Жанр: Учеба
Химия для любознательных. Занимательные опыты.
...ирке образовалась метановая
(муравьиная) кислота.
Исследуем метановую кислоту
Метановая (муравьиная) кислота - простейшая органическая кислота. В
технике ее получают присоединением оксида углерода к гидроксиду натрия
под давлением. По уравнению
NaOH + CO = HCOONa
при этом образуется натриевая соль муравьиной кислоты - метанат
натрия, или формиат натрия. Она служит промежуточным продуктом при получении
других соединений и находит применение в текстильном и кожевенном
производстве. Метановая кислота обладает сильным дезинфицирующим и
консервирующим действием, поэтому ее используют для предохранения от
порчи пищевых продуктов и силоса. Некоторые применяемые при силосовании
препараты представляют собой, в основном, раствор метановой кислоты.
С метановой кислотой, приобретенной в магазине, проведем следующие
опыты. (Осторожно! Концентрированная метановая кислота ядовита и
разъедает кожу!)
В пробирку нальем 5 мл разбавленной серной кислоты и добавим раствор
перманганата калия - столько, чтобы жидкость была сильно окрашена. После
этого добавим еще 5 мл приблизительно 80 % метановой кислоты. При
нагревании смесь обесцвечивается вследствие восстановления перманганата
до сульфата марганца (II). При этом метановая кислота окисляется до
диоксида углерода и воды.
В последующих пробирочных опытах проверим, растворяются ли в 60 %
метановой кислоте магний, цинк, железо и никель. Активные металлы
реагируют с метановой и другими органическими кислотами с образованием
солей и выделением водорода. Таким образом, органические кислоты ведут
себя совершенно аналогично неорганическим, но, как правило, они слабее.
Концентрированная серная кислота и некоторые катализаторы разлагают
метановую кислоту на оксид углерода СО и воду. Нагреем 1 мл безводной
метановой кислоты с избытком концентрированной серной кислоты в
пробирке, закрытой резиновой пробкой, в которую вставлена стеклянная
трубка. Из этой трубки улетучивается газ, который при поджигании горит
бледно-голубым пламенем. Это ядовитый оксид углерода (угарный газ), с
которым мы уже знакомы. Из-за связанной с этим опасности опыт нужно проводить
в вытяжном шкафу или на открытом воздухе.
В заключение надо еще отметить, что метановая кислота и ее соли часто
встречаются в природе. Как видно уже по ее второму названию
(муравьиная), эта кислота входит в состав ядовитых выделений муравьев.
Кроме того, она обнаружена в выделениях пчел, в крапиве и т. д.
Опыты с этанолом
Итак, мы познакомились с метанолом, метаналем и метановой кислотой.
Подобные им соединения, содержащие два атома углерода, имеют наибольшее
значение в технике.
Этанол (этиловый спирт), который обычно называют просто спиртом,
образуется при так называемом спиртовом брожении. Многие виды сахаров, а
также продукт осахаривания крахмала в присутствии солода расщепляются
под действием микроскопически маленьких дрожжевых грибков в образованием
спирта и углекислого газа. Каждый, кто хоть раз видел, как бродит
фруктовый сок, наблюдал интенсивное выделение углекислого газа из отводной
трубки. А то, что в полученном вине действительно содержится спирт,
легко заметить по поведению человека, который это вино выпьет.
Поскольку спиртовое брожение может происходить самопроизвольно,
разбавленный спирт известен людям с древнейшего времени как возбуждающий
напиток. О губительных же последствиях пьянства едва ли нужно говорить.
В особенности молодежи следует полностью отказаться от употребления
спиртных напитков. Получение этаналя
При окислении этанола образуется этаналь (уксусный альдегид) и далее
этановая кислота (уксусная кислота). Сильные окислители сразу превращают
этаналь в уксусную кислоту. К тому же результату приводит и окисление
кислородом воздуха под влиянием бактерий. Мы легко сможем убедиться в
этом, если немного разбавим спирт и оставим его на некоторое время в
открытой чашке, а затем проверим реакцию на лакмус. Для получения столового
уксуса до сих пор используют, в основном, уксуснокислое брожение
спирта или низкосортных вин (винный уксус). Для этого спиртовый раствор
при интенсивной подаче воздуха медленно пропускают через опилки из
буковой древесины. В продажу поступает 5 % или 10 %-ный столовый уксус
или так называемая уксусная эссенция, содержащая 40 % уксусной кислоты
(В СССР концентрация пищевой уксусной эссенции, поставляемой в торговую
сеть, составляет 80 %, а концентрация столового уксуса - 9 %.- Прим.
