Химия и Химики № 2 2015. Ртутное сердце. Mercury beating heart

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Капля ртути, серная кислота и перекись водорода

Кроме описанного в первой части статьи варианта опыта "ртутное сердце" с серной кислотой и бихроматом калия есть и другой вариант данного эксперимента - с серной кислотой и перекисью водорода. Преимущество этого варианта в том, что исходные вещества и продукты реакции не окрашены и не должны мешать наблюдению пульсаций капли ртути, как это бывает в опыте с бихроматом.

Нашел описание на сайте http://www.m-experiments.com/Mercury%20heart%20classical%20demonstration.html:

Mercury Beating Heart: Classical Demonstration
Miniature mercury pool in a watch glass is covered with aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide. When iron nail touches the mercury surface with the tip mercury starts to beat like a heart.

Materials
Watch glass (with diameter 8 or 10 cm), Petri dish with diameter 6 or 8 cm, plastic pipettes, plastic tray, iron nail, patafix, white sheet of paper.

Chemicals
Mercury, sulfuric acid (c = 2 mol/L), hydrogen peroxide (w = 10 %), sulfur

Experimental
* Work in a plastic tray. Place the chemicals in the tray.

* Place a white sheet of paper in the tray.

* Place the Petri dish on the paper sheet and on top of it the watch glass.

* Use the plastic pipette to add 1-2 mL of mercury in the watch glass.

* Use the patafix to fix the iron nail on the watch glass with the tip 1-3 mm from the mercury.

* Add sulfuric acid to the watch glass to cover the mercury pool and few drops of hydrogen peroxide.

* Move the watch glass to provide contact (just a gentle touch) of the nail to the mercury.

* Observe the shape changes of the mercury.

After the demonstration collect the liquid in a bottle with heavy metal waste

Observation and Discussion
When the mercury pool is touched with a tip of an iron nail, oscillations start. The oscillations create different shapes (Fig. 2) of the mercury pool (oval, equilateral triangle, pentagon etc.), depending on the experimental conditions. Redox reactions and surface tension changes take place during the oscillations. The system oscillates between two states. One, when the system is with high contracted mercury pool and it has high surface tension and high surface electron density. In this system consisting of an aqueous solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide as an oxidizing agent, touching the mercury surface with the tip of the iron nail provides electrons and causes the following redox reactions:

Fe(s) = Fe³⁺(aq) + 3e^-

When this contact breaks due to the mercury pool contraction another reaction takes place:

H₂O₂(aq) + 2H₃O⁺(aq) + 2e^- = 4H₂O(l)

This reaction shows how electrons are spent on reduction. This causes decrease in surface tension, the mercury pool flattens and the contact with the nail is archived again. Electrons are generated again and they provide high surface tension of the mercury which causes contraction of the mercury pool and the mercury is detached from the nail again.

Safety Tips
Mercury and its compounds are highly poisonous. Spilled mercury should be collected and saved in a closed labeled container. Sulfur powder may also be used onto the spilled droplets of mercury. In order to prevent mercury spill one should work in a plastic tray. Mercury vapor is especially dangerous, thus in badly ventilated laboratories the spilled mercury may induce chronic mercury poisoning.

Ртутное сердце: классическая демонстрация
Капля ртути на часовом стекле покрыта водным раствором серной кислоты и перекиси водорода. Когда железный гвоздь касается поверхности ртути, капля начинает пульсировать, словно сердце.

Материалы
Часовое стекло (диаметр 8 или 10 см), чашка Петри диаметром 6 или 8 см, пластиковая пипетка, пластиковый лоток, железный гвоздь, фиксирующие подушечки patafix, белый лист бумаги.

Химические реактивы
Ртуть, раствор серной кислоты (с = 2 моль / л), перекись водорода (W = 10%), сера

Экспериментальная часть
* Все работы со ртутью проводите только внутри пластикового лотка.

* Поместите в лоток белый лист бумаги.

* Поставьте чашку Петри на лист бумаги, положите в нее часовое стекло.

* Используйте пластиковую пипетку, чтобы налить 1-2 мл ртути на часовое стекло.

* Используйте фиксирующие подушечки patafix, чтобы закрепить железный гвоздь на расстоянии 1-3 мм от ртути.

* Налейте раствор серной кислоты в часовое стекло, чтобы покрыть раствором каплю ртути, добавьте несколько капель перекиси водорода.

* Сместите часовое стекло, чтобы острие гвоздя слегка коснулось поверхности ртути.

* Наблюдайте изменения формы капли ртути.

После эксперимента соберите жидкость в бутылку для отходов тяжелых металлов

Результаты и обсуждение
Когда капля ртути коснулась острия железного гвоздя, она начала пульсировать. Во время колебаний капля принимает различные формы (овал, равносторонний треугольник, пятиугольник и т.д.) - в зависимости от условий эксперимента. В результате окислительно-восстановительной реакции происходят периодические изменения поверхностного натяжения ртути. Система колеблется между двумя состояниями. В одном из них, когда капля находится в сжатом состоянии, ртуть имеет высокое поверхностное натяжение и высокую поверхностную плотность электронов.

