Лимонная кислота, цинк и железо. Citric acid, zinc and iron

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

Лимонная кислота, хлорид натрия и цинк / Citric acid, sodium chloride and zinc

Реагирует ли лимонная кислота с цинком? Еще с детства я знал, что из этой идеи не выйдет ничего хорошего. Если реакция и идет - то медленно: практически она непригодна для получения водорода.

Тогда мой набор реактивов был весьма ограничен, что портило жизнь юному химику. Сильных кислот у меня не было, зато цинк и лимонная кислота были в числе легкодоступных. Цинк я доставал из стаканчиков батареек, а лимонная кислота продавалась в продуктовых магазинах и в те времена. Водород получить хотелось, но это я смог только тогда, когда учитель физики подсказал, что в хозяйственных магазинах продается "электролит для кислотных (свинцовых) аккумуляторов", который представляет собой разбавленную серную кислоту. А через пару лет я съездил в соседний город и купил в хозмаге концентрированную серную и концентрированную соляную кислоту. Тогда они не были запрещены (как сейчас), но была эпоха плановой экономики и повального дефицита. Например, в нашем городе не было серной кислоты и соляной кислоты, зато продавалось навалом медного и железного купороса. В соседнем городе кислоты были (покупай - сколько унесешь), но могло не оказаться медного и железного купороса. И так - со многими банальными товарами.

До покупки электролита я знал только "преобразователь ржавчины" - тоже раствор серной кислоты, но с добавкой ингибитора - уротропина. Если погрузить цинк в такую кислоту, то реакция, сперва начиналась, но вскоре выделение водорода ослабевало и практически прекращалось. Собственно, для этого и добавляют ингибитор - чтобы кислота не разрушала металл, а только удаляла со стали ржавчину (или другие оксидные налеты). Ингибитор, как видите, цинк защищал тоже.

Сейчас сильные кислоты у меня есть, но в результате экспериментов с алюминием, лимонной кислотой и хлоридом натрия удалось добиться выделения водорода с заметной скоростью уже при комнатной температуре (см. Лимонная кислота и алюминий (химический детектив). Citric acid and aluminum (chemical detective novel) [ссылка]). Цинк обычно реагирует с кислотами более активно, чем алюминий, поэтому была надежда, что смесь: лимонная кислота - хлорид натрия будет реагировать с цинком с удовлетворительной скоростью. Если это так, то можно будет получать водород исходя из цинка, лимонной кислоты и соли - общедоступных и безопасных веществ.

(Вообще цинк - металл менее активный, чем алюминий, но алюминий защищен оксидной пленкой, а для цинка образование защитной оксидной пленки нехарактерно - для пассивации цинка его нужно обрабатывать в специальных составах).

В 100 мл воды растворил: лимонной кислоты - 35 г, хлорида натрия - 30 г (раствор профильтровал, поскольку соль была каменной с примесями земли). Поместил в этот раствор гранулы цинка при комнатной температуре (около 15°С).

Результат оказался немного неожиданным. В данном случае я был оптимистом, но не настолько...

Итак, гранулы цинка опустились на дно. Вскоре на поверхности цинка началось слабое выделение водорода - значит, цинк тоже реагирует (аналогично алюминию). Выделение водорода со временем значительно усилилось: от поверхности металла поднимались целые цепочки пузырьков газа. Интенсивность выделения водорода была вполне сопоставима с таковой во время реакции между цинком и разбавленной серной кислотой. В частности, пузырьки образовали "газировку" - раствор приобрел белый оттенок от рассеяния света на границе раздела вода/водород.

Коллега при просмотре видео обратил внимание, что потоки пузырьков водорода поднимались в ламинарном режиме: вертикально или почти вертикально (без завихрений). Если реакция кислоты с цинком идет бурно, с разогревом, то часто наблюдается турбулентность.

