Chemical gardens. Коллоидный сад (Химические водоросли)

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

Chemical gardens: iron chloride (III) and potassium hydroxide - pt.1 / Коллоидный сад: хлорид железа (III) и гидроксид калия

Во время экспериментов с раствором, полученным растворением стальных украинских монет номиналом 2 гривны в смеси азотной и соляной кислот, наблюдался интересный эффект. Капли раствора, будучи добавленными в раствор едкого кали, образовывали гранулы, из которых росли "Химические водоросли" - подобно тому, как аналогичные "водоросли" растут из кристаллов солей некоторых металлов, опущенных в разбавленное водой жидкое стекло (раствор силикатов натрия и калия).

Это напоминало бурые "Химические водоросли", которые вырастают их кристаллов шестиводного хлорида железа (III), помещенных в раствор жидкого стекла. И не удивительно: фактически я "купил" раствор хлорида железа (III) за две монеты 2 гривны (вместо того, чтобы сходить в магазин - растворил монеты в кислотах). В растворе также был никель и избыток азотной/соляной кислот, на за рост "Химических водорослей" отвечали не они: никеля в растворе мало, а перечисленные кислоты не дают с едким кали малорастворимых соединений. По-видимому, хлорид железа (III) в растворе едкого кали ведет себя аналогично.

Раз так, то не стоит все усложнять и я взял для эксперимента хлорид железа (III). Увы, под рукой оказался только насыщенный раствор хлорида железа (III), который образовался в неплотно закрытой банке над кристаллами FeCl₃·6H₂O вследствие поглощения воды из воздуха. Когда я попросил у коллеги реактив FeCl₃ (для проведения качественных реакций на трехвалентное железо), коллега просто слил раствор из банки: твердое вещество не стал доставать, поскольку для той цели оно не было нужно. Теперь - для "Химических водорослей" мне был нужен хлорид железа (III) максимальной концентрации, а "самый концентрированный раствор" - исходное твердое вещество (в нерастворенном виде). Поскольку твердого хлорида железа у меня не оказалось, для начала решил поэкспериментировать с насыщенным раствором хлорида железа (III).

Для начала взял раствор 5 г едкого кали в 20 мл дистиллированной воды, капнул в него насыщенный раствор хлорида железа (III). Капля опустилась на дно, сохранила форму и образовала темно-коричневую гранулу. Но гранула была не статичной, а "живой": ее поверхность постоянно шевелилась, а сверху - "росла". Из верхней части гранулы стал "расти" бурый стебель "водоросли", более того: мы помним, что в природе активно растущие части растений (молодая зелень) имеет нежно-зеленый цвет, а потом она темнеет и останавливает (или замедляет) рост. Так было и тут: молодая поверхность "водоросли" в месте ее роста была светло-коричневой, а потом она темнела.

В стороне капнул еще несколько капель хлорида железа (III) - эффект был аналогичным: вверх потянулись темно-коричневые стебли с более светлой верхней (растущей) частью. Процесс роста происходил сравнительно быстро: скорость была порядка 1 см/мин (на видео я ускорил показ - х2). Это действительно напоминало рост побегов растения (при сильно ускоренном показе).

Когда рост прекратился, капнул еще несколько капель, которые образовали гранулы - "семена", семена тут же начали "прорастать" и расти. Все-таки, эти образования мне больше напоминали не водоросли, а сталагмиты - минеральные конусообразные структуры, растущие снизу вверх в пещерах. Но это уже дело фантазии и вкуса. Одна из таких водорослей-сталагмитов добралась до поверхности раствора (это 2 см от дна) и там стала расширяться.

Для второго эксперимента растворил 5 г едкого кали в 30 мл дистиллированной воды (воды взял больше, чтобы увеличить высоту столбика раствора в стакане). Капнул в него насыщенный раствор хлорида железа (III), стараясь, чтобы капли попали на дне примерно в одно место и слились (это нужно, чтобы увеличить высоту будущего "стебля"). Опустившись на дно, капли объединились в темно-коричневую гелеобразную массу, из которой вверх стали расти два бурых "стебля". Принцип был тот же, как и в прошлом опыте: "свежая зелень" - светло-коричневая, "зрелая зелень" - темно-коричневая. Опять один из стеблей достиг поверхности, где стал утолщаться. Добавил еще несколько капель и наблюдал рост из них водорослей. Снова некоторые стебли достигли поверхности, где стали утолщаться.

