Илья Леенсон - Удивительная химия
Если шприца нет, можно поступить иначе. Уравновесьте на весах с помощью скрепок, кнопок или других легких предметов маленький сосудик (подойдет наперсток). Положите на другую чашу весов гирьку массой 1 г и капайте в сосуд из пипетки воду по одной капле, внимательно считая их, пока весы снова не придут в равновесие. Так вы узнаете число капель в 1 г воды (обычно их бывает 20–30). Теперь легко определить объем (и массу) одной капли. Например, если в 1 г воды было 30 капель, то одна капля имеет массу 0,033 г (а объем 0,033 мл). Кстати, проверьте, одинаковы ли по объему капли воды и уксуса!
Отвесьте теперь 1 г питьевой соды и поместите ее в небольшую склянку. Осторожно капайте на соду уксус из пипетки. Не спешите, внимательно считайте капли и наблюдайте за пузырьками газа. Время от времени прекращайте добавление уксуса, чтобы дать ему прореагировать. Когда добавление уксуса больше не будет приводить к появлению новых пузырьков газа (лучше всего это фиксируется на слух, если поднести ухо поближе к смеси — прекращается характерное шипение), закончите опыт и запишите число капель уксуса, израсходованного в реакции. (Вообще записывать все без исключения результаты опытов надо обязательно; не следует перегружать голову лишней информацией, которую легко забыть.) Предположим, для полной реакции с содой потребовалось 350 капель уксуса. Остается решить задачу наподобие тех, какие дают на уроках алгебры (а не только химии). Пусть крепость уксуса составляет х %, т. е. в 100 г уксуса содержится х граммов чистой уксусной кислоты (остальное — вода), а объем капли 0,03 мл (плотность уксуса считаем равной плотности воды, т. е. 1 г/см3, при этом мы вносим ошибку около I %). В 350 каплях содержится 350 х 0,03 мл х 1 г/мл = 10,5 г уксуса, или 10,5 г х Х г/100 г = 0,105х г чистой уксусной кислоты. Составляем пропорцию: 84 г питьевой соды полностью реагируют с 60 г уксусной кислоты, а 1 г соды реагирует с 0,105х г кислоты.
Правила обращения с пропорциями вы, наверное, помните: 84 х 0,105х= 1 х 60, откуда х = 60/ (84 х 0,105) = 6,8 %. Следовательно, крепость уксуса — примерно 7 %. Точность этого анализа определяется ошибками при взвешивании соды и при определении объема капли.
В данном случае индикатором служили пузырьки газа. Но далеко не во всех химических реакциях выделяется газ. Как узнать, что реакция кончилась, если реагируют бесцветные растворы кислоты и щелочи без выделения газа? В таких случаях в ход идут кислотно-щелочные индикаторы, которые химики во всем мире используют уже почти 200 лет.
Титрование с индикаторомКак уже говорилось, индикатор указывает на присутствие в смеси того или иного вещества, и если это вещество в ходе реакции полностью израсходовано, индикатор тут же это покажет. Одни из самых распространенных индикаторов — кислотно-щелочные (или кислотно-основные); их цвет изменяется в зависимости оттого, в какой среде они находятся — в кислой, нейтральной или щелочной. Одна из форм индикатора может быть и бесцветной. Обычный чай — тоже индикатор. Налейте немного чая в белую чашку и капните туда лимонный сок или растворите несколько кристалликов лимонной кислоты — в кислой среде чай сразу станет светлее. Если же растворить в чае питьевую соду, раствор в щелочной среде потемнеет (пить такой чай, конечно, не следует).
Кислотно-щелочные индикаторы весьма разнообразны; многие из них легко доступны и потому известны не одно столетие. Примером могут служить отвары или экстракты окрашенных цветков или плодов многих распространенных растений. Так, ярко-синий отвар ириса становится красным в кислой среде и зелено-голубым — в щелочной. Способностью к изменению цвета в зависимости от кислотности обладают экстракты анютиных глазок, тюльпанов, черники, ежевики, малины, красной капусты, свеклы и других растений.
В качестве индикатора попробуйте взять отвар какого-либо ярко окрашенного цветка или же темный ягодный сок, например, черной смородины. Налейте в небольшую баночку испытуемый раствор и добавьте к нему несколько капель раствора индикатора. В кислых растворах многие растительные индикаторы имеют красный цвет, а в щелочных — зеленоватый или синий. Можно также попробовать с помощью кислого раствора (уксус) и щелочного (питьевая, а лучше — стиральная сода) сделать красные или зеленоватые (синие) надписи на лепестках различных цветков.
