Experiments with aluminium beverage cans. Эксперименты с алюминиевыми пивными банками

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

Metallic aluminium and potassium hydroxide - pt.5 / Металлический алюминий и гидроксид калия

The beverage cans are made of aluminium, which contain some per cent another elements, or made of steel. Aluminium reacts with alkali very active. The second can was put in potassium hydroxide solution to dissolve aluminium.

Решил повторить эксперимент, описанный в первой части, - взаимодействие алюминиевой пивной банки с гидроксидом калия, только на этот раз довести процесс до конца: растворить алюминий банки в щелочи как можно более полно.

В качестве сосуда для эксперимента взял другую полулитровую стеклянную банку, поскольку банку, использованную в первом эксперименте, существенно разъела щелочь: в результате действия гидроксида калия на поверхности стекла появились дефекты, которые будут мешать съемке.

В стеклянную банку поместил 53 г гидроксида калия, добавил 50 мл воды, потом поместил в раствор алюминиевую банку, немного размешал. Низ банки стал реагировать со щелочью - сразу же началось выделение водорода, которое происходило со средней скоростью.

Первая же проблема, которая была очевидна еще до опыта: алюминиевая банка пустая, поэтому она плавала на поверхности щелочи, почти не погружаясь в раствор. Плюс, внутри вогнутого дна собирался водород, что также препятствовало растворению алюминия. В прошлый раз я поместил в банку стеклянные палочки: для увеличения веса и "углубления осадки" банки (в терминах флота).

Draft marks on a ship's bow / Шкала, показывающая текущую осадку судна

В этот раз я ничего класть в банку не стал, т.к. боялся повредить внутреннюю полимерную пленку, которая обнажится после растворения алюминия.

Время от времени прижимал банку рукой, чтобы она погрузилась в раствор. Алюминиевое дно реагировало со средней скоростью: раздавалось шипение, раствор стал бело-мутным от пузырьков газа. Зато боковые стенки не реагировали со щелочью: их защищала полиграфия (не интересовался, каким способом наносят полиграфию на пивные банки, но похоже на слой краски). Я ожидал, что стенки банки начнут растворяться снизу после того, как растворится дно, но до этого пока еще было далеко.

Вынул банку из раствора, чтобы осмотреть дно, оказалось, что маркировка с датой только начала сходить. Остатки раствора на поверхности алюминия продолжали с шипением реагировать, образуя едкий аэрозоль. Сам раствор на поверхности алюминия превращался в полужидкую серую пену.

Вернул банку в щелочь и продолжил растворение. Жидкость постепенно стала серой, потом - черной (из-за нерастворимых в щелочи взвешенных частиц), выделение водорода - постоянно усиливалось. Начал лететь едкий аэрозоль щелочи. Когда я прикасался к крышке банки, отчетливо ощущал тепло. Не было сомнений, что снизу банки (где алюминий контактирует со щелочью), разогрев был гораздо сильнее. Реакция стала очень бурной.

Вынул банку, осмотрел состояние дна. Маркировку (дату) давно уже стравило, но дно все еще не потеряло целостность. Остатки раствора на поверхности металла продолжали бурно реагировать.

Вскоре по изменению звука реакции определил, что дно - "все". Вынул банку и посмотрел - действительно: алюминиевое дно растворилось по ободку, осталась только полимерная пленка. По центру дна алюминий еще был.

Вернул банку в раствор - бурная реакция возобновилась. Вскоре весь алюминий со дна растворился, внутри полимерной пленки был черный раствор, т.е. ее целостность пленки нарушена. Потом начали растворяться стенок банки: пленка с полиграфией местами отставала, алюминиевые стенки начали реагировать.

Добавил в раствор еще 50 мл воды, чтобы банка была глубже погружена в раствор. Потом добавил еще 100 мл воды. Периодически приподнимал банку, чтобы увидеть, что происходит внутри. Во время одной из таких процедур пленка не выдержала веса раствора внутри и порвалась.

Придавил банку чашкой Петри, налил воды, чтобы она почти покрыла банку и добавил еще гидроксида калия - с целью растворить алюминий банки окончательно. Через двое суток боковые стенки банки преимущественно растворились, остались только: полимерная пленка, металлическая крышка банки и верхняя часть боковых стенок.

