Опыты без взрывов

      Вымойте стакан и проведите опыт еще трижды; раствор тиосульфата наливайте в стакан до третьей (37,5), второй (25) и первой (12,5 мл) меток, доливая каждый раз воду до верхнего деления. Количество кислоты во всех опытах остается постоянным, и общий объем реагирующей смеси всегда равен 100 мл.
      Теперь начертите график: как зависит скорость реакции от концентрации тиосульфата. Концентрацию удобно выразить в произвольных единицах: 1, 2, 3 и 4. Отложите их на оси абсцисс. Но как подсчитать скорость реакции?
      Точно это сделать нельзя хотя бы потому, что момент помутнения мы определяем на глаз, в известной мере субъективно. К тому же помутнение показывает только, что мельчайшие частицы серы, которые выделяются в ходе реакции, достигли такого размера, что их можно заметить. И все же, за неимением лучшего, примем начало помутнения за окончание реакции (что, кстати, не очень далеко от истины). Сделаем еще одно допущение: скорость реакции обратно пропорциональна ее продолжительности. Если реакция шла 10 секунд, то будем считать, что скорость равна 0,1. Отложите скорости на оси ординат.
      Четыре опыта дали четыре точки, пятая - начало координат. Все пять точек расположатся примерно на одной прямой. Ее уравнение записывается так:
      v == k[Na2S2O3]
      где v - это скорость реакции, квадратные скобки - принятое в химической кинетике обозначение концентрации, а k - константа скорости, которую легко найти из графика.
      Но скорость реакции должна зависеть и от концентрации серной кислоты. Оставляя количество тиосульфата неизменным и разбавляя серную кислоту, проверьте, как изменяется скорость реакции. Как ни странно, она не меняется!
      Такие случаи не редкость. В нашем опыте идет сложная реакция, и ее продукт - сера выделяется не сразу при непосредственных столкновениях молекул тиосульфата и кислоты. И вообще реакций, где продукты получаются сразу, не так уж много.
      В сложных последовательных реакциях какая-то стадия протекает медленнее остальных. В нашем случае - последняя, в которой и образуется сера. Именно ее скорость мы, по сути дела, и измеряли.
      ИСКУССТВЕННОЕ ВОЛОКНО
      В последние десятилетия химические волокна буквально завоевали мир. И хотя по-прежнему сеют хлопок и лен, разводят овец и коз, - даже к традиционным натуральным волокнам добавляют искусственные и синтетические для придания прочности, нарядности, несминаемости и других полезных свойств. Наконец, для экономии натуральных волокон...
      Приготовить самостоятельно самые распространенные ныне химические волокна - полиамидные (типа капрона) и полиэфирные (типа лавсана) будет, пожалуй, сложновато. Остановим свой выбор на медно-аммиачном волокне. Это одно из самых первых искусственных волокон, сырьем для него служит целлюлоза, например, из опилок и других отходов лесной промышленности. Медноаммиачное волокно применяют и сейчас - в ковроткачестве, на трикотажных фабриках, но гораздо реже, чем раньше, потому что появились более прочные и дешевые волокна. Однако для самостоятельного эксперимента удобнее объекта, пожалуй, не найти.
      Искусственные волокна формуют из вязких прядильных растворов, продавливая их сквозь узкие отверстия - фильеры. При этом растворенная клетчатка выделяется в виде нитей. В нашем случае основу раствора составляет соединение меди с аммиаком, имеющее общую формулу [Сu(NН3)n)(ОН)2. Чтобы приготовить такой раствор, прежде всего запаситесь основным карбонатом меди Сu(ОН)2CO3. Если нет готовой соли, приготовьте ее простейшим способом - слейте водные растворы медного купороса и кальцинированной (стиральной) соды, профильтруйте осадок и высушите его.
      В склянку с узким горлышком налейте 20 мл 25%-ного раствора аммиака (лучше делать это под тягой или на свежем воздухе) и добавьте 2 г основного карбоната меди. Закрыв склянку резиновой пробкой, взболтайте смесь, чтобы получилась темно-синяя однородная жидкость. Это медноаммиачный раствор. У него есть очень важное свойство: он способен растворять целлюлозу (клетчатку).
      К двум небольшим склянкам подберите резиновые пробки и разлейте в эти склянки темно-синий раствор. В одну бросайте маленькими кусочками аптечную хлопчатобумажную вату; бросив очередную порцию ваты, закройте склянку пробкой и взболтайте содержимое. Во второй склянке точно так же, маленькимиї кусочками, растворите белую промокательную или фильтровальную бумагу. И в том и в другом случае должны получиться вязкие растворы, по густоте напоминающие сироп. Из них можно выделить клетчатку, составляющую основу волокна. Чтобы удостовериться в этом, налейте в стакан разбавленный уксус и по каплям прибавляйте любой из прядильных растворов. Хлопья клетчатки выпадут в осадок.
