Эксперименты с магнием. Experiments with magnesium

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

Магний и концентрированная серная кислота: просто добавь воды! / Magnesium and concentrated sulfuric acid: just add water!
Эксперимент #1 / Experiment #1

Магний, который мы поместили в разбавленную серную кислоту, быстро растворился. А сам раствор послужил для экспериментов с катионом магния. Зато, магниевая стружка, помещенная в концентрированную серную кислоту, не растворилась: реакция началась и прекратилась. При нагреве реакция, сначала возобновилась, потом - прекратилась. Логичное объяснение: сульфат магния плохо растворим в концентрированной кислоте, что ведет к пассивации поверхности.

Поделился с коллегой.

- Так добавь воды!

- Ага, сейчас: ты знаешь, что я не боюсь (делал и не такое), но... Пока провожу эксперименты не в лаборатории, а на кухне. Лицо можно защитить маской из оргстекла, одежду - взять старую, но не хочу, чтобы обои сожгло брызгами кислоты.

Ведь ясно же, что если:

*при добавлении воды в концентрированную серную кислоту происходит сильный разогрев, вода остается на поверхности и вскипает, вызывая разбрызгивание серной кислоты;

*разбавленная серная кислота реагирует с магнием бурно;

то при добавлении воды в концентрированную серную кислоту с магнием реакция будет очень активной.

Есть проблема - есть решение. Подобное я уже делал: взял большую стеклянную банку, на дно поставил перевернутый стакан, на него - стакан с концентрированной серной кислотой и магнием. Банку накрыл лотком из пенопласта. В лотке проделал отверстие и вставил сквозь него пластиковую пипетку с водой (сейчас такие пипетки называют "пипетка Пастера") - вот и все.

При таком способе съемки очевидных проблем две:

*стекло банки искажает картинку и дает блики от осветительной лампы;

*в процессе реакции полетят брызги, выделится водяной пар - в результате банка запотеет изнутри, что ухудшит картинку [1].

Но для начала решил попробовать так. Включил съемку, добавил воду в кислоту. Ожидал бурной реакции с разбрызгиванием. Не исключал, что стакан упадет и разобьется, может быть, даже банка треснет: она нетермостойкая и может не выдержать резкого неравномерного нагрева.

Произошедшее глобально можно описать словом: "разочарование". Сначала добавил примерно полмиллилитра воды. Выделился газ, пошипело-покипело, но несильно. Вскоре реакция стала затихать. Еще полмиллилитра - реакция снова пошла активно, но без намека на катастрофические процессы. Снова - постепенное угасание. Добавил больше миллилитра воды - реакция активизировалась, магниевая стружка, наконец, всплыла от пузырьков водорода. Только теперь реакция по интенсивности стала частично напоминать реакцию магния и разбавленной серной кислоты. Мелкие капельки воды оседали на стенках из-за конденсации пара: видимость медленно, но неумолимо ухудшалась. Знал бы, что реакция пройдет спокойно - обошелся бы без банки.

Следующая порция воды - реакция пошла бурно, примерно, как с разбавленной кислотой. Со временем добавил еще воды.

Внутренние стенки банки сильно запотели. Магний, наконец, растворился. В кислоте был заметный массивный осадок сульфата магния: т.е. пассивация продолжается даже после добавления воды, она просто уменьшилась, дав реакции начаться и пройти до конца. Достал стакан из банки, его содержимое представляло собой белую кашу (из-за осадка сульфата магния).

Позже вспомнил, что подобный прием используется в химической технологии. Например, для разложения концентрата нефелина серной кислотой (нефелин - алюмосиликат калия и натрия, служит источником оксида алюминия - глинозема). Твердый нефелин смешивают с концентрированной серной кислотой, перемешивают все это в реакторе со шнеком - реакция почти не идет, потом резко добавляют воду. Начинается активная реакция, которая заканчивается за несколько секунд (пока смесь находится в шнеке).

__________________________________________________
¹ Помню даже, что при съемке опыта "вулкан в стакане" (разложение бихромата аммония внутри большого стакана) специально нагревал стакан перед опытом (в сушильном шкафу), чтобы водяной пар, который образуется в ходе реакции, не конденсировался на холодном стекле. См. Вулкан в стакане (разложение бихромата аммония) [ссылка].

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

Магний и концентрированная серная кислота: просто добавь воды! / Magnesium and concentrated sulfuric acid: just add water!
Эксперимент #2 / Experiment #2

Второй эксперимент решил проводить без защиты фотоаппарата (и окружающих предметов) банкой. Стакан взял больший (на 150 мл), кислоты налил около 10 мл, добавил два кусочка магниевой стружки. Началась реакция средней интенсивности, которая постепенно прекратилась. Запаха сернистого газа или сероводорода в этот раз я тоже не ощутил. Оставил на ночь.