Если доступна недорогая щелочь (едкий натр или едкое кали), порезанные алюминиевые банки вполне можно использовать для получения водорода в лаборатории. Главной проблемой будет контроль скорости выделения газа, поскольку данная реакция имеет тенденцию самоускоряться. В таких случаях помогает охлаждение сосуда с реакционной смесью водой.

Реакция алюминия и щелочи может выручить, когда водород в лаборатории требуется нечасто. Если водород будет нужен регулярно - лучше купить/сконструировать генератор водорода, в котором водород образуется в результате электролиза воды. Другая альтернатива - баллон с водородом. Обращение с баллонами - хлопотный и опасный процесс, но химики предпочитают "получать" газы из баллонов и, если возможно, - электролизом, а НЕ путем проведения реакций в аппарате Киппа или аналогах.

Reaction of potassium aluminate K[Al(OH)₄] and aluminium sulphate Al₂(SO₄)₃ - pt.6 / Реакция алюмината калия K[Al(OH)₄] и сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃

Usually, two different methods are used for preparation of aluminium hydroxide. First one is the interaction of a solution of an aluminium salt with an alkali. The second method is the reaction of a solution of alkali metal aluminate and a strong acid.

In this experiment these methods are combined together (in one chemical reaction).

Two aluminium compounds (K[Al(OH)₄] and Al₂(SO₄)₃) react with each other in aqueous solution to form aluminum hydroxide Al(OH)₃. The solution of K[Al(OH)₄] is alkaline, the solution of Al₂(SO₄)₃) is acidic. Together they give Al(OH)₃ and a neutral salt - K₂SO₄.

После растворения алюминиевой банки в едком кали образовался раствор алюмината калия коричневого цвета, загрязненный механическими примесями. Профильтровал его через вату - получился прозрачный и бесцветный раствор. Для каких экспериментов можно его использовать? Можно, например, снова провести взаимодействие алюмината с какой-то кислотой, чтобы наблюдать образование, а потом и растворение осадка гидроксида алюминия. Но такой эксперимент уже был: осаждение, а затем и растворение гидроксида алюминия при действии на алюминат калия азотной кислоты. Если заменить азотную кислоту на серной или соляной - вряд ли будет существенная разница.

Мимо воли вспомнил пословицу, которую любил повторять коллега:

"А давайте заменим галлий на таллий!"

Это про тех бездумных исследователей, которые, будучи не способными придумать что-то свое, берут чужие работы из литературы и повторяют их, меняя исходные вещества на их химические аналоги. В конкретном случае галлий и таллий отличаются существенно: не только в плане токсикологии, а и по химическим свойствам, но, если вместо калия взять рубидий, а вместо рубидия - цезий, то результат, скорее всего, будет аналогичным, зато появится эффект новизны, разумеется, новизна эта будет "второго сорта". С таким же успехом вместо иттрия можно взять скандий; вместо циркония - гафний, вместо вольфрама - молибден, вместо одного лантаноида - другой и т.д.

Хотелось попробовать что-то "более другое" (качественно отличное от предыдущего). Какие были мысли? Несколько. Начнем с такой - есть два принципиально разных способа получить гидроксид алюминия:

1. раствор соли алюминия + щелочь;

2. раствор алюмината + кислота.

В обоих случаях выпадает гидроксид алюминия:

Al³⁺ + 3OH^- = Al(OH)₃

[Al(OH)₄]^- + H⁺ = Al(OH)₃ + HOH

Коллега позже отметил, что заряд коллоидных частиц гидроксида алюминия (мицелл) зависит от того, каким способом он был получен: "кислотным" или "щелочным". В первом случае поверхность будет заряжена положительно и координировать вокруг себя анионы из раствора, во втором случае поверхность гидроксида алюминия будет заряжена отрицательно и координировать вокруг себя катионы из раствора.

Это я узнал потом. Тогда же подумал, что есть принципиальная возможность объединить эти два способа в один. Взаимодействие раствора алюмината (щелочной реагент) и растворимой соли алюминия (сульфат, хлорид, нитрат) - кислотный реагент. В результате должен выпасть гидроксид алюминия:

Al³⁺ + 3[Al(OH)₄]^- = 4Al(OH)₃

"Дешево и сердито". Так - на бумаге. Будет ли это действовать на практике? Я не сомневался, что да, но все равно нужно проверить.