перев). Для большинства опытов она нам подойдет. Лишь в некоторых
случаях понадобится безводная (ледяная) уксусная кислота, которая относится
к числу ядов. Ее можно купить в аптеке или магазине химических
реактивов. Она уже при 16,6 °С затвердевает в кристаллическую массу, похожую
на лед. Синтетическим путем уксусную кислоту получают из этина
через этаналь.
Неоднократно упоминавшийся этаналь, или уксусный альдегид, -
важнейший промежуточный продукт в химической технологии, основанной на
использовании карбида кальция. Его можно превратить в уксусную кислоту,
спирт или же в бутадиен - исходное вещество для получения синтетического
каучука. Сам этаналь производится в промышленности путем присоединения
воды к этину. В ГДР на комбинате синтетического бутадиенового каучука в
Шкопау этот процесс осуществляется в мощных реакторах непрерывного
действия. Сущность процесса заключается в том, что этин вводится в
нагретую разбавленную серную кислоту, в которой растворены катализаторы
- соли ртути и другие вещества (Эта реакция открыта русским ученым М. Г.
Кучеровым в 1881 г. - Прим. перев). Поскольку соли ртути очень ядовиты,
мы не будем сами синтезировать этаналь из этина. Выберем более простой
способ - осторожное окисление этанола.
Нальем в пробирку 2 мл спирта (денатурата) и добавим 5 мл 20%-ной
серной кислоты и 3 г тонкоизмельченного бихромата калия. Затем быстро
закроем пробирку резиновой пробкой, в которую вставлена изогнутая
стеклянная трубка. Смесь нагреем малым пламенем до кипения и
выделяющиеся при этом пары пропустим через ледяную воду. Образующийся
этаналь растворяется в воде, и его можно обнаружить с помощью описанных
выше реакций для определения алканалей. Кроме того, раствор проявляет
кислую реакцию, потому что окисление легко идет дальше с образованием
уксусной кислоты.
Чтобы получить этаналь в больших количествах и более чистым, соберем,
руководствуясь рисунком, более сложную установку. Однако этот опыт можно
выполнять только в кружке или при наличии у читателя большого опыта.
Этаналь ядовит и очень летуч!
Левая часть установки предназначена для пропускания тока диоксида углерода
(углекислого газа). Последний необходим для удаления выделяющегося
этаналя из сферы реакции, прежде чем он окислится дальше до уксусной
кислоты. Поместим в колбу кусочки мрамора и будем добавлять к ним малыми
порциями разбавленную соляную кислоту. Для этого нужна капельная воронка
с длинной отводной трубкой (не менее 25 см). Можно плотно присоединить
такую трубку и к обычной капельной воронке с помощью резинового шланга.
Эта трубка должна быть все время заполнена кислотой, чтобы Углекислый
газ мог преодолеть избыточное сопротивление последующей части установки
и не выходил в обратном направлении (Можно использовать и капельную воронку
без длинной отводной трубки. В этом случае в пробку, закрывающую
колбу с мрамором, нужно вставить еще одну короткую стеклянную трубку.
Такую же трубку вставим в пробку, закрывающую капельную воронку, и соединим
обе трубки резиновым шлангом. Еще удобнее пользоваться аппаратом
Киппа. - Прим. перев.).
Как обеспечить выравнивание давления в приборе для выделения газа,
показано на рисунке на стр. 45.
В другой сосуд, который служит реактором, - круглодонную колбу на 250
мл - нальем сначала 20 мл денатурата. Затем растворим 40 г тонкоизмельченного
бихромата калия или натрия (Яд!) в 100 мл разбавленной серной
кислоты (Добавим 20 мл концентрированной серной кислоты к 80 мл воды.)
Ввиду большей плотности серной кислоты обязательно нужно приливать ее к
воде, а не наоборот. Серную кислоту всегда добавляют постепенно и только
в защитных очках. Ни в коем случае нельзя лить воду в серную кислоту!
