Яковишин Л.А.
зАБАВНАЯ ХИМИЯ Практическое руководство
Харьков Издательство «Ранок» 2009
Информация для родителей (учителей) и детей! Правила техники безопасности (обязательно прочитайте и запомните!!!) Предлагаемые опыты предназначены для детей 10 и старше лет, интересующихся естественными науками. Опыты можно проводить в домашних или школьных условиях. 1. Все опыты необходимо проводить в присутствии взрослых! Проведению опытов ни в коем случае не должны мешать маленькие дети и домашние животные! 2. Вещества из набора нельзя употреблять в пищу. Оборудование для экспериментов не предназначено для приготовления, хранения и приема пищи, в том числе и используемые для опытов баночки из-под майонеза. 3. Набор храните в недоступном для маленьких детей и домашних животных месте и вдали от пищевых продуктов. Эксперименты прово дите в специально предназначенном для этого месте. 4. Перед проведением каждого опыта внимательно прочитайте инструкцию до конца и только потом начинайте эксперимент. Используйте то количество веществ, которое указано в инструкции. Не проводите эксперименты, не указанные в данном руководстве. 5. Во время проведения опытов категорически запрещается принимать пищу. 6. Избегайте попадания реактивов в рот и глаза.
Если это все-таки произошло, промойте рот и глаза большим количеством водопроводной воды. При необходимости обратитесь к врачу. 7. Для растворов реактивов сделайте этикетки. Если вдруг вы забыли подписать сосуд и у вас возникли сомнения в том, что в нем находится, содержимое необходимо вылить в канализацию. 8. Для экспериментов лучше использовать дистиллированную воду. Ее можно приобрести в аптеке или магазине хозтоваров. В противном случае используйте кипяченую воду. 9. После проведения опытов вымойте оборудование и посуду, уберите рабочее место и протрите поверхность стола. Затем тщательно вымойте руки с мылом.
Набор содержит необходимые химические вещества, материалы и оборудование для проведения опытов № п/п
Название вещества
Химическая формула
1
Медный купорос (сульфат меди(II) пентагидрат)
CuSO4·5H2O
2
Никелевый купорос (сульфат никеля гептагидрат)
NiSO4·7H2O
3
Сульфат магния гептагидрат
MgSO4·7H2O
4
Хлорид кобальта гексагидрат
CoCl2·6H2O
5
Алебастр (строительный гипс)
CaSO4·0,5H2O
6
Силикатный клей (жидкое стекло)
Na2SiO3
№ п/п
Наименование
Количество
1
Мерный химический стакан на 100 мл
1
2
Пластмассовый шпатель для насыпания веществ и перемешивания
1
3
Пипетка
1
Список дополнительного оборудования и материалов № п/п
Примерное количество
Наименование
1
Дистиллированная (кипяченая) вода
Примерно 0,5 л
2
Столовый уксус
10–15 мл
3
Бриллиантовый зеленый («зеленка»)
1
4
Карандаш
1
5
Пакетик силикагеля из коробки с обувью или из-под бытовой техники
1
Окончание таблицы № п/п
Примерное количество
Наименование
6
Линейка
1
7
Баночка из-под йогурта (сметаны) или пластмассовый стаканчик
3
8
Лист плотной бумаги
1
9
Узкий строительный шпатель (металлический или пластмассовый) или палочка от мороженого
1
10
Небольшая стеклянная баночка (например, из-под майонеза или какого-либо лекарства)
2
11
Бумажные салфетки
Несколько
12
Небольшая бутылочка от каких-либо лекарств или пластмассовая пробка от газированной воды
4
13
Ножницы
1
Если реактив из набора израсходован, его можно купить в магазинах химических реактивов.
ВЕЗДЕСУЩИЙ КРЕМНИЙ И СИЛИКАТЫ Вам, наверное, доводилось поль зоваться силикатным клеем. В строительстве его применяют как жидкое стекло. Человеческая жизнь немыслима без обычного стекла. На берегу моря или реки вы видели песок. Все это — соединения элемента кремния. Кремний является вторым по распространенности в природе элементом. Уступает он только кислороду. Посмотрите на таблицу Д. И. Менделеева (так обычно называют Периодическую систему химических элементов) и найдите там кремний. Это элемент с порядковым номером 14. Обозначается Si.
