Эксперименты с магнием. Experiments with magnesium

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

Лирическое отступление / Introduction

У многих была мечта детства. Не одна, разумеется, а много: мечты большие и маленькие, долгие и сиюминутные… У меня в детстве была яркая мечта - металлический магний. Он обладает гораздо большей химической активностью, чем, например, железо, но, в отличие от последнего, магний под ногами не валялся и в магазинах не продавался. Коллега в эти годы разжился магнием на кладбище самолетов, где хранились корпуса и обломки самолетов и крылатых ракет, но я про такую возможность тогда не знал. Преодолев застенчивость, попросил как-то магний у учителя труда.

- У меня магния нет, но ты знаешь, как один с ним доигрался?

- Как?

- Как слон!

Позже выпал шанс заполучить магний на уроке химии, кода учительница принесла килограммовую банку магниевого порошка, показала нам несколько опытов с магнием, а потом вышла, оставив магний на столе. Сразу же отсыпал несколько ложечек.

Дома был настоящий праздник. Убедился, что магний хорошо реагирует даже со слабыми кислотами вроде уксусной и лимонной, выделяет водород из горячей воды и вообще - реагирует со многими растворами (сульфата меди и сульфата железа (II), например). И, разумеется, магний ярко горит сам и дает вспышки в смесях с окислителями.

Значительно позже - когда было уже за 30, провел и заснял несколько экспериментов с металлическим магнием, используя магний из корпусов крылатых ракет, предоставленный уже упомянутым коллегой (там не чистый магний, а сплав электрон, но многим демонстрационным опытам это не мешает).

Еще позже пришлось работать с металлическим магнием на производстве, правда, не долго: аж две ночи, когда мы делали реактив Фишера. Для приготовления части II этого реактива необходим безводный метанол, который мы получали перегонкой над магниевой стружкой, предварительно активированной йодом. Разумеется, я взял себе немного стружки. Пролежала она пару лет, пока не пришло время ее достать и провести несколько экспериментов.

Магний, разбавленная и концентрированная серная кислота / Magnesium, diluted and concentrated sulfuric acid

Недавно коллега провел эксперименты по растворению металлического кальция в серной кислоте: разбавленной и концентрированной. А что тут интересного: сильная кислота и активный металл, не насколько активный, чтобы давать фейерверк, как натрий и калий, но реакция должна идти бурно. Или нет? Дело в том, что сульфат кальция плохо растворим: в воде и в серной кислоте, что должно существенно мешать реакции. Эксперимент это подтвердил.

А как дело с магнием? Сульфат магния хорошо растворим в воде, поэтому, и разбавленная, и концентрированная серная кислота должна реагировать с ним быстро. Разве что концентрированная серная кислота будет реагировать заметно медленнее (чем разбавленная), с выделением сернистого газа и сероводорода. Такой был мой прогноз.

Теперь эксперимент. Взял два стакана: средний и маленький. В средний сначала налил воду, потом добавил концентрированную серную кислоту, перемешал (1 часть кислоты на 4 части воды). В стакан маленький концентрированную налил серную кислоту.

Раствор в среднем стакане стал теплым, я не стал его охлаждать до комнатной температуры - сразу добавил магниевую стружку. Моментально началась бурная реакция. Раствор "кипел" от пузырьков водорода, полетел аэрозоль кислоты, поэтому стакан пришлось накрыть. Магний не погружался на дно, а плавал по поверхности кислоты. Кусочки стружки растворялись за несколько десятков секунд. Примерно это я наблюдал в детстве, когда к электролиту для свинцовых аккумуляторов (разбавленная серная кислота) добавил немого магниевого порошка.

Когда я добавил стружку в концентрированную серную кислоту, началось средней интенсивности выделение газа, со временем оно стало ослабевать. Запаха сернистого газа или сероводорода я не ощутил, был лишь запах аэрозоля серной кислоты (он мог замаскировать слабый запах сернистого газа, если он был). Раствор постепенно становился бело-мутным.

Для сравнения поместил примерно такой же кусок стружки в стоящий рядом стакан с разбавленной кислотой, результат - бурная реакция. Магний вскоре растворился.