Одну треть приготовленного раствора сразу поместим в реактор, а остальную
часть - в соединенную с реактором капельную воронку. Вставим в
реактор отвод трубки, соединяющей его с устройством для выделения углекислого
газа. Эта трубка должна быть погружена в жидкость.
Наконец, особого внимания заслуживает система охлаждения. В трубке,
которая под углом отходит вверх от реактора, должны конденсироваться
пары спирта и уксусной кислоты. Лучше всего охлаждать эту трубку с
помощью наружного свинцового змеевика, пропуская через него проточную
воду. В крайнем случае, можно обойтись без охлаждения, но тогда мы получим
более грязный продукт. Для конденсации этаналя, который кипит уже
при 20,2 °С, используем прямой холодильник. Желательно, конечно, взять
эффективный холодильник - змеевиковый, шариковый или с внутренним
охлаждением. В крайнем случае подойдет и не слишком короткий холодильник
Либиха. В любом случае охлаждающая вода должна быть очень холодной. Водопроводная
вода годится для этого только зимой. В другое же время года
можно пропускать ледяную воду из большого бака, установленного на
достаточной высоте. Приемники - две соединенные друг с другом пробирки -
охладим, погрузив их в охлаждающую смесь из равных (по массе) количеств
измельченного льда или снега и поваренной соли. Несмотря на все эти меры
предосторожности, пары этаналя все же частично улетучиваются. Так как
этаналь имеет неприятный резкий запах и ядовит, опыт нужно проводить в
вытяжном шкафу или на открытом воздухе.
Только теперь, когда установка заряжена и собрана, начнем опыт. Вначале
проверим работу прибора для выделения газа, приливая к мрамору малое
количество соляной кислоты. При этом установка сразу же заполняется углекислым
газом. Если он наверняка проходит через реактор и никаких неплотностей
не обнаруживается, приступим собственно к получению этаналя,
Приостановим выделение газа, включим всю систему охлаждения и нагреем
содержимое реактора до кипения. Поскольку теперь при окислении спирта
выделяется тепло, горелку можно убрать. После этого снова будем постепенно
добавлять соляную кислоту, чтобы через реакционную смесь все время
проходил умеренный ток углекислого газа. Одновременно оставшийся раствор
бихромата должен медленно поступать из капельной воронки в реактор.
По окончании реакции в каждом из двух приемников содержится по
несколько миллилитров почти чистого этаналя. Заткнем пробирки ватой и
сохраним для следующих опытов на холоду. Длительное хранение этаналя
нецелесообразно и опасно, так как он слишком легко испаряется и, находясь
в склянке с притертой пробкой, может с силой выбивать пробку. В
продажу этаналь поступает только в запаянных толстостенных стеклянных
ампулах.
Опыты с этаналем
Помимо описанных выше качественных реакций, мы можем провести с
малыми количествами этаналя ряд других опытов,
В пробирке к 1-2 мл этаналя осторожно добавим (в защитных очках и на
расстоянии от себя) с помощью стеклянной палочки 1 каплю концентрированной
серной кислоты. Начинается бурная реакция. Как только она затихнет,
разбавим реакционную смесь водой и встряхнем пробирку. Выделяется
жидкость, которая в отличие от этаналя не смешивается с водой и кипит
только при 124 °С. Она получается в результате соединения трех молекул
этаналя с образованием кольца:
Этот полимер этаналя называется паральдегидом. При перегонке с
разбавленными кислотами он превращается снова в этаналь. Паральдегид
применяется в медицине в качестве снотворного средства.
В следующем опыте осторожно нагреем малое количество этаналя с концентрированным
раствором едкого натра. Выделяется желтая "альдегидная
смола". Она тоже возникает вследствие присоединения друг к другу молекул
этаналя. Однако в отличие от паральдегида молекулы этой смолы построены
из большого числа молекул этаналя.
Другой твердый продукт полимеризации - метальдегид - образуется при
обработке этаналя на холоду газообразным хлористым водородом. Раньше он
находил некоторое применение в качестве твердого горючего ("сухого
спирта").
Приблизительно 0,5 мл этаналя разбавим 2 мл воды. Добавим 1 мл
разбавленного раствора едкого натра или соды и будем нагревать в течение
нескольких минут. Мы почувствуем исключительно резкий запах кротонового
альдегида. (Проводить опыт в вытяжном шкафу или на открытом воздухе!).