      Однако из хлопьев пряжу не приготовить. Как же получить из раствора нить? Так же, как на заводе - продавливая раствор через узкое отверстие, причем в раствор серной кислоты - в нем фиксируется форма нити.
      Чтобы посмотреть, как это происходит, поставьте такой опыт: в стакан с 10%-ным раствором серной кислоты капайте из пипетки медноаммиачный раствор ваты или промокательной бумаги. Часть раствора будет опускаться на дно, оставляя за собой блестящую нить. Попробуйте ухватить эту нить пинцетомї и осторожно вытянуть ее из стакана. Это и есть настоящее медноаммиачное волокно. Правда, нить получилась не очень ровной. Но это поправимо. Только ставить опыт надо вдвоем: один будет формовать нить, а другой извлекать ее из раствора.
      Иглу от медицинского шприца вставьте по возможности плотнее в резиновую трубку с толстыми стенками. В трубку налейте прядильный раствор, закройте ее пробкой и погрузите иглу в ванночку или кювету с раствором серной кислоты. Ваш товарищ должен стоять с пинцетом наготове: вы будете сжимать постепенно трубку, а он подхватит пинцетом образовавшуюся нить и протянет ее через раствор, налитый в ванночку.
      Такой опыт после небольшой тренировки обычно удается хорошо. Для удобства попробуйте наматывать полученную нить на катушку. Вместо резиновой трубки можно взять большой шприц или старый велосипедный насос.
      И вискозное, и ацетатное волокно получают примерно так же, только берут другие растворители для клетчатки. Во всех случаях ее молекулы располагаются таким образом, что образуется ориентированная нить.
      Из нити, вами полученной, не соткать, наверное, и платочка. Но мы к этому и не стремились. Этот раздел книги называется, как вы помните, "Своими глазами", а вы и впрямь увидели собственными глазами,ї как из невзрачной бумаги, растворенной в темно-синей жидкости, получилась красивая шелковая нить.
      ХИМИЧЕСКИЙ СТОРОЖ
      Вот и последний опыт в нашей книге. Он, наверное,ї несколько сложнее предыдущих, потому что для него придется самостоятельно изготовить небольшой прибор. Мы назвали его химическим сторожем, а более строгое его название хемотронный датчик. Хемотроника - новая отрасль науки, она возникла на стыке электроники и химии. В отличие от электроникиї она изучает процессы в жидкости, где передвигаются ионы. Так как ионы намного тяжелее электронов, то хемотронные процессы идут медленнее. Но далеко не всегда быстродействие самое главное. Хемотронные устройства очень надежны, им уже сейчас находят много применений.
      Разумеется, настоящие хемотронные приборы сложны. И все же вы можете сделать модель одного такого устройства - датчика. Прежде всего, любопытно посмотреть, как работают хемотроны. А вдобавок этот датчик наверняка сослужит вам добрую службу.
      Сначала изготовьте цилиндрический корпус. Лучше всего было бы выточить его из оргстекла на токарном станке, но это не обязательно; корпус можно и склеить из отдельных пластинок оргстекла, в этом случае он будет прямоугольным. Примерный диаметр круглого корпуса - 40 мм, а высота около 20 мм. С торцов цилиндра надо выточить две полости глубиной около 5 мм и диаметром 30 мм, так чтобы между ними осталась толстостенная перемычка. Непосредственно под перемычкой просверлите горизонтально отверстие диаметром 2-3 мм для заливки электролита и подберите к этому отверстию плотную пробку. Затем с противоположной стороны корпуса просверлите одно под другим еще три отверстия для электродов диаметром чуть больше миллиметра. Центральный электрод должен находиться в перемычке, верхний и нижний - в соответствующих полостях.
      В качестве электродов возьмите толстые грифели для цанговых карандашей. Те места, где грифели выходятї из корпуса, надо загерметизировать каким-либо клеем. Когда клей высохнет, в перемычке просверлите вертикально очень тонкое сквозное отверстие диаметром не более 0,5 мм. Выбирая для него место, имейте в виду, что это отверстие обязательно должно пройти через средний грифель-электрод.
      Прибор уже почти готов. Осталось лишь приклеить к нему сверху и снизу по тонкой мембране из того жe оргстекла, только небольшой толщины (0,3-0,5 мм). Пока приклейте только нижнюю мембрану.