Концентрированная серная кислота. Прошел 1 час - слабая реакция, раствор стал бело-мутным. Через 4 часа: в стакане выпал белый осадок, над ним был бесцветный и прозрачный раствор, реакция - полностью прекратилась. Поверхность металла была матовой.

Вот и все. Было ясно, что безводный сульфат магния плохо растворим в концентрированной серной кислоте, он пассивирует поверхность металла.

Поставил стакан на нагретую электрическую плитку. Со временем началось выделение газа средней интенсивности, осадок сульфата магния на дне частично растворился. Появились белые пары (это характерное явление при нагревании серной кислоты). Стакан пришлось накрыть чашкой Петри, т.к., дышать стало тяжело (не говоря о том, что вдыхание таких паров очень вредно).

Выделение газа постепенно ослабевало во времени, а потом его, как обрубало: несколько секунд назад на поверхности металла образовывалось множество пузырьков, теперь - ни одного. Оставил стакан охлаждаться - со временем сульфат магния снова выпал в осадок. Через сутки ничего визуально не изменилось.

Как можно это объяснить? По-видимому, при нагревании растворимость сульфата магния в концентрированной серной кислоте увеличивается, что привело к растворению защитной пленке на поверхности магния, но потом снова произошло насыщение раствора и пленка сульфата магния образовалась вновь.

Еще одна деталь: при нагревании кислота слегка потемнела, это результат обугливания органики, которая была в серной кислоте (примеси), на поверхности посуды и самого магния. Существует специальный тест (проба Савалля) - изменение цвета концентрированной серной кислоты при нагревании.

Получим гидроксид магния / Prepare magnesium hydroxide

Итак, после экспериментов по растворению магния в серной кислоте у нас остались:

стакан с разбавленной серной кислотой, в которой растворилось некоторое количество металлического магния;

стакан с концентрированной серной кислотой и магниевой стружкой, которая растворяться не желает.

Отставим стакан с концентрированной кислотой и не растворившемся в ней магнием на потом (как говорил бывший начальник: "У меня на него большие планы"). Возьмем стакан с сульфатом магния и избытком серной кислоты. По-хорошему, чтобы проводить эксперименты с сульфатом магния, избыток кислоты нужно ввести в реакцию магнием - добавлять металл до тех пор, пока активное выделение водорода не прекратится. Только потом слить раствор с осадка и использовать.

Но тратить много магния не обязательно. Я еще помню времена детства: тогда металлический магний был для меня ценнее, чем золото сейчас. Зато сульфат магния свободно продавался в аптеке. Как-то в средних классах я купил килограмм. Аптекарша поинтересовалась:

- Зачем он тебе? Это слабительное!

Заплатил и удалился без пояснений. Факт проведения химических опытов тогда не воспринимался как экстремизм (не то, что сейчас), но это не тот случай, когда хотелось откровенничать.

Итак, получим из раствора сульфата магния (с избытком серной кислоты) осадок гидроксида магния. Для этого необходимо дать избыток щелочи: чтобы ее хватило на нейтрализацию серной кислоты и на реакцию с катионом магния.

Поступил от обратного: в стакане растворил немного гранул едкого кали. Итак, мы имеем раствор щелочи, в этот раствор стал добавлять пипеткой раствор сульфата магния. Перемешал. Раствор стал бело-мутным, появились хлопья: в осадок выпал малорастворимый гидроксид магния. Как известно, гидроксид магния - основание средней силы, в избытке щелочей он нерастворим. Этим гидроксид магния отличается, например, от гидроксида алюминия и гидроксида цинка, которые внешне на него похожи, но растворяются в избытке щелочи.

Добавляю раствор сульфата магния дальше, в результате осадок... растворился. Этого я не ожидал, хотя все просто и логично.

В прибавляемом растворе был не только сульфат магния, но и серная кислота. Сначала мы добавили несколько капель раствора в стакан щелочи. Щелочь оказалась в избытке. Серная кислота была нейтрализована, сульфат магния дал со щелочью осадок гидроксида.