В самом конце выяснил, что полученные "водоросли" очень непрочные и могут разрушиться от легкого сотрясения стакана. "Химические водоросли", которые выросли в жидком стекле, также непрочные, но наши водоросли, состоящие из гидроксида железа (III), оказались еще более "нежными".

Chemical gardens: iron chloride (III) and potassium hydroxide - pt.2 / Коллоидный сад: хлорид железа (III) и гидроксид калия

После экспериментов по выращиванию "Химического сада" из раствора хлорида железа (III) целесообразно было провести аналогичные опыты, но с твердой солью - FeCl₃·6H₂O. Твердого хлорида железа, разумеется, не было, поэтому решил упарить раствор до состояния влажной каши. После раздумий взял для упаривания не раствор реактивного хлорида железа (III), а жидкость, полученную растворением стальных монет 2 гривны в смеси концентрированных азотной и соляной кислот.

Дело было на кухне. Можно было поставить электрическую плитку и упарить раствор в стакане (фарфоровую выпарную чашку жалко: думаю, что ее потом не отмоешь). Можно было поставить песчаную баню и упарить на газовой плите. Но я выбрал самый нерациональный вариант: упарил раствор в нетермостойкой банке, которую поместил в стальную тарелку с водой, которая служила водяной баней. Тарелку поставил на газовую плиту. Аккуратно подливал в баню воду по мере испарения, старался делать это осторожно, но при очередном добавлении холодной воды банка треснула. Ничего - перелил в новую, продолжил упаривание, получил кашицу, которая при охлаждении перешла в твердый, влажный продукт.

Chemical gardens: iron chloride (III) and potassium hydroxide. Коллоидный сад: хлорид железа (III) и гидроксид калия

Evaporation of iron (III) chloride/nitrate solution

На следующий день оказалось, что знакомая принесла с работы... твердый хлорид железа (III) гексагидрат. Целую банку. Удивительно: я у нее этот реактив НЕ просил, а она НЕ была в курсе, что мне был нужен для работы именно хлорид железа (III). Удачно совпало. Открываю банку - сухой желтый продукт в виде крупных кусков (даже без намека на жидклсть) - решил с ним и поэкспериментировать.

15 г едкого кали растворил в 100 мл дистиллированной воды, добавил в раствор кусочек хлорид железа (III) величиной с половину горошины. Желтый комочек быстро стал темно-коричневым. Вскоре на поверхности комочка стало происходить движение, в результате которого из комочка начал расти вверх "стебель". Центр роста имел более светлую окраску, чем "побег" под ним (так же, как и в предыдущих экспериментах, рост побега происходил со скоростью порядка сантиметра в минуту; на видео скорость увеличена в 4 раза, иногда - в 5). В результате выросла бурая "водоросль" с неровным стеблем и утолщением сверху. Длина - до 4 см.

Решил вырастить водоросль побольше - поместил в этот же стакан комок хлорида железа (III) размером с крупную фасолину. Комок опустился на дно, желтая поверхность стала коричневой, вскоре на ней началось движение: из-под поверхности выступило более светлое вещество (не только сверху), потом начал расти "стебель" - довольно быстро (примерно сантиметр в минуту). В этот раз стебель был гораздо толще, но прочностью он тоже не отличался. Когда до поверхности раствора оставалось совсем чуть-чуть, верхушка стебля отпала и рост "побега" прекратился.

Тем временем наш "центр роста" упал на дно, и из него начал расти новый побег. Я не мог себе представить, что он достигнет высоты предыдущего, поэтому процесс его роста заснял не полностью.