      Теперь об электролите. В половине стакана воды растворите 20-30 г иодида калия, а затем, слегка подогрев раствор, добавьте около 1 г йода. Через боковое, более широкое отверстие залейте этот электролит внутрь датчика, в нижнюю полость, следя за тем, чтобы не осталось воздушных пузырьков. Легче всего провести эту операцию медицинским шприцем. Когда заполнится и верхняя полость, приклейте вторую мембрану и окончательно загерметизируйте корпус, для чего вставьте во впускное отверстие заранее приготовленную пробку и тщательно залейте ее клеем.
      Хемотронный датчик будет работать от батарейки для карманного фонарика. Верхний и нижний электроды, находящиеся в полости, соедините с положительным полюсом батарейки, средний - с отрицательным. В цепь желательно включить реостат, а также вольтметр и микроамперметр, которые, как вы уже знаете, можно заменить тестером.
      С помощью реостата (или сопротивлений) установите напряжение примерно 0,8-0,9 В. Микроамперметр, включенный в цепь центрального электрода, покажет ток 200-300 мкА. Оставьте цепь замкнутой часов на десять-пятнадцать. Ток постепенно понизится до 10-20 мкА, что и требуется. Теперь датчик готов к работе.
      Проверить, как он действует, проще всего так: подуйте на одну из мембран или коснитесь ее остриемї иголки. В то же мгновение стрелка микроамперметраї резко отклонится вправо. Для глаза движение мембраны незаметно, но датчик на него сразу отреагировал.
      Поясним, почему так происходит. Сила тока зависит от того, сколько иода находится возле отрицательного электрода - катода. Под действием постоянного тока под на катоде восстанавливается, принимая электроны, а на аноде он вновь образуется из ионов. Поэтому иод как бы постепенно перекачивается от катода к аноду. После зарядки датчика ток понемногу падает, потому что у отрицательного электрода остается все меньше иода. Но как только вы чуть-чуть, даже слабым прикосновением, сдвинули мембрану, к катоду поступает дополнительная, пусть и очень небольшая, порция молекул иода; датчик мгновенно на это реагирует: ток возрастает.
      Такие хемотронные приборы на редкость чувствительны; тщательно изготовленные, они могут иногда отреагировать буквально на считанные молекулы. Их чувствительность используют на практике - когда сигнал слаб и другими способами его трудно зарегистрировать. Подобные хемотронные устройства применяют, например, в медицинских исследованиях, в технике - для подсчета мелких деталей, движущихся на конвейере.
      А нельзя ли как-нибудь использовать такой датчик дома или в школе? Конечно, можно. Почему бы не превратить его в прибор, который будет предупреждать вас о приходе гостя? Для этого датчик достаточно поставить в дверях квартиры, и он откликнется, как только гость дотронется до двери.
      Но, понятно, один такой датчик, сам по себе, для этой цели не слишком удобен: надо все время смотреть на микроамперметр и ждать, пока отклонится его стрелка. Однако к датчику можно приспособить систему сигнализации - звонок или электрическую лампу. Как это сделать - придумайте сами или посоветуйтесь с учителем физики.
      Между прочим, такой хемотронный "сторож" удается использовать для охраны важных объектов, например банков. Конечно, в этом случае датчик отнюдь не гостеприимен - он предупреждает об опасности.
      Вот и все. Последняя страница дочитана, последний опыт поставлен.
      Но, собственно, почему последний? Мы вовсе не рассчитывали дать вам исчерпывающее руководстве по доступным химическим экспериментам, и очень многое осталось за пределами этой книги. Существуетї так много химических опытов, что вряд ли их можно собрать в одной книге, даже гораздо большей, чем эта. И вы, несомненно, сумеете найти описания этих опытов в журналах, в популярных книгах, в учебниках, в пособиях по лабораторным работам. Конечно, если вам понравилось ставить химические экспернменты, на что мы от души надеемся.
      А еще вы можете придумывать опыты самостоятельно.ї В начале книги мы вас от этого отговаривали, но тогда у вас не было навыков и практики; теперьї же вы освоили многие технические приемы и познакомились с безопасными способами работы. Все предупреждения - о бесцельном сливании реактивов, о чрезмерно больших количествах реагирующих веществ и о прочих ошибках начинающих химиков - остаются в силе. И самое главное: надо четко представлять себе, как идет реакция, что и при каких условиях получается в результате. Для этого прежде всего надо познакомиться с теорией. По школьному ли учебнику, по более серьезному руководству, по журнальной статье. А еще лучше посоветоваться со знающим человеком - с учителем химии, с руководителемї химического кружка, И только потом аккуратної и не торопясь ставить опыт.
      Будем считать, что вся эта книга - не сборник наставлений для начинающих химиков, а предисловиеї к будущей самостоятельной работе. И если эти опыты хоть в какой-то мере помогут вам утвердиться в решении посвятить себя химии, то, значит, все, кто готовил эту книгу, старались не зря.