Утром в стакане была прозрачная и бесцветная кислота с белым осадком сульфата магния. Выделения газа не происходило.

Время добавить воду. В этот раз добавлял ее медленно - по капле, в район магниевой стружки. Раздалось шипение и локальное вскипание, стенки стакана покрылись мелкими капельками от брызг и конденсации пара. Чуть позже с поверхности металла начал выделяться газ. Выделение газа все усиливалось, но стоило прекратить добавлять воду - оно вскоре стало слабым. Две новых порции воды активировали реакцию, магний, наконец, всплыл. Стружка преимущественно растворилась, образовывалось много аэрозоля и брызг, поэтому стакан накрыл чашкой Петри. Еще две порции воды - и магний растворился.

Добавил в стакан еще одну магниевую стружку, что вызвало бурную реакцию. Через полторы минуты она замедлилась, раствор стал бело-мутным: т.е., несмотря на разбавление, пассивация магния все еще происходит. Добавил еще воды. Это немного активировало реакцию. Остатки магния стали похожи на белые хлопья: налет сульфата магния, внутри которого еще был металл. От хлопьев исходили струйки пузырьков водорода. Эксперимент окончен.

Реакция магния с водой / Reaction of magnesium with water

Щелочные металлы бурно реагируют с водой: рубидий и цезий - со взрывом, калий - тоже взрывается. Натрий - воспламеняется и взрывается только если кусочек имеет достаточные размеры. Литий реагирует без взрыва, но бурно. Барий, стронций, кальций - тоже реагируют с водой, но менее активно.

Алюминий и бериллий устойчивы по отношению к воде и воздуху: хотя эти металлы активные, их защищает прочная оксидная пленка на поверхности. Есть способ решить эту проблему - действие металлической ртути или ее солей на алюминий (на поверхности металла образуется амальгама, на которой оксидная пленка уже не держится, и алюминий начинает активно реагировать с водой и воздухом), но не буде отвлекаться.

Магний по отношению к воде и воздуху занимает промежуточное положение между щелочными (щелочноземельными) металлами с одной стороны и алюминием (бериллием) с другой. В одном учебнике (а, может, в практикуме) прочитал, что магний не реагирует с холодной водой, но реагирует с горячей. Если добавить горячую воду с магнием фенолфталеин, раствор окрасится в малиновый цвет (признак щелочной реакции). Дело было еще в школе - название книги я не запомнил. Думал, что это учебник химии Ю.В. Ходаков, Д.А. Эпштейн, Р.А. Глориозов - Неорганическая химия 7-8 и 9 класс.
(См. страницу Изучаем химию "с нуля" [ссылка]).

Посмотрел - нет. В учебнике Г.Е. Рудзитис, Ф.Г. Фельдман - Химия 7-11 класс. ч.1, ч.2 этого тоже нет. А вообще я был неприятно удивлен, почти раздосадован: как мало материала давали в школьных учебниках! Например, в упомянутых книгах по магнию не было параграфа или даже подраздела параграфа. Так: отрывчатые сведения по всей книге. Я уже успел это забыть. Вспоминаю слова коллеги:

- То рациональное, что дают в школе за учебный год, можно было, не напрягаясь, выучить за один месяц (не спеша и не мучая детей), но чем тогда заниматься в школе остальные восемь месяцев?

Значит, про реакцию магния с водой я прочитал не в школьном учебнике, в другой книге. Важно то, что перед экспериментом я ожидал отсутствие реакции магния с холодной водой и умеренно-активное взаимодействие с горячей.

Взял стакан с дистиллированной водой комнатной температуры и поместил в нее стружку магния (дистиллированная вода необходима, т.к. в водопроводной воде есть растворенные соли: они исказят пробу с фенолфталеином в случае горячей воды).

Сразу же обнаружил интересный факт, хотя к химии он имел косвенное отношение. Для экспериментов по демонстрации поверхностного натяжения воды или флотации хорошо подходят изделия из магния (плотность 1.738 г/см³). В нашем случае - стружка. Магний легче алюминия, хотя монет из магния не делают (алюминиевые монеты, которые держатся поверхности воды и не тонут, - один из самых эффектных опытов). Стружка магния не просто хорошо плавает на поверхности воды, но в одном из экспериментов я не мог ее утопить (добиться погружения металла на дно) - это вам не стальная игла, для которой нужна специальная техника опыта, чтобы она плавала по поверхности воды.