Si
14 28,0855
кремний
Кремний представляет собой тугоплавкое кристаллическое вещество серого цвета, внешне очень похожее на металл (см. приложение, фото 1). Однако кремний, в отличие от металлов, является полупроводником.
При взаимодействии кремния с кислородом получается оксид SiO ���2, который очень распространен в природе. Его еще называют кремнеземом. Он встречается в виде минералов кварца (см. приложение, фото 2–4), тридимита, китита, коусита (коэсита) и кристобалита. Разновидностями кварца являются горный хрусталь (см. приложение, фото 5), аметист, морион, цитрин, раухтопаз и другие минералы. Кремний также образует кремниевые кислоты с общей формулой nSiO2⋅mH2O����������������� . Простейшей среди них является метакремниевая кислота H �2SiO3 (n=1, m=1). Ее часто называют кремниевой кислотой. Кремниевые кислоты легко дают гели. Соли кремниевых кислот называют силикатами. Силикаты широко распространены в природе. Земная кора состоит более чем на 50 % из кремнезема SiO2, силикатов и алюмосиликатов. Обычный силикатный клей, или жидкое стекло, также является силикатом. Это концентрированный водный раствор силикатов натрия или калия.
Опыт № 1. Получаем студень Для опыта понадобятся: силикатный клей (жидкое стекло), столовый уксус, «зеленка» (бриллиантовый зеленый) из аптечки, мерный химический стакан, пластмассовый стаканчик (небольшая баночка из-под йогурта (сметаны) или косметического средства), кипяченая (дистиллиро
ванная) вода, пластмассовый шпатель, пипетка, бумажные салфетки, две небольшие стеклянные баночки (например, из-под майонеза или какоголибо лекарства).
1. В пластмассовый стаканчик (небольшую баночку из-под йогурта (сметаны) или косметического средства) налейте 15—20 мл силикатного клея и столько же дистиллированной (кипяченой) воды. Смесь перемешайте шпателем. 2. Прилейте к полученному раствору 10–15 мл столового уксуса. Столовый уксус – это водный раствор уксусной кислоты СH3СООН. Смесь перемешайте пластмассовым шпателем. Она сразу загустеет. Образуется студень кремниевых кислот nSiO2·mH2O за счет протекания химического процесса: Na2SiO3 + 2С� H3СООН → H �2SiO3↓ + + 2СН3СОО��� Na�. 3. С помощью шпателя перенесите студень на бумажную салфетку и оставьте высыхать (см. приложение, фото 6, 7). Он также понадобится для опыта № 2. 4. Налейте в две небольшие баночки по 20–25 мл во ды. Капните с помощью пипетки в каждую бано чку по 1 капле «зеленки» из домашней аптечки.
Напомним, что «зеленкой» называют раствор красителя бриллиантового зеленого. Смесь перемешайте шпателем. Получатся зеленые растворы. 5. Опустите в один из растворов немного студня. Смесь периодически перемешивайте. Через некоторое время раствор станет бледнеть, т. к. студень поглотит «зеленку». Студень при этом окрасится в зеленоватый цвет (см. приложение, фото 8). Явление поглощения одних веществ другими называют адсорбцией. Сам поглотитель называют адсорбентом.
Опыт № 2. Кремниевый поглотитель Для опыта понадобятся: высохший студень, по лученный в опыте № 1, мерный химический стакан, «зеленка» (бриллиантовый зеленый) из аптечки, пипетка, кипяченая (дистиллированная) вода, пластмассовый шпатель, две небольшие стеклянные баночки (например, из-под майонеза или какого-либо лекарства), силикагель из коробки с обувью или из-под бытовой техники.