Взял 100 мл полученного раствора алюмината, добавил 50 мл дистиллированной воды. Разбавление необходимо для того, чтобы не пришлось добавлять большое количество соли алюминия.

Взял 10 г сульфата алюминия (по-видимому, кристаллогидрат) и 50 мл дистиллированной воды. Сульфат алюминия растворяется в воде хорошо, но реагент был в виде комков, которые растворялись медленно. Образовался мутный раствор. При стоянии муть не исчезала (сульфат алюминия был технической чистоты). Профильтровал его через бумажный фильтр средней плотности, частицы прошли сквозь фильтр - частицы оказались мелкими, и раствор все еще остался мутным. Т.е., мы имеем дело с коллоидным раствором или с очень мелкой суспензией. В нашем случае это несущественно, поэтому не стал искать более плотный фильтр или добавлять в раствор кислоту в надежде, что муть растворится.

Зато посветил в стакан с раствором зеленым лазером, чтобы наблюдать четкий эффект Тиндаля (он же - "конус Тиндаля", хотя с лазером конус не получается). Луч был виден в растворе и очень даже яркий.

Итак, в одном стакане - раствор алюмината калия, во втором - сульфата алюминия. Я стал небольшими порциями добавлять сульфат алюминия в алюминат калия. Образовался и выпал на дно белый гелеобразный осадок - полупрозрачный. Перемешал. Осадок гидроксида алюминия постепенно растворился. Большая часть растворилась быстро, но последние порции гидроксида алюминия растворились медленно (после сравнительно длительного перемешивания).

В прошлом эксперименте, когда я добавлял азотную кислоту в другой раствор алюмината калия, также выпадал осадок гидроксида алюминия. При перемешивании он растворялся, причем растворение осадка гидроксида алюминия происходило быстро (на начальном этапе). Однако, в текущем эксперименте - нет: выпавший гидроксид алюминия с самого начала растворялся заметно хуже (дольше), это требовало активного перемешивания раствора. Дело в том, что в нашем случае раствор алюмината калия и едкого кали был более разбавленный изначально. Помимо добавления воды в самом начале данного эксперимента, разбавление было непосредственно в процессе получения алюмината калия (при растворении алюминия в щелочи я добавил воду, чтобы раствор покрыл пивную банку полностью).

Читатель может спросить: а почему осадок гидроксида алюминия сначала выпадает, а потом растворяется, ведь гидроксид алюминия НЕ должен растворяться в избытке алюмината калия?

Дело в том, что кроме алюмината калия в растворе присутствует избыток гидроксида калия - без него раствор алюмината не будет стабильным. И этот гидроксид калия реагирует сначала с сульфатом алюминия, давая гидроксид алюминия:

Al³⁺ + 3OH^- = Al(OH)₃

а потом гидроксид алюминия растворяется в избытке едкого кали:

Al(OH)₃ + OH^- = [Al(OH)₄]^-

образуя алюминат калия.

В результате добавления новых порций сульфата алюминия, а затем - перемешивания, осадок гидроксида алюминия сначала выпадал, а потом растворялся. Причем каждый следующий цикл не был копией предыдущего: в конце последние порции осадка растворялись все труднее. Это требовало длительного перемешивания и ожидания. Чтобы сэкономить время, после очередного цикла я не стал ждать, пока данная порция осадка растворится полностью: добавлял новые порции сульфата алюминия еще до того, как весь гидроксид алюминия растворится (на видео пришлось вырезать большие фрагменты, иначе смотреть весь процесс было бы скучно).

Для растворения остатков осадка на дне некоторое время помогал следующий прием: перемешивал гидроксид алюминия стеклянной палочкой, чтобы растворилось то, что растворяется быстро. Остаткам осадка давал осесть и растирал их на дне стеклянной палочкой (иногда вещество растирают в фарфоровой ступе вместе с подходящим растворителем - с целью достичь растворения твердой фазы, которая растворяется медленно).