Ртуть погружена в водный раствор серной кислоты и перекиси водорода в качестве окислителя. Когда кончик железного гвоздя касается ртути, от железа к ртути переходят электроны и имеет место следующая окислительно-восстановительная реакция:

Fe(тв) = Fe³⁺(р-р) + 3e^-

Когда этот контакт прерывается из-за сжатия капли ртути, происходит другая реакция:

H₂O₂(р-р) + 2H₃O⁺(р-р) + 2e^- = 4H₂O(ж)

Ртуть отдает электроны, которые идут на восстановление перекиси водорода. Это вызывает уменьшение поверхностного натяжения, капля ртути расширяется и контакт с острием гвоздя восстанавливается. Электроны опять переходят от железа к ртути, что приводит к увеличению поверхностного натяжения ртути, в результате происходит сжатие капли ртути. Ртуть снова теряет контакт с острием гвоздя и т.д.

Советы по технике безопасности
Ртуть и ее соединения очень ядовиты. Пролитую ртуть нужно собрать и хранить в закрытом сосуде с четкой подписью. Порошок серы можно использовать для нейтрализации пролитых капель ртути (сера для удаления ртути неэффективна - прим. перев.). Для того чтобы предотвратить пролив ртути, все работы следует проводить внутри пластикового лотка. Пары ртути особенно опасны в плохо проветриваемых лабораториях, где пролитая ртуть может стать причиной хронического отравления ртутью.

Посмотрел по таблицам: молярная концентрация серной кислоты 2 моль / л соответствует массовой концентрации 18%. Взвесил 15 г воды, добавил 3 г концентрированной кислоты и 3 капли 30% перекиси водорода. Потом, когда готовил вторую порцию раствора, к указанным количествам воды и кислоты добавил уже 7 капель 30% перекиси водорода.

На часовое стекло поместил капельку ртути, сначала - диаметром примерно 5 мм, в последующих опытах - до 30 мм. Добавил кислоту с перекисью. Ртуть быстро покрылась серой пленкой сульфата ртути (I). Прикоснулся к ртути гвоздем (гвоздь был закреплен в штативе, который можно сдвигать, но удобнее двигать бумагу с часовым стеклом). Начались пульсации.

Сначала колебания были непривычные - "овальные": при контакте с гвоздем капля приобретала овальную форму и отрывалась от гвоздя (большая полуось овала была примерно перпендикулярна линии капля-гвоздь). Потеряв контакт с железом, ртуть снова приобретала форму шарика. Потом капля становилась овалом, но на этот раз большая полуось уже была направлена к гвоздю, контакт с железом восстанавливался. Капля снова "отдергивалась", превратившись в шарик, а затем в овал с большой полуосью, перпендикулярной линии капля-гвоздь и т.д.

"Овальные" колебания наблюдались только в начала опыта - с небольшой каплей. С бОльшими каплями (до 3 см) наблюдались биения и "треугольные пульсации", как в предыдущем опыте с бихроматом.

Интересная картина была с гвоздями. Из трех больших гвоздей, с которыми я проводил опыт, с одним вообще ничего не получилось: хотя его кончик был острым, колебаний капли не было. С третьим гвоздем получалось, но не очень хорошо, вернее - не всегда. Со вторым гвоздем колебания всегда получались хорошо, хотя его острие было тупым (тупое острие имело небольшой тонкий выступ - видимо, он и работал).

Позже я понял, что острие гвоздя должно быть тонким, но сам гвоздь - толстым. Вернее, толстой должна быть та его часть, которая погружается в раствор. Если взять просто маленький гвоздь - пульсация ртути может быть вялой.

Как уже было отмечено, пульсация капли ртути происходит за счет электрохимической реакции, в частности - за счет растворения железа с поверхности гвоздя. Поэтому величина поверхности гвоздя должна быть такой, чтобы обеспечить переход достаточного количества ионов железа в раствор, а электронов - от гвоздя к капле ртути.

Пробовал использовать оцинкованный шуруп - с большой поверхностью и острым концом. В результате не только не было пульсаций, но при попытке оторвать шуруп от капли ртути, ртуть упорно тянулась за шурупом. Цинк образует амальгаму - в отличие от железа, это я помнил. Но, казалось бы, слой цинка должен был быстро раствориться в кислоте, обнажить железо и не создавать проблем. - Оказывается, что нет.

В опытах с большой каплей (до 3 см.) в часовое стекло пришлось добавить еще одну порцию раствора кислоты с перекисью, т.к. капля не полностью покрывалась кислотой.

Смотреть Видео (31 Мб, .avi ) Смотреть Видео 2 (24 Мб, .avi ) Смотреть Видео 3 (72 Мб, .avi ) Смотреть Видео 4 (53 Мб, .avi )