таким образом вызывать распад ее молекулы. В результате этого распада бу-» дет выделяться коричневый газ. Поэтому выделение при реак- ции с азотной кислотой коричневого газа — «поднятие красно- коричневого флага» — всегда является свидетельством того, что кислота отдает кислород восстановителю. 173
Опыт 193. Энергичное окисление скипидара (Д. Г. Валтон, 1931 г.) Поместите в газоприемник стеклянную вату и как следует утрамбуйте ее. Следует взять количество ваты, достаточное для образования подушки, толщиной 5—8 см. Заранее налейте в две небольшие колбы или пробирки соответственно 5 мл скипидара и 2 мл дымящей азотной кислоты. Нагрейте скипидар до 50—60° С и вылейте его на подушку, после чего добавьте азотную кислоту- Поднимается интенсивная струя коричневых паров, и через 2— 3 секунды (а потому будьте наготове) масса почти со взрывом воспламеняется. Опыт 194. Энергичное окисление угля (Г. Хип. Личное сообщение) Налейте на часовое стекло азотную кислоту (d^l,5). До-* троньтесь до поверхности кислоты тлеющей кедровой лучиной (для того, чтобы масса раскаленного докрасна угля была по- больше, лучше взять плотно связанные 3—4 лучины). Лучина воспламеняется, а над поверхностью кислоты подымаются кори- чневые пары. Этот опыт надо проводить на фоне какого-нибудь белого предмета. (Описанный метод столь прост и настолько превосходит методы, приведенные в первом издании, что я ре- шил последние опустить.) Опыт 195. Получение водорода из азотной кислоты При действии металлов на серную и соляную кислоты сред- них концентраций выделяется водород. Будет обнаружено, что действие металлов на азотную кислоту средней концентрации приводит к выделению не водорода, а бесцветного газа, превра- щающегося на воздухе в коричневый. Однако водород может быть получен действием магния на очень разбавленный раствор азотной кислоты. Возьмите 200-миллилитровую колбу, подберите к ней проб- ку и наденьте пробку на отводную трубку, соединенную с пнев- матической ванной. Аналогично рисунку 77 укрепите колбу та- ким образом, чтобы ее можно было нагревать. Смешайте 10 мл азотной кислоты (d=l,42) с 250 мл воды. Этой смесью довер- ху заполните колбу. Насосите в отводную трубку воду с тем, чтобы она заполнилась водой доверху, и попросите ассистента поместить* в колбу несколько граммов магниевой ленты, после чего вставьте в колбу пробку. Нагревайте колбу и собирайте выделяющийся газ. Покажите, что этот газ обладает свойства- ми водорода. Однако из данного опыта не следует делать выво- да, что азотная кислота содержит водород. Такой вывод будет ненаучным, так как известно, что магний, до тех пор пока на 174
его поверхности не образуется защитная пленка, разлагает го* рячую воду. Необходимые доказательства могут быть получе- ны при помощи следующего опыта. Опыт 196. Выявление водорода, содержащегося в азотной кислоте (Ф.) В небольшую сухую колбу поместите несколько граммов обычной соли, измельченной в тонкий порошок. Увлажните соль несколькими каплями азотной кислоты (d=l,5). Выделяется газ, обладающий кислыми свойствами, который дымит, если на него подуть, и дает белый осадок при введении в него стеклянной палочки, смоченной раствором азотнокислого серебра. Отсюда следует, что выделяющийся газ обладает свойствами хлористого водорода, а так как в-состав соли входит лишь натрий и хлор, то это значит, что водород должен происходить из азотной ки- слоты. Ни этот опыт, ни предыдущий с полной убедительностью не доказывают, что в состав азотной кислоты входит водород. Когда в разрешении проблемы возникает такого рода трудность, мы подходим к решению ее различными путями и делаем за- ключение из суммы накоп- ленных фактов. В описываемом далее опыте при попытке синтези- ровать азотную кислоту бу- дет