Не трудно предвидеть, что после определенного момента, очередной осадок гидроксида алюминия должен перестать растворяться в реакционной смеси (как его не перемешивай или не растирай). Произойдет это, когда израсходуется избыток гидроксида калия. Чтобы приблизить данный момент, я добавил в раствор гораздо большую порцию сульфата алюминия и получил белый объемный гелеобразный осадок. Разумеется, при перемешивании осадок, как на зло, растворился полностью. Долго и туго, но растворился.

При титровании (метод количественного химического анализа) вблизи точки эквивалентности титрант в анализируемый раствор добавляют небольшими порциями, часто - по капле (иногда - по доле капли, прикасаетесь неполностью сформированной каплей (из носика бюретки) к горлышку колбы - она остается на горлышке, а потом смываете капельку вниз). Иначе можно проскочить точку эквивалентности (т.е. "перетитровать" раствор). В нашем случае такой опасности нет: поэтому я смело "шуронул" новую большую порцию сульфата алюминия. Выпал гидроксид алюминия. Перемешиваю - опять осадок растворился весь!

Вылил в раствор алюмината калия весь остаток сульфата алюминия: выпал объемный осадок, часть которого не растворялась ни при каком перемешивании. Значит, избыточная щелочь в растворе израсходовалась - теперь с сульфатом алюминия реагировал уже алюминат калия:

Al³⁺ + 3[Al(OH)₄]^- = 4Al(OH)₃

Проблема в том, что у меня закончился раствор сульфата алюминия - один из реагентов. Эксперимент пришлось прервать (до этого во время экспериментов обычно кончался заряд аккумуляторов фотоаппарата, но не реагенты).

К счастью, наш эксперимент относится к экспериментам, которые можно прервать, а затем продолжить с того же места. Т.е., наш эксперимент можно без последствий остановить. Такое бывает не всегда: например, когда у вас магний горит в атмосфере углекислого газа, а в этот момент сели аккумуляторы камеры, то остановить реакцию, конечно, можно, но продолжить опыт с того же места - будет проблематично.

Приготовил новый раствор 10 г сульфата алюминия в 50 мл дистиллированной воды, в этот раз его не фильтровал. Добавил в реакционную смесь сразу все количество. Результатом стал белый объемный осадок, похожий на творог. И, разумеется, при перемешивании гидроксид алюминия не растворился.

Обратил внимание, что при стоянии осадка с раствором двое суток, над осадком образовался лишь двухсантиметровый слой осветленного маточного раствора (обычно объем осадка после оседания и уплотнения гораздо меньше, чем объем маточного раствора).

Кстати, немного о психологии. Эффект собаки Павлова.

Сейчас повожу эксперименты с алюминатом калия, но в статьях очень часто пишу название данного вещества как "алюминат натрия". Часть таких ошибок нашел сам, на часть - обратили внимание читатели, часть, - вероятно, остается в тексте до сих пор.

Дело в том, что алюминат натрия - очень распространенное в химической технологии вещество - именно через его промежуточное образование алюминий извлекают из руд. Из него получают синтетические цеолиты и т.д. Соответственно, название алюминат натрия часто встречается в научных статьях, монографиях, учебниках.

А название алюминат калия я физически никогда не встречал (хотя вещество это банальное и хорошо исследованное, просто применяется и упоминается - гораздо реже). В конкретном случае алюминат калия я получил только потому, что нашел банку с гидроксидом калия, но не смог найти банку с гидроксидом натрия. Или потому, что не забрал с прошлой работы пакет с гидроксидом лития (производство стало - данный реактив им теперь не нужен) - был бы алюминат лития...

Алюминат цезия - пожалуй нет. Гидроксид цезия я никогда не видел, максимум - карбонат. Коллега собирался его получить для синтеза новых фосфатов, но дальше разговоров дело с синтезом гидроксида цезия не пошло. Читал, что он по свойствам сильно отличается от гидроксидов натрия и калия, поскольку гидроксид цезия проявляет гораздо большую основность, в частности, - намного сильнее разрушает стекло. А в расплаве - это вообще очень экстремальное вещество:

"Расплав гидроксида цезия разрушает почти все металлы, при этом серебро и золото разрушаются медленно (но очень быстро в присутствии кислорода или на воздухе). Единственными металлом, устойчивым в расплаве гидроксида цезия, является родий и некоторые сплавы родия."

