Химия и Химики № 1 2015. Осаждение и дегидратация гидроксида меди (II)

Теперь разложение гидроксида меди при кипячении с маточным раствором. Если нагревать в стакане просто раствор без осадка, то нижние слои раствора получают тепло от электрической плитки, их плотность уменьшается, и они всплывают. На их место опускается более холодный и тяжелый раствор с верхних слоев жидкости. Холодная жидкость снова нагревается возле дна, стает менее плотной, и всплывает. Это продолжается до тех пор, пока весь раствор в стакане не нагреется и закипит.

Описанное явление называется конвекция. Благодаря конвекции осуществляется эффективный перенос тепла в жидкостях и газах. Если нагревать раствор с осадком на дне, наличие осадка вносит свои коррективы. Нижние слои жидкости нагреваются от электрической плиты, но осадок мешает им всплыть. В результате снизу (под слоем осадка) вода может нагреться до бурного кипения, а сверху остаться холодной. Конвекция подавлена.

Когда крупные пузыри пара все-таки прорываются через слой осадка, они попадают в холодный раствор и сразу же "схлопываются" (пар резко конденсируется). Возникает гидравлический удар. В результате стакан может "подпрыгнуть" и упасть с плитки; разбиться за счет удара об саму плитку или может произойти разбрызгивание содержимого.

С подобными неприятностями при нагревании раствора с массивным осадком постоянно приходится сталкиваться химикам. Например, один раз я оставил на плитке раствор гидроксида циркония в муравьиной кислоте. Поставил слабый нагрев и пошел в магазин. Когда пришел минут через 20, оказалось, что раствор возле дна стакана превратился в гелеобразную массу, в результате началось неравномерное кипение, стакан "улетел" и разбился.

В подобных случаях часто помогает хорошее перемешивание - чтобы не дать осадку находиться у дна, вызывая перегрев нижних слоев воды. Если нужен нагрев не до кипения, стакан с осадком можно поставить в термостат (сушильный шкаф) - в этом случае содержимое стакана будет греться со всех сторон, а не только со дна.

В предыдущем опыте по дегидратации гидроксида меди (см. первую часть статьи) слой осадка гидроксида меди был не слишком массивным, поэтому горячий раствор со дна стакана смог прорваться сквозь слой осадка в верх стакана. Благодаря тому, что в горячем растворе осадок стал черным, а в холодном - оставался голубым, передвижение горячих и холодных струй было видно визуально (это напоминало лавовую лампу). Осадок не смог помешать конвекции.

Во втором эксперименте слой осадка был гораздо массивнее - он занимал бОльшую часть стакана. Когда я поставил стакан на электрическую плитку, нижний слой осадка стал чернеть. Но горячий нижний слой раствора с черными частичками оксида меди не смог прорваться через массивный слой гидроксида меди, в результате вода у дна начала локально кипеть, образовывались большие пузыри. Это грозило тем, что в результате неравномерного кипения начнутся резкие толчки и стакан слетит с плитки. Стал рядом - чтобы успеть подхватить.

Через некоторое время пузыри пара прорвались через слой осадка, проложив дорогу потокам горячего раствора снизу. Постепенно началось перемешивание, осадок по всему объему начал активно чернеть. Чтобы ускорить этот процесс, перемешал содержимое стакана шпателем. Вскоре практически весь осадок стал черным.

После прекращения нагрева оксид меди стал медленно оседать на дно, причем значительная его часть долго держалась в верхней части стакана.

К сказанному добавлю, что если при нагревании емкости с жидкостью на плитке конвекция подавлена, то это может привести не только к неравномерному кипению и, как результат, - к падению емкости или разбрызгиванию содержимого. В результате локального перегрева нижних слоев жидкости возможны нежелательные процессы разложения. Причем конвекция может быть затруднена не только в результате наличия на дне осадка, но и из-за того, что сама жидкость слишком вязкая.

В нашем случае оксид меди перегрева не боится, но, например, органические вещества к нему очень чувствительны. Например, при прямом нагреве на плите крахмальный клейстер, микробиологические среды или всем любимая манная каша могут подгореть снизу. На дне образуется корка из обугленной органики, которая плохо проводит тепло и еще больше усиливает перегрев дна сосуда. Чтобы этого не случилось, жидкость активно перемешивают (например, ложкой в кастрюле), нагрев поддерживают умеренный, а в некоторых случаях используют водяную баню.

Смотреть Видео (96 Мб, .avi )