использован водород. Опыт 197. Азот является составной частью азотной кислоты (А. Джоли и Р. Леспие, 1904 г.) Смесь паров азотной кис- лоты и водорода пропускают над нагретой платиной. Об- разуется аммиак. Входящий в его состав азот может про- исходить только из азотной кислоты. Соберите прибор, анало- гичный изображенному на рисунке 53. Заполните ко- лонку почти доверху стек- лянными бусинками; в ша- Рис. 53. Восстановление азотной кислоты до аммиака. риковую капельную воронку налейте дымящую азотную кисло- ту. Возьмите трубку для сжигания, изготовленную из мягкого стекла, и введите в трубку платинированный асбест с тем, что-
бы он образовал рыхлую пробку длиной 5 см (см. ниже). Под- соедините колонку к аппарату, служащему для получения су- хого водорода. Струей водорода вытесните из прибора воздух и введите в колонку несколько миллилитров азотной кислоты с тем, чтобы бусинки увлажнились. Очень осторожно нагревай- те трубку (помните, что аммиак разлагается при 500° С) и вве- дите в струю выходящего из трубки газа влажную полоску красной лакмусовой бумажки. Аммиак образуется очень легко. Введите в струю выходящего газа стеклянную палочку, смочен- ную раствором соляной кислоты. Пользуясь небольшими меха- ми, направьте струю газа по направлению к учащимся. ПРИГОТОВЛЕНИЕ ПЛАТИНИРОВАННОГО АСБЕСТА Возьмите тигельными щипцами пучок асбестовых нитей дли- ной, скажем, 25 мм и диаметром 12 мм и, пользуясь небольшой пипеткой, смочите несколькими каплями раствора хлористой пла- тины. Нагревайте асбест в пламени горелки Бунзена. Соль разла- гается, и платина наподобие черной краски покрывает асбест. Продолжайте нагревание до тех пор, пока не прекратится вы< деление паров и асбест не раскалится добела. Извлеките асбест из пламени и немедленно введите его в трубку для сжигания. Для обычного опыта достаточно двух пучков упомянутого раз-* мера. К сожалению, платинированным асбестом можно пользо- ваться не более двух раз, ибо в результате длительного нагре- вания асбест становится хрупким и превращается в порошок. Однако это в определенной степени и полезно, так как необхо- димость готовить его для каждого опыта представляет классу возможность наблюдать за процессом, основанным на легком разложении солей металлов, расположенных в конце электро- химического ряда напряжений. Замечание. Проведение синтеза азотной кислоты следует от- ложить до тех пор, пока не будут изучены окислы азота. Если изучение ведется в форме научного исследования по путям, ре- комендованным в приложении 1, то вначале действительное на- звание и состав окислов азота приводить не следует. До сих пор в ходе изучения азотной кислоты выявились два новых газа — окись азота, которую пока следует называть бесцветным газом, получаемым из азотной кислоты, и коричневый газ — двуокись азота, образовывавшийся при нескольких реакциях. Опыт 198. Получение бесцветного газа (окиси азота) (В этом параграфе название «окись азота» используется для краткости)-. Этот газ образуется при взаимодействии меди с умеренно разбавленным раствором азотной кислоты. Возьмите колбу, шариковую воронку, отводную трубку и 176
пневматическую ванну и соберите прибор для получения газа, аналогичный изображенному на рисунке 10. Некоторое количе- ство азотной кислоты (d=l,42) разбавьте равным объемом во- ды. Осторожно насыпьте в колбу 20—30 г меди (в виде кусочков либо стружек). Вставьте пробку. Проследите за тем, чтобы конец воронки почти касался дна колбы. Добавляйте в колбу кислоту, пока она не закроет кончик шариковой воронки. Вскоре начинает выделяться газ и в ^олбе появляются коричневые пары. Не сле- дует давать никакого объяснения этого явления до тех пор, по- ка не будет изучена реакция окиси азота с воздухом. Тем не ме- нее