Experiments with aluminium beverage cans. Эксперименты с алюминиевыми пивными банками

Reaction of potassium aluminate and waterglass (sodium and potassium silicates) - pt.8 / Реакция алюмината калия и жидкого стекла (силикаты натрия и калия)

The reaction of a solution of sodium-potassium silicate (waterglass) with a solution of potassium aluminate is shown. In these compounds silicon is contained in an anionic form as well as aluminium (SiO₃^2- and [Al(OH)₄]^-). Although both solutions are alkaline, they react with each other. The silicate and the aluminate react forming a white precipitate, probably an amorphous aluminosilicate.

В предыдущей части статьи мы провели реакцию алюмината калия и сульфата алюминия: щелочного и кислого растворов, первый из которых содержал алюминий в анионной форме, второй - в катионной. Результатом стал осадок гидроксида алюминия.

Какие еще можно провести эксперименты с алюминатом калия, который был получен из пивной банки (учитывая, что набор реактивов ограничен)? Второе, что пришло в голову - осуществить взаимодействие этих же веществ, но использовать обратный порядок прибавления реагентов. В прошлый раз мы добавляли сульфат алюминия в алюминат калия, в этот раз добавим алюминат калия в сульфат алюминия. Скажу сразу, результат не будет идентичен предыдущему. Этого следовало ожидать исходя из "химической логики" и исходя из того, что на момент написания данных строк такой эксперимент я уже провел. Однако, он нем позже (в следующей части статьи), а теперь о том, что пришло в голову мне первым.

Давным-давно, в одной из прошлых жизней я был научным сотрудников в таком себе академическом институте. Работа там была точно такая же, как у меня сейчас (сидишь - ничего не делаешь). Иногда, правда, директор требовал: не работу, разумеется, а ритуальное поклонение. Для этого даже в кабинет к нему попасть было не обязательно: достаточно было полдня - день просидеть в приемной - чтобы он мельком увидел и милостиво сказал:

- Извини, Вася, сегодня я занят. Зайди как-нибудь в другой раз...

Разумеется, если бы я там ничего не делал, то сейчас не писал эти строки (по причине падения IQ ниже минимально необходимого для умения различать буквы). Начал ставить и снимать демонстрационные эксперименты и эпизодически принимал участие в работах коллег (преимущественно - из других НИИ).

Один научный сотрудник занимался синтезом цеолитов с темплатами (т.н. темплатный синтез). Английское слово template означает "образец", шаблон". В данном случае шаблоном служили определенные органические молекулы нужной формы и размеров (примеры: N-метилпирролидон, ТРАОН - тетрапропиламмоний гидроксид), которые добавляли в реакционную смесь во время формирования алюмосиликатного каркаса. Потом эти темплаты из цеолитов удаляли, на их месте оставались поры. Таким способом можно получить образец цеолита с порами строго заданного диаметра. Синтез цеолитов проводился в гидротермальных условиях. Стаканчики из фторопласта-4 нагревали внутри массивных стальных гидротермальных бомб (одна из этих бомб взорвалась - полностью разнесла термостат). Исходными веществами служили жидкое стекло (техническая смесь силикатов натрия и калия - водный раствор) и алюминат натрия. Жидкое стекло - продажный продукт (институт купил целый 200-л барабан), а где сотрудник брал алюминат натрия, я не знаю, но точно не получал сам и не умел его получать. В один прекрасный день алюминат у него закончился.

Пришел этот кадр как-то ко мне и сказал:

- Ты же химик! Сделай мне алюминат натрия!

(Может показаться, что первое утверждение - смешное, поскольку сказано это было в химическом институте, а на самом деле - нет: мало кто из "химиков с дипломом" является химиком). Было очень приятно, что кому-то понадобилась моя работа, поэтому отвлекся от "экспериментов для журнала" и занялся алюминатом натрия.

Взял бутылку, налил туда 1 л воды - нанес отметку уровня. Вылил часть воды, добавил навеску едкого натра, потом - навеску алюминия. Оставил, занялся своими делами. Когда алюминий полностью растворился, - довел уровень раствора до метки дистиллятом и посчитал, какая там концентрация Na₂O и Al₂O₃ в г/л. Отдаю:

- А какая концентрация в процентах?