Одним из наиболее распространенных поглотителей является силикагель. Силикагель – это высушенный студень кремниевых кислот. Он представляет собой белый порошок или матовые зерна, которые могут быть также подкрашены (см. приложение, фото 9, 10). 10
При покупке обуви вы, наверное, замечали, что в коробку вложен пакетик с небольшими шариками силикагеля (см. приложение, фото 9). Он необходим для поглощения (адсорбции) влаги, которая может попасть в коробку. Шарики силикагеля адсорбируют пары воды из воздуха, и обувь лучше сохраняется. Такие шарики используют для понижения влажности внутри приборов, упаковок с компьютерной и бытовой техникой, лекарствами и т. д. Величина зерен силикагеля может быть различной. Запомните, что использовать зерна силикагеля в пищу запрещено! Студень, образовавшийся в опыте № 1, через 1–2 дня высохнет. Полученное вещество белого цвета разотрите шпателем. Вы сделали силикагель в виде порошка (см. приложение, фото 11). Он будет адсорбировать «зеленку» лучше, т. к. у него площадь поверхности больше. Чем больше площадь поверхности адсорбента, тем лучше он поглощает другие вещества. 1. Налейте в две небольшие баночки по 20—25 мл воды. Капните с помощью пипетки в каждую баночку по 1 капле «зеленки» из домашней аптечки. Смесь перемешайте шпателем. Получатся зеленые растворы. 11
2. Опустите в один из растворов немного полученного вами силикагеля так, чтобы он покрыл дно сосуда. Смесь периодически перемешивайте. Через некоторое время раствор станет бледнеть, т. к. силикагель по глотит «зеленку». Силикагель при этом приобретет зеленоватый цвет (см. приложение, фото 12). Если у вас имеются зерна силикагеля, которые были вложены в коробку с обувью или бытовой техникой, то таким же образом проверьте, как он будет поглощать «зеленку» из раствора (см. приложение, фото 13).
Опыт № 3. Фантастический силикатный «сад» или «водоросли» Для опыта понадобятся: силикатный клей (жидкое стекло), медный купорос CuSO4·5H2O, сульфат никеля NiSO4·7H2O, сульфат магния MgSO4·7H2O, хлорид кобальта CoCl2·6H2O, мерный химический стакан, небольшая стеклянная баночка (например, из-под майонеза или какого-либо лекарства), кипяченая (дистиллированная) вода, пласт массовый шпатель. 12
Чтобы вырастить сад, потребуется несколько десятков лет. Вы сможете вырастить сад за полчаса. Конечно, он будет ненастоящим. 1. Налейте в небольшую баночку 20– 25 мл силикатного клея и столько же кипяченой (дистиллированной) воды. Смесь хорошо перемешайте пластмассовым шпателем. 2. В полученный раствор насыпьте по несколько кристалликов каждого из веществ: CuSO 4 ·5H 2 O, NiSO 4 ·7H 2 O, MgSO 4 ·7H 2 O и CoCl2·6H2O. Некоторые кристаллики останутся на поверхности и не упадут на дно. Их можно утопить с помощью шпателя. Через 20–40 минут в стакане появятся разноцветные осадки, напоминающие фантастические деревья или водоросли (см. приложение, фото 14). Из сульфата магния MgSO4·7H2O они получатся белые, из сульфата никеля NiSO4·7H2O — зеленые, из хлорида кобальта CoCl2·6H2O — синие, а из медного купороса CuSO4·5H2O — голубые. Это образовались осадки силикатов, например: MgSO4 + Na ��2SiO3 → MgSiO �����3↓ + Na ��2SO4. Также образуются кремниевая кислота и гидроксид металла (или его основная соль): 13
CuSO4 + Na2SiO3 + 2H2O → С����� ������ u(OH)2↓ + + H2SiO3↓ + Na2SO4. 3. Осторожно вылейте раствор из сосуда и внимательно рассмотрите свои творения (см. приложение, фото 15, 16). Почему же растет ваш «сад»? Из кристалла опущенных солей вытягивается тоненькая полая трубочка, стенки которой состоят из образующегося осадка (см. рисунок). Трубочка представляет собой полупроницаемую мембрану (перегородку), через которую вода проникает вовнутрь. Наблюдается осмос — одностороннее перемещение вещества через полупроницаемую мембрану. В результате этого в некоторых местах трубочка рвется. В местах разрыва снова образуется осадок. Так растет силикатный «сад». Раствор na2SiO3 H2o
Раствор na2SiO3 Разрыв пленки H2o осадка Осадок Добавленный кристалл соли
Новый отросток
«Сад» растет благодаря явлению осмоса 14
Опыт № 4. Разноцветные «медузы» Для опыта понадобятся: силикатный клей (жидкое стекло), медный купорос CuSO4·5H2O, сульфат никеля NiSO4·7H2O, сульфат магния MgSO4·7H2O, хлорид кобальта CoCl2·6H2O, мерный химический стакан, кипяченая (дистиллированная) вода, небольшая стеклянная баночка (например, из-под майонеза или какого-либо лекарства), четыре небольших бутылочки от каких-либо лекарств или пластмассовые пробки от газированной воды, пластмассовый шпатель, пипетка.