Из этаналя в результате присоединения друг к другу двух его молекул
образуется вначале альдол, который также является промежуточным
продуктом при получении бутадиена. Он содержит одновременно функциональные
группы и алканаля, и алканола.
Отщепляя воду, альдол превращается в кротоновый альдегид:
РАСТВОРИТЕЛИ В БЫТУ И ТЕХНИКЕ
В наши дни органические растворители можно найти в любом доме. Кому
не приходилось пятновыводителем удалять пятна жира или смолы с одежды?
Все лаки, многие клеи, например резиновый, также содержат различные органические
растворители. При наличии некоторого опыта можно уже по запаху
сказать, какое именно вещество служит в этих смесях растворителем.
Органические растворители требуются почти на любом производстве. Жиры
и масла извлекают из растений растворителями. Производство пластмасс,
текстильная и лакокрасочная промышленность потребляют растворители в огромных
количествах. Так же обстоит дело в производстве лекарственных препаратов
и косметики, во многих других отраслях хозяйства.
С некоторыми главными растворителями, например бензином и спиртом,
многим наверняка приходилось встречаться. При оценке растворителя играют
роль многие факторы. Прежде всего, конечно, важно, какие вещества в нем
хорошо растворяются. Так, в спирте прекрасно растворяются многие смолы,
лекарственные и косметические средства, тогда как жиры и парафин
растворяются в нем очень плохо. Кроме того, при сопоставлении
растворителей существенную роль играют их горючесть, температура кипения,
токсичность и, не в последнюю очередь, стоимость.
Следующие опыты проведем с несколькими соединениями, которые особенно
часто применяются в качестве растворителей.
Тетрахлорметан - негорючий растворитель
Если в метане все четыре атома водорода заместить хлором, то получится
тетрахлорметан (четыреххлористый углерод). Тетрахлорметан
представляет собой жидкость, которая кипит при 76 °С и имеет плотность
1,593 г/см3. Таким образом, он намного тяжелее воды и почти не
смешивается с ней. Тетрахлорметан превосходно растворяет смолы, жиры и
т. д. и имеет перед другими растворителями большое преимущество: он не
горит. Напротив! Его тяжелые пары подавляют пламя, благодаря этому его
используют в огнетушителях.
Нальем в чашку немного бензина, спирта или ацетона и на открытом
воздухе осторожно подожжем эту горючую жидкость. Если мы добавим теперь
несколько миллилитров тетрахлорметана, то огонь погаснет. Следует
учесть, что при гашении техрахлорметаном может образоваться очень
ядовитый газ фосген СОСl2. Поэтому в закрытых помещениях это средство
для тушения огня можно применять только с соответствующими предосторожностями.
В последнее время заряженные тетрахлорметаном огнетушители
выходят из употребления. Вместо него в огнетушителях теперь применяются
смешанные бром-хлор- или фтор-хлорпроизводные углеводородов.
В следующем опыте смешаем 2 мл тетрахлорметана с 1,5 г цинковой пыли.
Последняя представляет собой очень мелкий порошок, который получается
при конденсации паров цинка. К смеси добавим еще столько жженой магнезии
или оксида цинка, чтобы получилась паста средней вязкости. Поместим ее
на кусок листового железа или в железный тигель и на открытом воздухе
нагреем на голом огне до 200 °С. При этом начинается бурная реакция,
приводящая к повышению температуры смеси выше 1000 °С. Одновременно
выделяется густой дым. Тетрахлорметан и цинк реагируют с образованием
хлорида цинка:
2Zn + CCl4 = 2ZnCl2 + C
Хлорид цинка при высокой температуре испаряется и образует туман,
притягивая воду из воздуха.
Другие металлы, особенно железо, тоже медленно реагируют с тетрахлорметаном.
Поэтому он способствует коррозии и не годится в качестве
растворителя лаков для металла и тому подобных целей.
Тетрахлорметан довольно ядовит. Вдыхание его паров в малых дозах
оказывает наркотическое действие, а в больших дозах или при так
называемом хроническом отравлении приводит к тяжелым поражениям печени.
Поэтому при работе с тетрахлорметаном нужна осторожность! Надежная вентиляция
исключит накопление паров тетрахлорметана в воздухе.