Чтобы пересчитать концентрацию в проценты - нужно померить плотность раствора, чего я делать не стал.

- Померяй плотность и пересчитай.

Перед тем, как отдать раствор алюмината натрия, я провел один эксперимент. Цеолиты получают взаимодействием алюмината натрия и смеси силикатов натрия и калия в гидротермальных условиях. А при комнатной температуре эти вещества, вероятно, не будут реагировать?

Ведь оба раствора имеют сильнощелочную реакцию; и кремний, и алюминий - находятся в анионной форме. Хотя алюминий - металл, а кремний считают неметаллом, эти элементы проявляют много схожести в химических свойствах. Осадка быть не должно.

Когда я к жидкому стеклу добавил алюминат натрия - сразу же образовался белый, гелеобразный осадок. Значит, данные вещества моментально взаимодействуют уже при комнатной температуре (вероятно, с образованием аморфного алюмосиликата).

Прошло много лет (и несколько жизней)...

Жидкое стекло я купил, алюминат калия - получил из пивной банки, поэтому решил заснять взаимодействие двух этих реагентов. Работа с жидким стеклом имеет ту неприятную особенность, что отмыть лабораторное стекло после него сложно или практически невозможно, особенно, если проводится осаждение кремниевой кислоты или нерастворимых силикатов.

В той лаборатории, где я получил алюминат натрия, большая часть стаканов была с белым, неустранимым налетом. Аналогично портит стекло и щелочь, но не так сильно, как жидкое стекло и продукты его взаимодействия. В тех институтских лабораториях, куда заходили разные делегации, на виду специально стояли новые, чистые стаканы, с которыми никто ниразу не работал. Рабочую же посуду прятали в столы... В мою лабораторию, благо, чужие заходили редко, поэтому необходимости в таком цирке не было.

В нашем случае она снова появилась - сейчас количество посуды ограничено и не хочется ее портить ради единственного опыта. Поэтому для данного эксперимента я взял не химический стакан, а продуктовую банку: не очень хорошо, поскольку стекло банки некачественное (с массой дефектов, которые искажают картинку). Но процесс образования гелеобразного осадка вероятного алюмосиликата не тянет на шедевр искусства - подойдет и банка (отмыть не смогу - выброшу).

Налил в банку жидкое стекло, добавил в него раствор алюмината калия. Сразу же на границе раздела жидкостей образовался бесцветный гелеобразный осадок, очень похожий на осадок кремниевой кислоты (она образуется при действии сильных кислот на жидкое стекло), только в нашем случае оба раствора имели сильнощелочную реакцию.

При перемешивании реакционной смеси образовалась мутная суспензия, потом осадок постепенно собрался на дне. Вероятно, это аморфный алюмосиликат калия. Над осадком был мутный раствор (мелкие частички долго оседают).

Думаю, что сильной кислотой (соляной, серной, азотной) из осадка можно было "вытянуть" алюминий, отфильтровать оставшуюся кремнеземную матрицу, и показать наличие алюминия в полученном растворе.

Можно было сварить цеолит, но, поскольку гидротермальной бомбы у меня сейчас нет, - в другой раз.

Reaction of potassium aluminate K[Al(OH)₄] and aluminium sulphate Al₂(SO₄)₃ - pt.9 / Реакция алюмината калия K[Al(OH)₄] и сульфата алюминия Al₂(SO₄)₃

A solution of potassium aluminate K[Al(OH)₄] was added to a solution of aluminium sulphate Al₂(SO₄)₃. At first a white precipitate of aluminium hydroxide Al(OH)₃ was formed. Then the precipitate was dissolved by new portions of the potassium aluminate solution because it contained excess of potassium hydroxide KOH also.