Editing of video of experiment - pt.7 / Монтаж видео эксперимента

Теперь немного о том, как я пытался смонтировать видео реакции алюмината натрия и сульфата алюминия. Повествование не о химии: оно представляет собой нечто промежуточное между психологией и... психиатрией. Можно и более страшным словом охарактеризовать - перфекционизм. Поэтому, если вы продолжите читать, не говорите, что вас не предупреждали.

Когда делаешь макросъемку химических экспериментов (или просто съемку крупным планом) - часто возникает проблема "посторонних объектов". Пылинки, частички грязи, волокна ткани, механические примеси в реактивах и другие посторонние частицы, почти незаметные глазом, на видео проявляются четко. Или на стакане, или в стакане, или на линзе камеры. Это логично, учитывая, что маленький стакан с реакционной смесью на видео увеличивается до размеров экрана монитора.

Проводишь эксперимент - неплохо получилось, на мониторчике камеры (маленький) - все нормально, загружаешь видео на компьютер, а там оказывается, что в жидкости плавает какое-то волокно... Или частичка кошачьей шерсти, или посторонняя черная частица в прозрачном и бесцветном растворе. Часто бывает, что белые пылинки, потеки и волокна на поверхности стекла совсем не видны, когда в стакане белый/бесцветный раствор, но они четко проявляются, когда в результате реакции раствор становится темным. Бывает, что брызги реакционной смеси попадают прямо на линзу объектива камеры. Даже, если ты заметишь это сразу, во время съемки объектив не протирают.

Поставить защитный экран? Можно, только экран часто дает блики (не говоря уже о том, что капли и брызги будут попадать на экран, что также мешает съемке). Поэтому экран (или защитный бесцветный светофильтр на объектив) я использовал преимущественно тогда, когда снимал взрывы (или когда в ходе опыта был возможен внеплановый взрыв).

Проблема случилась и в ходе съемки нашего эксперимнета: реакции между алюминатом калия и сульфатом алюминия. Еще в конце эксперимента заметил, что к стакану пристала какая-то черная частица. При просмотре видео оказалось, что частица эта на всех видео, кроме последнего (когда я убрал ее механически). Не смертельно, но некрасиво.

На что я смотрел раньше?

Я смотрел, чтобы стакан стоял ровно в вертикальной оси (не наклонялся), чтобы стул (который выполнял роль лабораторного стола) стоял перпендикулярно оси объектива, чтобы все, что надо, попало в кадр, но шкала и маркировка на стакане - не попала (равно, как и розетка на стене сзади). Чтобы освещение не было слабым, но и не получилось слишком ярким (ослепительным). Чтобы объектив не давал бликов. Я смотрел на это и на много других вещей - за всем не уследишь.

Переделать эксперимент с начала?

Трудоемко, но возможно. Проблема в другом: не факт, что получится. Бывало, что при повторе эксперимента все получалось хуже или не получалось вовсе. Такое случалось часто. Если бы черная частица плавала в растворе - сделать ничего нельзя: пришлось бы или переделывать опыт, или выкладывать видео "как есть". Но частица оставалась на одном месте - она пристала к внешней стенке стакана. Это давало надежду.

Может быть ее удастся как-то "зарисовать"? Но это ведь не фотография, а видео: здесь с помощью программ Photoshop или Paint черную частицу не зарисуешь. Решил все-таки попробовать. У меня стоит программа для монтажа видео Corel VideoStudio X10.

Данная программа позволяет накладывать две видеодорожки (в каждой видео или графические файлы). Что, если из видео сделать стоп-кадр (сохранить картинку), вырезать из него участок чистого стакана и наложить его на основное видео, чтобы закрыть черное загрязнение? Можно, оказывается, только минимальный размер картинки 6х6 пикселей, а это - много. На видео будет квадратное серое пятно.

А что, если для зарисовывания черного пятна использовать... субтитры. Например, точку (знак пунктуации): подобрать размер и цвет точки, поместить ее в надлежащее место, чтобы она заслонила черное пятно, изображая собой часть стакана.

Первая проблема: окно для редактирования субтитров маленькое, а в полноэкранном режиме редактирование недоступно - ограничение программы. Точно наложить одну точку на другую "точку" будет сложно. Методом проб и ошибок определил, что окно в "не полноэкранном" режиме можно растянуть до нужного размера и совместить точки, не слишком напрягая зрение.