Пропанон растворяет жир
Следующим важным представителем группы растворителей является пропанон
(ацетон).
При сухой перегонке древесины мы получили кальциевую соль уксусной
кислоты - "серый древесноуксусный порошок". Тот, кто не проводил этого
опыта, легко может приготовить указанную соль путем нейтрализации
разбавленного раствора уксусной кислоты (столового уксуса) карбонатом
или гидроксидом кальция.
Для получения ацетона поместим несколько граммов древесноуксусного
порошка в пробирку из тугоплавкого стекла. Пробирку закроем резиновой
пробкой, в отверстие которой вставлена изогнутая стеклянная трубка. Эту
трубку охладим с помощью свинцового змеевика. Приемником может служить
пробирка, погруженная в ледяную воду. Из-за огнеопасности продукта отводная
трубка должна быть не слишком короткой, чтобы расстояние между
пламенем и приемником было как можно больше. Кроме того, учтем, что опыт
можно проводить только в вытяжном шкафу или на открытом воздухе.
Сильно нагреем пробирку с порошком горелкой Бунзена. Выделяются пары,
и в приемнике конденсируется подвижная жидкость, которая в зависимости
от степени чистоты исходной соли имеет окраску от желтой до коричневатой.
Она состоит, главным образом из ацетона, применяемого в
качестве растворителя жиров:
В превосходных свойствах этого растворителя легко убедиться,
растворяя небольшие количества жира, воска, лака и других органических
веществ. Многие пластмассы тоже растворяются в ацетоне или по крайней
мере набухают в нем. Попробуйте обработать им кусочек целлулоида, полистирола
или другой пластмассы. Что и говорить - отличный растворитель,
к тому же, в отличие от тетрахлорметана, он не вызывает коррозии. Зато
очень легко воспламеняется. Чтобы убедиться и в этом, нальем чуть-чуть в
чашку и подожжем, осторожно приближая источник огня.
В чистом состоянии ацетон (пропанон) - бесцветная жидкость, кипящая
уже при 56,2 °С и имеющая своеобразный, не лишенный приятности запах.
Раньше его получали большей частью путем сухой перегонки серого древесноуксусного
порошка, а в наши дни производят различными методами, в том
числе из уксусной кислоты при пропускании ее паров над катализатором,
окислением изопропилового спирта и брожением крахмала под влиянием соответствующих
бактерий. В последние годы ацетон получают одновременно с
фенолом окольным путем - через стадию образования кумола - из газов
нефтехимического производства.
По своему химическому строению ацетон - простейший представитель
алканонов (кетонов), родственных алканалям (альдегидам). В то время, как
алканали, например метаналь или этаналь, содержат группу С=O на конце
молекулы, у алканонов такая группа находится у "внутреннего", т. е. не у
крайнего в цепи атома углерода. Алканоны проявляют ненасыщенность в
меньшей степени, чем алканали, и поэтому не обнаруживаются с помощью
качественных реакций, характерных для алканалей. (Проверить!)
И, наконец, эфир
В заключение рассмотрим эфир, который, помимо его применения в
медицине для наркоза, является прекрасным растворителем для жиров и многих
других веществ.
Строго говоря, существуют различные простые эфиры, которые так же,
как алканали или алканоны, образуют класс соединений со сходными
свойствами. Обычный эфир строго должен называться диэтиловым эфиром. Он
образуется из двух молекул этанола путем отщепления воды, обычно с
помощью концентрированной серной кислоты:
Получим малое количество эфира. Для этого в пробирку нальем около 2
мл денатурата и 1,5 мл концентрированной серной кислоты. Подберем к
пробирке пробку с двумя отверстиями. В одно из них вставим маленькую
капельную воронку или просто маленькую воронку с удлиненной трубкой,
выход из которой вначале закроем с помощью кусочка резинового шланга и
зажима. Используя второе отверстие в пробке, присоединим к пробирке
устройство для охлаждения паров - такое же, как и при получении этаналя.