Руководствуясь предубеждениями, я планировал заснять магний под водой, чтобы показать, что с холодной водой реакция практически не идет (комнатная температура - около 20°С). Оказалось, что с поверхности магния начали выделяться пузырьки водорода: они были маленькие и их было мало, т.е., реакция хоть и медленно, но шла.

Позже - уже после эксперимента по взаимодействию магния с горячей водой, попробовал еще раз (с холодной водой). Именно в этот раз немного намучился, пытаясь утопить стружку стеклянной палочкой. Попутно опять заметил маленькие пузырьки водорода. Добавил спиртовый раствор фенолфталеина - сразу же появилась четкая малиновая окраска, что подтвердило присутствие гидроксида магния - основания средней силы:

2Mg + 2H₂O = Mg(OH)₂ + H₂

Гидроксид магния малорастворим, но все же его растворимости достаточно, чтобы дать малиновую окраску индикатора.

Таким образом, при комнатной температуре водород тоже выделялся. А вдруг механизм образования гидроксида магния другой. Например, такой:

2Mg + O₂ = 2MgO

MgO + H₂O = Mg(OH)₂

Пузырьки газа? Но их было мало. Зато оксидная пленка на поверхности магния (который хранился на воздухе) есть всегда. Раз так, водород, который выделяется, нужно собрать - чтобы показать, что он образуется в заметном количестве.

Взял небольшую пробирку, она оказалась из пластика, скорее всего - из оргстекла (полиметилметакрилат). В пробирку поместил магниевую стружку, до верху ее наполнил дистиллированной водой. Горлышко закрыл пальцем и перевернул, погрузив в заполненный водой стакан. Получилось с первого раза - в пробирку не попали пузырьки воздуха. Оставил реагировать (весь водород должен собираться в верхней части пробирки).

Через 40 минут под перевернутым дном пробирки собралось несколько маленьких пузырьков водорода, поверхность магния покрылась пузырьками. Через 7 часов вверху пробирки образовался слой водорода миллиметра 4 высотой. Через 20 часов - слой водорода высотой 5-6 мм, через 30 часов - пузырек водорода увеличился, но непропорционально времени. Реакция замедляется?

Уже во время просмотра видео обнаружил, что много пузырьков водорода, которые не успели всплыть, т.к. прилипли к поверхности пробирки, расположены не внутри, а на наружных стенках(!). При этом на поверхности стакана почти не было пузырьков (это не воздух, который выделился из воды: ДО опыта вода долгое время стояла).

Т.е. водород в "лошадиных дозах" прошел через пластик пробирки. Впрочем, это не было неожиданностью: резиновый шарик, надутый водородом, за пару часов сдувается, как плотно его не завязывай: Н₂ проходит сквозь полимерные стенки. Слышал даже про специальный состав, которым (в виде аэрозоля) обрызгивают стенки воздушных шариков изнутри, чтобы уменьшить утечку гелия из шарика (водород огне- и взрывоопасен, поэтому шарики, чтобы они поднимались вверх, надувают гелием; гелий тоже имеет высокую способность к диффузии).

Теперь реакция магния с горячей водой. Можно было поместить магний в стакан с дистиллированной водой и поставить греться на плитку. Проблема в том, что вода сама по себе закипит и выделение пузырьков пара замаскирует образование пузырьков водорода. Поэтому сначала нагрел воду до кипения, снял стакан с плитки, а только потом поместил в него магниевую стружку. С поверхности металла начали выделяться пузырьки водорода - с вполне заметной скоростью, но реакцию не назовешь активной. Поставил стакан на плитку - реакция активизировалась, но скоро возобновилось кипение воды. Добавил фенолфталеин. Раствор окрасился в малиновый цвет. Через некоторое время снял стакан с плитки. Пока он не остыл, можно было наблюдать образование пузырьков водорода - не особо интенсивное.

Вывод очевиден: магний по активности ближе к алюминию, чем к щелочным металлам. Кстати, магниевые аноды используются для защиты от коррозии в бойлерах: т.е., металл анода постоянно контактирует с водой, при этом пишут, что средний срок службы таких анодов порядка 2-х лет.

Магний и лед (горение смеси) / Magnesium and ice (burning of mixture)

Материал в продолжение темы.

(Дошли руки разобраться в разных отснятых ранее экспериментах, какие ещё не успел нигде опубликовать).

Итак, реакция магния с водой. Но на этот раз пиротехническая. Было использовано: 100 грамм магниевой стружки, и 75 грамм воды в твёрдом агрегатном состоянии (снег).

Для запала использовал пиротехническую звёздку типа "тигриный хвост". Хотя, похоже, что данный состав не составит труда зажечь и обычной спичкой.