В шестой части статьи мы провели реакцию алюмината калия и сульфата алюминия 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 - [link]. Ход эксперимента был следующим. К раствору алюмината калия порциями добавляли раствор сульфата алюминия. В результате при соприкосновении реагентов сначала выпадал гидроксид алюминия, но при перемешивании реакционной смеси он растворялся: раствор алюмината содержал избыток щелочи, который реагировал с гидроксидом алюминия (переводя его в алюминат). Потом, когда щелочь израсходовалась, осадок гидроксида алюминия перестал растворяться: сульфат алюминия реагировал с алюминатом калия, образуя осадок гидроксида алюминия, но уже не было избыточного едкого кали, чтобы этот осадок растворить.

А что будет, если поменять порядок добавления реагентов? Т.е., не к алюминату калия добавлять сульфат алюминия, а наоборот: к сульфату алюминия порциями добавить алюминат калия? Некоторые читатели скажут: а какая разница! Это примерно, как в политическом анекдоте советских времен (из-за которого лет 40 назад у вас могли возникнуть серьезные неприятности):

- Капитализм - это эксплуатация человека человеком, а социализм - наоборот!

Действительно, бывает и такое в химии. Например, пламя водорода в кислороде и пламя кислорода в атмосфере водорода дает один и тот же продукт - воду. Или разбавленные растворы едкого натра и соляной кислоты: добавляй кислоту в щелочь, или щелочь в кислоту, продукт реакции будет один - хлорид натрия (и он будет оставаться в растворе, хотя бы на первых порах). Внешние эффекты тоже будут схожими: разогрев раствора, возможно, - вскипание.

Теперь приведем другой пример. Он близок к нашему нынешнему эксперименту, хотя будут и отличия. Итак, реакция гидроксида натрия и хлорида алюминия - в этом случае порядок добавления реагентов имеет значение.

1. Если в раствор хлорида алюминия по капле добавлять гидроксид натрия, то первая же капля щелочи вызовет образование осадка гидроксида алюминия, количество которого будет нарастать по мере прибавления щелочи. Только, когда весь хлорид алюминия прореагирует, и щелочь будет в избытке, осадок гидроксида алюминия постепенно станет растворяться (по мере дальнейшего добавления щелочи), пока в сосуде не останется прозрачный и бесцветный раствор алюмината натрия.

2. Если в раствор гидроксида натрия по капле добавлять хлорид алюминия, первая же капля также вызовет образование осадка гидроксида алюминия, но при перемешивании он растворится в щелочи. Дальнейшие порции хлорида алюминия будут вызывать образование осадка гидроксида, который также будет растворяться при перемешивании. Потом, когда избыток щелочи израсходуется, осадок гидроксида алюминия продолжит выпадать, но уже не будет растворяться. Это алюминат натрия реагирует с хлоридом алюминия, давая гидроксид. Наконец, когда весь алюминат натрия прореагирует, дальнейшие порции хлорида алюминия уже не будут давать дополнительные порции осадка.

(Процессы мы рассматриваем в упрощенном виде, поскольку кроме нерастворимых гидроксидов могут образовываться еще и основные соли, - гидроксохлорид алюминия, например).

Теперь - наш эксперимент.

Растворил 5 г сульфата алюминия в 150 мл дистиллированной воды. Образовался мутный раствор - как и в прошлый раз: сульфат алюминия у меня технический. При его растворении в воде образовалась мелкодисперсная суспензия или коллоидный раствор. Прошлый раз попытался его профильтровать - дисперсные частицы прошли сквозь фильтр.

В этот раз - не пытался. Просто заснял эффект Тиндаля с помощью зеленого лазера (указка). Эксперименты из области оптики, разумеется, не были целью, но не стоит упускать появившуюся возможность.

Потом добавил в раствор 1 мл концентрированной азотной кислоты - не помогло: муть не исчезла и не уменьшилась. Подождал - ничего. После этого оставил раствор на 5 часов. Сделал это я не умышленно, а потому, что не было возможности продолжить эксперимент немедленно. Через 5 часов оказалось, что большая часть твердых частиц осела на дно, мутность раствора сильно уменьшилась. Значит, это все-таки была суспензия (а частично - осталась), осторожно декантировал (слил) большую часть жидкости с осадка. Раствор использовал для эксперимента.