Кстати, коллега, когда на экране компьютера что-то плохо видно, смотрит на монитор сквозь мощную лупу, - вместо того, чтобы увеличить масштаб текста/картинок на мониторе. Увеличивать изображение на мониторе человек не умеет, а все попытки его научить закончились провалом. Кандидат наук, кстати, много лет занимал руководящие должности... Подобное - правило, а не исключение (в смысле, кто нами руководит).

Так вот, я смог наложить точку поверх нашего пятнышка. Другая проблема - цвет и яркость. В стандартной палитре есть светло-серый и темно-серый цвета, а "цвет стакана" был где-то посредине между ними. Цвет точки отличался от цвета окружающих участков стакана.

Многие графические программы дают возможность выбирать собственные цвета помимо стандартных. Либо указываешь цифры параметров (яркость, насыщенность, соотношение цветов), либо кликаешь курсором по нужному участку палитры. Но это ВИДЕОредактор, а не редактор картинок. Есть ли тут такая опция? Ведь не обязательно делать текст титров какого-то особенного оттенка. Много помучался, но опцию нашел - есть, цвет частично подобрал.

Другая проблема - тень. Текст на экране выглядит красивее с эффектом тени, поэтому, данная опция стоит по умолчанию. Пришлось долго искать, как сделать, чтобы у серой точки не было синей тени.

С разработкой способа редактирования - все. Теперь - сам монтаж. Проблема в том, что черное пятно не совсем "стояло на месте" - в процессе опыта стакан и камера смещались. Эти моменты приходилось замечать и смещать точку (субтитры) соответственно. Хуже того - в процессе опыта много раз менялось освещение: при перемешивании я частично закрывал рукой свет лампы, в стакане выпадал и растворялся осадок и т.д. В результате для разных участков видео цвет и положение точки приходилось подбирать заново.

Возникла новая проблема, суть которой передает анекдот:

- Я пошел в магазин, чтобы купить камуфляжные штаны - не нашел!

Так и тут: сам же сделал так, чтобы точка слилась с внешним фоном, а потом получил проблему, когда точку нужно найти и сместить. На точку необходимо навести курсор, нажать на нее и перетащить на новое место, - а точку просто невидно. В таких случаях я временно менял цвет точки на светлый, смещал ее в нужное положение, затем возвращал ей "камуфляжную окраску".

В ходе монтажа оказалось, что дорожек с субтитрами может быть не одна, а... целых две. до этого я много лет работал только с одной дорожкой субтитров, не подозревая, что можно добавить вторую. Это очень удобно: копируешь субтитры, которые надо редактировать на вторую дорожку, оставляешь там только нужный участок, редактируешь его. Потом на первой дорожке удаляешь неотредактированный участок и возвращаешь на его место отредактированный участок со второй дорожки.

И все равно работа не шла гладко, например, в процессе перемешивания стакан мог сместиться на какой-то миллиметр и темное пятно выступало из-под точки. На этом участке точку приходилось смещать. Серый стакан становился белым, когда проплывала частика осадка гидроксида алюминия и снова серым, когда она смещалась в сторону...

Сам эффект "боязни черного пятна" напомнил сюжет рассказа Jack London - The White Silence (Джек Лондон - Белое безмолвие), где у двух людей случилось помешательство из-за пребывания в изоляции в доме, который находился в арктической пустыне. Наступил сезон, когда вокруг ничего не происходило: один из героев специально выходил на арктический мороз, пытаясь найти хотя бы след зайчика или смещение флюгера, но вокруг было только "белое безмолвие". Это безмолвие и стоило людям жизни.

Монтаж видео занял два дня (обычно: полчаса-час) и получилось далеко не идеально. Местами серая точка проступала, существенно отличаясь от окружающей картинки. Зато появилась принципиальная возможность исправлять некоторые ролики.

Кстати, вспомнил, что с самого начала кинематографа с целью монтажа видео художники просто рисовали необходимые объекты на кинопленке (кадр за кадром, а кадров могло быть сотни и тысячи). Про рисованные мультфильмы многие слышали - их рисовали карандашами на бумаге: 5-10 минут анимации - десятки тысяч картинок вручную. Так что нарекать на трудную жизнь сейчас не приходится.