К очевидным недостаткам таких простейших индикаторов относится «сезонность» и невозможность заготовить их впрок: растворы довольно быстро портятся — скисают или плесневеют, теряя свои свойства (более устойчивы спиртовые растворы). Менее очевидный недостаток — слишком медленное, постепенное изменение цвета природных индикаторов при добавлении кислоты к щелочному раствору или наоборот. При этом трудно или даже невозможно отличить, например, нейтральную среду от слабокислой или слабощелочную от сильнощелочной. Поэтому в химических лабораториях используют синтетические индикаторы, резко изменяющие свой цвет уже при небольшом изменении кислотности. Таких индикаторов известно множество, и каждый из них имеет свою область применения.
В лабораториях нередко используются так называемые универсальные индикаторы — смесь 5–6 индивидуальных индикаторов, подобранных таким образом, что их раствор поочередно меняет окраску, проходя через все цвета радуги при изменении кислотности раствора. Раствором универсального индикатора часто пропитывают полоски бумаги, что позволяет быстро (хотя и не особенно точно) определять кислотность (или щелочность) анализируемого раствора путем сравнения окрашенной полоски с эталонной цветовой шкалой.
Один из самых известных индикаторов — лакмус. Это твердое вещество, частично растворимое в воде и спирте; его растворы позволяют отличать кислотную среду от щелочной. История открытия и использования лакмуса весьма поучительна с точки зрения развития химического эксперимента. Еще в 1640 году ботаники описали растение Heliolropium Turnesole, из которого выделили красящее вещество. Знаменитый физик и химик Роберт Бойль писал о нем в 1664 году: «Плоды этого растения дают сок, который при нанесении на бумагу или материю имеет сначала свежий ярко-зеленый цвет, но неожиданно изменяет его на пурпурный. Если материал замочить в воде и отжать, вода окрашивается в винный цвет; такие виды красителя (их обычно называют «турнесоль») есть у аптекарей, в бакалейных лавках и в других местах, которые служат для окраски желе или других вещей, кто как хочет».
Вскоре краситель, полученный из гелиотропа — садового душистого растения с темно-лиловыми цветками, стал широко применяться химиками в качестве индикатора. В кислой среде он красный, в щелочной — синий. Вначале этим красителем исследовали в основном минеральные воды, а примерное 1670 года его начали использовать в химических опытах. «Как только вношу незначительно малое количество кислоты, — писал в 1694 году ботаник и главный аптекарь Людовика XIV Пьер Поме (1658–1699) о «турнесоле», — он становится красным, поэтому если кто хочет узнать, содержится ли в чем-нибудь кислота, его можно использовать». В 1704 году немецкий ученый М. Валентин назвал эту краску лакмусом; это слово и осталось во всех европейских языках (кроме французского, на котором лакмус — tournesol, что дословно означает «поворачивающийся за солнцем»). Так же французы называют и подсолнечник; кстати, «гелиотроп» означает то же самое, только по-гречески. Вскоре оказалось, что лакмус можно добывать и из более дешевого сырья, например, из некоторых видов лишайника.
Сейчас лакмус лишь изредка используют в химических лабораториях. Однако в современном русском языке слово «лакмус» закрепилось и используется в выражениях типа «Отношение к товарищам во время трудного похода, как лакмусовая бумажка, проявило характер этого человека» и т. п.
Химики в качестве индикатора используют также фенолфталеин. Это сложное органическое соединение, которое продается в аптеках как слабительное средство (раньше его называли пургеном). Растворы фенолфталеина широко используются в химии для распознавания щелочей: в щелочной среде он имеет ярко-малиновую окраску, а в нейтральных и кислых средах — бесцветен. Фенолфталеин довольно плохо растворяется в воде; для улучшения растворимости небольшое количество порошка растворяют сначала в 20–30 каплях спирта или водки, а затем добавляют еще немного воды. Используя раствор фенолфталеина как индикатор, вы можете проверить им растворы питьевой и стиральной соды, мыла, нашатырного спирта, различных стиральных и чистящих порошков, а также других хозяйственных средств, какие найдете. Появление малиновой окраски будет свидетельствовать о том, что раствор данного вещества имеет щелочной характер.
С помощью указанных индикаторов вы можете провести опыты по количественному определению разных кислотных и щелочных растворов. Например, если в вашей аптечке есть слабый раствор нашатырного спирта, попробуйте определить его концентрацию. Для этого воспользуйтесь уксусом, концентрацию которого вы уже определили. Кроме того, надо знать, в каких соотношениях реагируют эти вещества. Нашатырный спирт — это водный раствор аммиака, бесцветного газа с очень резким запахом. Если аммиака в воде растворено много (например, 25 %), то такой раствор «ударяет в нос» и «ест глаза», с ним мы работать не будем. В аптечном нашатырном спирте аммиака намного меньше — примерно 10 %; его применяют для возбуждения центральной нервной системы при обморочных состояниях. Добавляют нашатырный спирт и в некоторые средства для мытья стекол. Если склянка с нашатырным спиртом закрыта неплотно, то газообразный аммиак медленно улетучивается из раствора, так что в конце концов в ней остается чистая вода. Тем более интересно узнать, насколько крепок нашатырный спирт из вашей аптечки.