1. Налейте в небольшую баночку 15– 20 мл силикатного клея и столько же кипяченой (дистиллированной) воды. Смесь хорошо перемешайте пластмассовым шпателем. 2. В небольшой сосуд (это может быть, например, бутылочка от каких-либо лекарств или пробка от газированной воды) поместите кристаллики медного купороса CuSO4·5H2O на кончике шпателя и добавьте к нему 5–10 капель воды (см. приложение, фото 17). Смесь перемешайте шпателем. Она должна быть светлого не насыщенного цвета! 3. Сделайте этикетку для сосуда, на которой напишите «CuSO4». Аналогичным образом приготовьте растворы NiSO4, MgSO4 и CoCl2 с соответствующими этикетками. 15
4. В смесь силикатного клея и воды с помощью пипетки добавьте по несколько капель растворов CuSO4, NiSO4, MgSO4 и CoCl2. Раствор нового вещества набирайте пипеткой только после ее промывания водой от остатков другого вещества! 5. капли капайте с некоторым промежутком между ними. Сразу появятся студенистые «медузы», представляющие собой осадки силикатов или кремниевой кислоты в смеси с гидроксидом или основной солью. Вы увидите, что «кобальтовые медузы» окрашены в синий, «медные» – в голубой, «никелевые» – в зеленый, а «магниевые» – в белый цвет (см. приложение, фото 18).
Опыт № 5. Выращиваем силикатные «сталактиты» и «сталагмиты» Для опыта понадобятся: силикатный клей (жидкое стекло), сульфат магния MgSO4·7H2O, медный купорос CuSO4·5H2O, сульфат никеля NiSO4·7H2O, хлорид кобальта CoCl2·6H2O, кипяченая (дистиллированная) вода, мерный химический стакан, пластмассовый шпатель, алебастр (строительный гипс), емкость для замешивания алебастра (например, пластиковый стаканчик), сосуд для 16
роста сталактитов и сталагмитов (пластиковый стаканчик из-под сметаны или йогурта), лист плотной бумаги, ножницы, узкий строительный шпатель или палочка от мороженого.
Если вам приходилось бывать в пещерах, то вы могли увидеть там причудливые «сосульки», причем растущие не только сверху, но и снизу. Первые называют сталактитами, а вторые – сталагмитами (см. приложение, фото 19, 20). Очень часто сталактиты соединяются со сталагмитами, образуя подобие колонн. Как же они появились? Горная порода, в которой образовались такие пещеры, состоит из известняка. Это минерал, представляющий собой в основном карбонат кальция. Его химическая формула CaCO3. Вода, проходя через известняк, частично его растворяла. Этот процесс можно изобразить следующей реакцией: СаСО3 + СО2 + Н2О → Са(НСО3)2. При уменьшении содержания углекислого газа СО2 в воде происходил обратный процесс и выделялся осадок СаСО3: Са(НСО3)2 → СаСО3↓ + СО2↑ + Н2О. 17
Самый длинный сталактит имеет длину 59 м (пещера Де-Нарья около г. Малага в Испании), а самый высокий сталагмит вырос до 29 м в пещере Л'Авен (Франция). Этот осадок называют кальцитом (от греч. calc – жженая известь). Он и образует сосульки в пещерах (см. приложение, фото 21–23). Причем если капли воды задерживаются на потолке пещер, то постепенно появляется нарост – сталактит. Сталагмит появляется из капель, которые упали на пол пещеры. Так и растут известковые сосульки: одни – сверху вниз, а другие – снизу вверх. Эти процессы протекали много тысячелетий, происходят они и сейчас. Мы же не будем ждать так долго и попытаемся вырастить сталактиты и сталагмиты примерно за полчаса. Правда, они будут не известковыми, но внешне очень на них похожими. Осадки, образование которых вы наблюдали в опыте № 3, очень напоминают сталактиты и сталагмиты. Поэтому сталактиты и сталагмиты будем получать из силикатного клея. Сделаем это в пещере. Конечно, пещера тоже будет ненастоящей и маленькой, но очень похожей. Для получения пещеры воспользуемся строительным гипсом – алебастром. Гипс – это кристаллогидрат сульфата кальция ���� CaSO4·2� H2O����������������������� (см. приложение, фото 18