Ждать растворения цинка или собирать водород я не стал: все и так ясно. Реакция вполне пригодна для "домашнего" получения водорода. Слил раствор с гранул, чтобы использовать его повторно - в аналогичном опыте с железом (для серьезного исследования нужно было приготовить новый раствор лимонная кислота - хлорид натрия, но для "домашних опытов" такая экономия допустима). Гранулы цинка оставил с небольшим количеством раствора до окончания реакции, чтобы посмотреть, что произойдет после прекращения выделения водорода. В результате цинк растворился не полностью (кислоты, которую я оставил в стакане, не хватило), раствор стал бело-мутным, образовался белый осадок, нерастворимый в воде, но легко растворимый в азотной кислоте. По-видимому, это - основный цитрат цинка.

Лирическое отступление, или чем приходится заниматься химику помимо основного предмета. Пока монтировал данное видео, пережил несколько неприятных часов. Пару дней назад слетела операционная система (Windows 7), а загрузочного диска или флешки у меня не было. Попросил в коллег - сделали, но версия Windows 7 там была другая. Когда поставил программу для монтажа видео и необходимые наборы кодеков - все стало, но при попытке смотировать видео программа выдавала сообщение об ошибке - в самом конце создания видеофайала. Ничего не помогало. Программа для монтажа старая (Ulead VideoStudio 11) - никто не обещал, что она будет работать в более новом Windows (в ХР было нормально, а в моей версии Win 7 она уже нередко сбоила).

Попробовал смонитровать видео без сжатия (т.е. без кодека, в нашем случае - xvid_1.3.7), результат: "Недостаточно места на диске". Места хватало, но суть проблемы понял: файловая система винчестера FAT 32 не воспринимает файлы, большие, чем 4 Гб. Задал сохранение на другой винчестер - создать видео удалось, но размер файла 17 Гб(!) при норме 100-150 Мб. Пробую установить программу для конвертирования видео (чтобы сжать ролик подходящим кодеком) - не становится (в этом Windows), искать новую версию программы - нарываться на вирусы. Но раз удалось создать несжатый видеофайл, значит проблема не в ОС, а в кодеках. Тогда удалил xvid кодек и поставил кодек той же версии, но из другого источника - так удалось смонтировать видео.

Гальваническая пара: цинк - медь / Galvanic couple: zinc - copper

В предыдущем разделе статьи описано взаимодействие лимонной кислоты с цинком в присутствии хлорида натрия (см. ч. 1). Вопреки ожиданиям, выделение водорода происходило со значительной скоростью, что позволяет использовать данную реакцию для лабораторного получения водорода (если под рукой нет сильной кислоты, например: соляной, серной, фосфорной).

А как можно ускорить реакцию цинка (или другого металла) с кислотой, если скорость выделения водорода недостаточна? Практических способов два.

Первый вариант - повысить температуру (нагревание). Простой способ, но не совсем удобный. Одно дело нагреть кислоту с металлом в пробирке, чтобы визуально продемонстрировать ускорение реакции. Другое дело - греть колбу с кислотой, которая является частью целой установки для получения газа: можно и так, но это не лучший вариант.

Второй способ ускорить растворение цинка - создать гальваническую пару. Когда в растворе электролита более активный металл контактирует с менее активным металлом, образуется гальванический элемент. В нашем случае более активный металл - цинк, в качестве менее активного металла подойдет, например, медь, а роль электролита играет раствор лимонной кислоты (с хлоридом натрия). Как работает этот гальванический элемент? Катионы цинка переходят с поверхности металла в раствор, а электроны (в эквивалентном количестве) переходят из цинка в медь, а потом на поверхности металлической меди эти электроны связываются с катионами водорода, образуя газообразный водород. Цинк растворяется, а на поверхности меди выделяется водород. Сама медь остается без изменений.

Т.е. к гранулам цинка в растворе кислоты нужно коснуться медным предметом, например, зачищенной медной проволокой. Так я и сделал.