Лирическое отступление. Наша "водоросль" имеет только один центр роста на побеге. Потеря этого центра означает прекращение роста вверх. Если не ошибаюсь, такая же беда у некоторых хвойных деревьев: часто у них только один центр роста на стволе, и, если срезать верхушку, дерево будет расти в стороны, но не вверх. У лиственных растений по-другому: роль центрального побега принимают на себя побеги, которые раньше были боковыми. Если боковых побегов нет (или их недостаточно) - в коре дерева просыпаются т.н. спящие почки, из которых вырастают новые побеги. При необходимости такой побег может взять на себя роль центрального. Термин "спящая почка" - не только из области ботаники, но и из области бытовой психологии. Так называют качества, которые дремлют в человеке до поры до времени - часто он и сам о них не догадывается, пока не возникнут экстремальные обстоятельства, которые раскроют эти скрытые черты. А без таких обстоятельств можно жизнь прожить и так и не узнать, кто ты: человек или мерзавец.

Добавил еще один кусок хлорида железа (III) - значительно больше предыдущего (в этот же стакан). В результате "шевеление" на его поверхности было активное, в разных местах начинали расти побеги, но так и не выросли: по-видимому, в растворе не хватило щелочи. В конце получилось нечто, что больше напоминало "Фараонову змею", чем "Химические водоросли".

Для следующего эксперимента взял больше щелочи: 20 г едкого кали растворил в 100 мл дистиллированной воды. Пинцетом опустил в стакан "булыжник" - кусок хлорида железа (III) размером с половину грецкого ореха. Светлая поверхность скоро стала темно-коричневой, на темной поверхности стали появляться "тектонические разломы" - трещины, из которых выступало более светлое вещество. Сначала эти трещины затягивались (темная поверхность восстанавливалась), но потом светлая масса стала подниматься вверх в виде стебля. Из "ореха" потянулся вверх побег.

И опять: на пути к поверхности раствора от побега отвалился верхний "центр роста", упал на дно, где объединился с основной частью вещества. В результате рост первого побега прекратился, но со дна потянулся вверх новый побег. Новый побег тоже потерял центр роста (он упал), но в этот раз рост продолжился. Увы, "водоросли" получились непрочные - они деформируются под действием собственного веса, а нередко - ломаются: это натолкнуло на мысль, что для выращивания "водорослей" нужен раствор с более высокой плотностью (чтобы стебли "водорослей" поддерживала сила Архимеда).

Лирическое отступление #2. Если честно, используя большое количество хлорида трехвалентного железа, я ждал подвоха: обычно "Химические водоросли" растят из крупных кристалликов солей - порядка миллиметра, а не из больших "глыб". Далеко не всегда увеличение количества реактивов в демонстрационных экспериментах ведет к тому, что эффект получается лучше, часто - наоборот. Дело не только в бесполезной трате веществ, которые могут быть дорогими и труднодоступными. Существует некое оптимальное количество, превышение которого ведет к ухудшению зрелищности эксперимента. Например, один из самых красивых экспериментов - "Химический вулкан": разложение бихромата аммония, насыпанного горкой на горизонтальную поверхность. Горку сверху поджигают, в результате начинается "извержение вулкана", который очень даже напоминает настоящий вулкан. Если взять для этого опыта не 20 г бихромата аммония, а 100 г - вулкан будет выглядеть гораздо красивее. Но как-то увидел ролик, где двое ребят высыпали содержимое килограммовой банки с бихроматом аммония и подожгли: разница с разложением 100 г бихромата аммония была примерно такой же, как между оркестром с мировым именем и художественной самодеятельностью, причем в роли самодеятельности был именно вулкан из 1 кг бихромата. В моих экспериментах оптимальный эффект вулкана наблюдался, когда брал 100-200 г бихромата аммония, если использовать больше - процесс затягивался и все меньше напоминал вулкан. Вполне возможно, что читатель путем экспериментов найдет другое значение рекомендованного количества бихромата аммония (для "Химического вулкана"), но сути дела это не меняет: существует некое оптимальное количество, отклонение от которого в обе стороны не идет на пользу эксперименту.