Первый сосуд с собранным газом отбросьте. Хорошо известно, что в получаемой по данному методу окиси азота всегда содержатся некоторые количества закиси азота и азота. Окись азота, растворяясь в растворе азотнокислой меди, улавливается и восстанавливается медью до закиси азота. Поэтому, если после того, как будет собрано 6 сосудов с окисью азота, потребуется дополнительное количество газа, не- обходимо слить раствор азотнокислой меди и начать опыт снова. Я нашел, что чистый газ гораздо легче получить по методу Тие- ле (опыт 381). Опыт 199. Взаимосвязь между коричневым газом и окисью азота Соберите прибор, аналогичный использовавшемуся в преды- дущем опыте для получения окиси азота. В препаративную кол-* бу не добавляйте ничего, кроме количества воды, достаточного для того, чтобы закрыть кончик шариковой воронки. Над отвод- ной трубкой установите банку или цилиндр, наполовину запол- ненный окисью азота. Введите в колбу несколько миллилитров воды с тем, чтобы соответствующий объем воздуха вытеснился из колбы в цилиндр, содержащий окись азота. Внутри цилиндра появляется коричневый газ, который вскоре растворяется в во- де. Введите в цилиндр еще несколько миллилитров воздуха и продолжайте эту процедуру до тех пор, пока не прекратится образование коричневых паров. При использовании цилиндра с пробкой коричневый газ проще всего удалять простым взбалтыванием содержимого цилиндра. Более того, если препо* даватель знает объем взятой окиси азота, то можно заранее взять требуемое для реакции количество воды. Исследуйте оставшийся газ и покажите, что он является азо- том. Отсюда следует, что кислород и окись азота были удалены из цилиндра с помощью химической реакции, при которой, оче- видно, имело место их соединение, в результате которого обра- зовался растворимый в воде коричневый газ. Повторите опыт, однако вместо колбы с воздухом возьмите заполненный кислородом аспиратор. При осторожном добавлен нии кислорода содержащийся в цилиндре газ полностью исче* 12 Фоу« 177
зает. Таким образом подтверждается, что в данном случае дей- ствительно имеет место реакция соединения с кислородом. Расскажите о попытках Пристли (1772 г.) провести анализ воздуха при помощи этой реакции. Опыт 200. Образование нитрозила сернокислого двувалентного железа FeSO4 • NO Конечно, в младших классах, где учащиеся называют еще окись азота «бесцветным газом, получающимся из азотной кис- лоты», этим названием пользоваться не следует. Налейте в стакан 20 мл разбавленного раствора соляной кис- лоты и растворите в нем несколько граммов сернокислого двува- лентного железа. Быстро перелейте раствор в циАиндр с проб- кой, предварительно заполненный окисью азота. В течение не- скольких секунд взбалтывайте содержимое цилиндра. Образует- ся темно-коричневая жидкость. Перелейте темную жидкость в небольшую склянку. Склянку следует заполнить доверху; если жидкости не хватает, заполните оставшуюся часть склянки во- дой. Подберите к склянке пробку, наденьте пробку на отводную трубку, заполните, отводную трубку водой и вставьте пробку в колбу. Нагревайте склянку и собирайте выделяющийся газ в небольшую пробирку. К раствору возвращается его исходная обычная зеленая окраска. Исследование показывает, что выде- ляющийся газ является окисью азота. Поэтому темноокрашен- ная жидкость либо является соединением окиси азота с солью двувалентного железа, либо является раствором этого соедине- ния. Образование этой жидкости используется в качестве мето- да идентификации окиси азота. Опыт 201. Объяснение реакции образования коричневого кольца (Ф) При реакции холодной концентрированной азотной кислоты и горячей разбавленной азотной кислоты с сернокислым двува- лентным железом образуется окрашенное в темный цвет неста- б