Приемник надо непременно охлаждать водой со льдом, потому что эфир кипит
уже при 34,6 °С! Ввиду его необычайно легкой воспламеняемости, холодильник
должен быть как можно длиннее (не меньше 80 см), чтобы между источником
огня и приемником было достаточное расстояние. По этой же причине
проведем опыт вдали от горючих предметов, на открытом воздухе или в
вытяжном шкафу. Нальем в воронку еще около 5 мл денатурата и осторожно
нагреем пробирку на асбестированной сетке горелкой Бунзена приблизительно
до 140 °С (Температура не должна превышать 145 0С, так как при более
высокой (около 170 0С) образуется этен. Даже при работе с малым
количеством эфира всегда следует учитывать опасность пожара. Поэтому
рекомендуем заменить горелку закрытой электрической плиткой и между
источником тепла и приемником установить защитный экран. При использовании
капельной воронки надо тщательно смазать и проверить кран. В
качестве приемника лучше всего взять плотно присоединенную к холодильнику
пробирку с боковым отводом, на который можно надеть резиновый шланг
для увеличения расстояния между выходящими парами эфира и источником
тепла. Приемник лучше охлаждать смесью льда с солью - Прим. перев). В
приемнике конденсируется очень летучий дистиллят, и в случае недостаточного
охлаждения мы почувствуем характерный запах эфира. Осторожно приоткрывая
зажим, будем постепенно, малыми порциями добавлять спирт. В
конце реакции серная кислота все больше разбавляется образующейся водой,
в результате чего образование эфира прекращается и перегоняется уже
спирт.
При тщательном выполнении опыта мы получим около 4 мл очень подвижной,
прозрачной жидкости, которая состоит в основном из эфира. Если
несколько капель его нанести на палец, то почувствуешь сильный холод.
Дело в том, что эфир быстро испаряется, а теплота испарения отнимается
от окружающей его среды.
На химических предприятиях и в больницах при работе с эфиром случались
очень сильные взрывы. При длительном соприкосновении с кислородом
воздуха и под влиянием солнечного света в эфире образуются легко
взрывающиеся перекиси. Поэтому ни в коем случае не будем хранить большее
количество эфира. Оно не понадобится нам ни в одном из опытов,
рекомендуемых в этой книге. Эфир будет нужен нам только в смеси с двумя
частями спирта как растворитель для коллодия. Поэтому остаток эфира
сразу разбавим двойным количеством спирта и будем хранить только в виде
этой безопасной смеси в надежно закрытой бутылочке из темно-коричневого
стекла.
Продолжительное вдыхание паров эфира вызывает потерю сознания, что
впервые использовали в 1846 г. Джексон и Мортон для наркоза (Для этой
цели эфир во время хирургической операции впервые применил Лонг (США) в
1842 г, но этот эксперимент не был опубликован. - Прим. перев.). Тщательно
очищенный эфир и сейчас применяется с этой целью. Однако можно
надеяться, что читатели этой книги заслуживают доверия и, конечно, не
будут проводить опасных, безответственных и категорически недопустимых
собственных опытов, связанных с наркозом.
Завершая этот раздел, посвященный растворителям, следует подчеркнуть,
что в следующих частях книги мы еще познакомимся с другими важными
растворителями, например, с бензолом и сложными эфирами, прекрасно
растворяющими лаки и пластмассы.
ПРОИЗВОДНЫЕ БЕНЗОЛА
Углеродный скелет органических соединений, которые мы рассматривали
до сих пор, представлял собой прямые или разветвленные цепи. Немецкий
химик Август Кекуле впервые открыл, что молекулы многих других органических
соединений построены по типу кольца. Важнейшее кольцо
(циклическое соединение углерода) - бензол - содержится в количестве 1-2
% в каменноугольной смоле, из которой его и получают.
Бензол - бесцветная жидкость, которая кипит при 80,2 °С и
затвердевает при 5,5 °С. Для того, кто хранит свои реактивы в неотапливаемом
помещении, замерзание бензола - признак того, что пора найти
место потеплее для склянок с водными растворами, чтобы они не раскололись,
когда начнет замерзать вода.
Бензол очень огнеопасен! Поместим несколько капель его на часовое
стекло и осторожно поднесем горящую спичку. Бензол воспламенится раньше,
чем пламя соприкоснется с жидкостью. Он горит коптящим пламенем, что
указывает на высокое содержание углерода. Брутто-формула бензола - С6Н6.
Таким образом, соотношение углерода и водорода у него такое же, как у
этина. Действительно, бензол образуется из трех молекул этина при пропускании
последнего через раскаленную железную или кварцевую трубку. Но
мы
...Поділитися у соцмережах