24, 25). В переводе с греческого ������������ g����������� э���������� psos������ означает мел, известь. Слово «алебастр» (от греч. albastros) происходит от названия древнеегипетского города Алебастрона, рядом с которым его издавна добывали. Алебастр – это разновидность гипса (жженый гипс) ���� CaSO4·0,5� H2O��. ���������������������� Как видно из формулы, он содержит меньше кристаллизационной воды. Если нагреть гипс, то он потеряет часть воды и даст алебастр: CaSO4⋅2H2O → CaSO4⋅0,5H2O + 1,5H2o. При застывании смеси алебастра и воды происходит обратная химическая реакция и образуется достаточно прочная масса: CaSO4⋅0,5H2O + 1,5H2o → CaSO4⋅2H2O. Гипс начали использовать в качестве вяжущего средства еще в древнем мире. В Древнем Египте его применяли для скрепления блоков при постройке пирамид фараонов. Знаменитые киевские Золотые ворота были также построены на гипсовом растворе. В Древней Руси месторождения гипса стали активно разрабатывать в XII� ���� – XIII������������������������������������ вв. В настоящее время гипс не утратил своего значения и широко используется 19
в строительстве (гипсокартон, малые архитектурные формы и др.) и медицине. 1. Сделайте из плотной бумаги каркас будущей пещеры размером примерно 5–7 — 5–7 см (см. рисунок). 2. Замешайте в пластиковом стаканчике или другом сосуде (потом его придется выбросить) немного алебастра с небольшим количеством воды до получения вязкой однородной смеси. Используйте узкий строительный шпатель или палочку от мороженого. Чтобы придать пещере цвет, можно добавить в смесь пищевой краситель коричневого цвета. 3. Пока алебастр не застыл, обмажьте им все стороны пещеры снаружи и изнутри. Через несколько часов алебастр окончательно затвердеет. Пещера готова.
Так можно сделать «пещеру» 20
Теперь необходимо вырастить в ней «сталактиты» и «сталагмиты». 1. Приготовьте смесь силикатного клея и воды в соотношении 1:1 в сосуде, в который поместите пещеру так, чтобы уровень воды не доходил до ее свода. Кроме того, сосуд подберите такой, чтобы к верхнему своду пещеры был свободный доступ (см. рисунок). Можно взять пластиковый стаканчик из-под сметаны или йогурта и при необходимости обрезать его. 2. С помощью шпателя внесите в пещеру кристаллы MgSO4·7H2O и высыпьте их в раствор. Если некоторые кристаллики останутся на поверхности и не упадут на дно, попытайтесь их утопить с помощью шпателя. 3. Для получения окрашенных «сталагмитов» внесите в раствор таким же образом синие кристаллы ���� CuSO 4⋅5� H 2O������������������ , зеленые кристаллы ���� NiSO4⋅7� H2O��������������������������� и темно-розовые кристаллы CoCl2⋅6� H2O������������������������������� . Через несколько минут вы увидите, что в пещере выросли «сталагмиты» (время их роста будет зависеть от объема сосуда).
21
Пещера в растворе для роста «сталактитов» и «сталагмитов»
4. Осторожно выньте пещеру из раствора, переверните ее на 180° и снова опустите в него. 5. Внесите в пещеру кристаллики MgSO4·7H2O, CuSO4·5H2O, NiSO4·7H2O и CoCl2·6H2O так же, как и в предыдущем случае. Вскоре вы опять обнаружите в пещере причудливые наросты. Выньте пещеру из сосуда, осторожно промойте водой и оставьте сушиться. Теперь в ней есть «сталактиты» и «сталагмиты» (см. приложение, фото 26, 27).
22
Содержание Информация для родителей (учителей) и детей!...................................................................2 Набор содержит необходимые химические вещества, материалы и оборудование для проведения опытов.............................................4 Список дополнительного оборудования и материалов.........................................................5 ВЕЗДЕСУЩИЙ КРЕМНИЙ И СИЛИКАТЫ....................7 Опыт № 1. Получаем студень..............................8 Опыт № 2. Кремниевый поглотитель...............10 Опыт № 3. Фантастический силикатный «сад» или «водоросли»......................................12 Опыт № 4. Разноцветные «медузы».................15 Опыт № 5. Выращиваем силикатные «сталактиты» и «сталагмиты»...........................16
23
24