Когда щелочь (гидроксид калия) израсходовался на реакции (с сульфатом магния и серной кислотой), произошла другая реакция: осадок гидроксида магния растворился в серной кислоте. Мы снова получили бесцветный и прозрачный раствор сульфата магния (и сульфата калия) с остатками кислоты.

Сразу же придумал олимпиадную задачу:

К раствору А по каплям при перемешивании добавили раствор В. В результате сначала выпал, а потом - растворился осадок гидроксида магния.

Что содержится в растворах А и В?

Гидрокарбонат магния и основный карбонат магния / Magnesium bicarbonate and basic magnesium carbonate

После прошлых опытов остался раствор сульфата магния с избытком серной кислоты. Чем еще можно осадить магний (кроме иона гидроксила)? Карбонатом, фосфатом, силикатом и рядом других анионов. Но я решил попробовать добавить раствор, содержащий магний, к насыщенному раствору гидрокарбоната натрия (пищевая сода). В аналогичном эксперименте с раствором хлорида кальция высокой концентрации сразу выпал осадок карбоната кальция и выделился углекислый газ (см. Хлорид кальция и гидрокарбонат натрия. Calcium chloride and sodium bicarbonate [ссылка]).

Как будет с магнием? Еще не сформулировав сознательные прогнозы, я четко представил зрительный образ: белый осадок и бело-мутная жидкость. Только, в отличие от эксперимента с хлоридом кальция, сульфата магния в растворе сейчас мало. Выпадет ли основный карбонат магния? Выпадет: куда денется.

К дистиллированной воде добавил гидрокарбонат натрия, перемешал, дал отстояться. Потом слил прозрачный раствор с осадка. Добавил к нему по каплям сульфат магния (с серной кислотой) - выделился углекислый газ, но никакого осадка. Не было даже стабильной мути (разве что от мелких пузырьков газа, но она быстро исчезала). Добавлял очередную порцию раствора, перемешивал. Снова выделялся газ. От каждой новой порции - все слабее. Доигрался до того, что нейтрализовал весь гидрокарбонат натрия в стакане. Ничего: в этот же стакан добавил остаток раствора гидрокарбоната (который слил с осадка питьевой соды). Сначала от порций раствора соды выделялся газ, потом добавление раствора уже не вызывало выделения газа. Значит, в растворе остался магний и остался гидрокарбонат.

Отлил часть полученного раствора в стакан, поставил на горячую электрическую плитку. Плитка грела плохо, но раствор почти сразу "закипел", словно не вода это была, а диэтиловый эфир. Ничего удивительного: из воды выделялся растворенный углекислый газ. Выделение пузырьков газа, сначала усилилось, потом ослабло и почти прекратилось. К этому времени раствор уже достаточно нагрелся, и начиналось кипение воды. Вместо пузырьков углекислого газа образовывались пузырьки пара. Сначала мелкие, пузырьки пара становились со временем все крупнее - это характерно для кипения воды.

Неожиданно раствор стал мутнеть, и началось очень бурное кипение. В этот раз уже выделялся не только водяной пар, но и углекислый газ. Причем - очень бурно. Образовалось сколько пены, что содержимое чуть не выплеснулось из стакана.

Дело в том, что начал разлагаться гидрокарбонат магния (и гидрокарбонат натрия): в осадок выпал белый основный карбонат магния, выделился углекислый газ. Именно такой процесс происходит при кипячении воды в чайнике: гидрокарбонаты кальция и магния разлагаются, образуется накипь из карбоната кальция и основного карбоната магния.

Время шло, интенсивность нагрева я не изменял, но "кипение" (выделение газа) постепенно ослабевало: процесс разложения гидрокарбоната завершался. Вскоре осталось только кипение воды. Прекратил нагрев.

После охлаждения на дно выпал белый осадок основного карбоната магния. Добавил к нему по каплям раствор серной кислоты (тот самый с сульфатом магния, присутствие последнего - несущественно). Выделился углекислый газ. Сначала газ выделялся в объеме раствора (реагировал карбонат натрия в растворе), потом стало заметно, что газ выделяется от осадка основного карбоната магния на дне. Вскоре осадок растворился, в стакане остался бесцветный раствор. Новые порции кислоты уже не вызывали выделения газа.