Никаких дополнительных экспериментов ставить для этого не пришлось. Хватило стакана с раствором лимонной кислоты и хлорида натрия с гранулами цинка на дне, который я использовал для прошлого эксперимента (35 г лимонной кислоты, 30 г хлорида натрия в 100 г воды - см. ч.1).

Итак, я коснулся медной проволокой к кучке гранул цинка, которые реагировали с кислотой. В результате с поверхности медной проволоки началось выделение водорода. Теоретически с поверхности цинка выделение водорода должно было прекратиться, но оно продолжилось. Дело в том, что контакт цинка с медью не такой хороший (чрезмерное электрическое сопротивление на границе цинк - медь, а также - в местах соприкосновения между самими гранулами цинка). Плюс - вкрапление менее активных (чем цинк) металлов могут быть и на самой поверхности цинка. Более того, водород с поверхности цинка выделяется неравномерно: четко видно отдельные участки, с которых выделяются целые цепочки пузырьков водорода. По-видимому, в этих местах и расположены вкрапления примесей.

Приподнимем медную проволоку и отставим ее в сторону - чтобы медь потеряла контакт с цинком. Сразу же выделение водорода с поверхности меди прекратится. И это логично: медь не реагирует с лимонной кислотой с выделением водорода.

Опять прикоснемся медной проволокой к гранулам цинка - выделение водорода с поверхности меди возобновится. Так можно делать много раз, пока цинк не растворится.

Еще один способ создать гальваническую пару - добавить в кислоту немного растворимой соли меди (например, раствор или кристаллики медного купороса). В результате металлическая медь выделится на поверхности цинка, что значительно ускорит выделение водорода и растворение цинка. На практике так и поступают. Эксперимент планирую провести и заснять в будущем.

Комментарии

^К1 Гальваническая пара - это интересно, но на каком металле будет выделяться водород - зависит от перенапряжения водорода на поверхности металла. Например, на ртути (если её взять вместо меди) водород не должен выделяться.

Лимонная кислота и цинк / Citric acid and zinc

Как мы убедились из первой и второй части статьи (см. ч. 1,2), лимонная кислота может неплохо реагировать с цинком даже при комнатной температуре. Но все это - в присутствии хлорида натрия. А обязательно ли добавлять хлорид натрия? Думаю, что - да, но химия - не философия: предположения нужно проверять экспериментально.

Для опыта с цинком решил использовать раствор лимонной кислоты более высокой концентрации, чем в предыдущем случае (благо, высокая растворимость лимонной кислоты позволяла). Растворил 20 г лимонной кислоты в 25 мл воды. Во время растворения стало заметно, что суспензия лимонной кислоты, а потом - и сам раствор окрасились в розовый цвет. С растворами более низкой концентрации это было тоже заметно, но не настолько. Сначала я решил, что меня обманывает зрение (с возрастом хрусталик глаза желтеет, что сказывается на восприятии цветов). Но вряд ли - оттенок слишком четкий. Квалификацию лимонной кислоты я не точно помню, по-видимому, это - пищевой моногидрат. Эту лимонную кислоту в прошлом я использовал для гравиметрического анализа фосфора (хинолин-молибденовый метод).

Интересно, что за розовая примесь (или продукт разложения) в ней может быть? Коллеги на данный вопрос пока не ответили.

Итак, эксперимент. После растворения лимонной кислоты в воде образовался вязкий розоватый раствор. Поместил в него цинк. Сначала выделение газа я не заметил, но оказалось, что пузырьки водорода просто прилипли к гранулам цинка и "не спешили" вспылвать. Некоторые пузырьки поднимались вверх, но большинство не могло отделиться от поверхности. Для этого подвигал гранулы стеклянной палочкой - пузырьки сразу же начали всплывать.

Позже - во время просмотра отснятого видео я заметил, что с пузырьками воздуха, которые прилипли к гранулам во время падения на дно стакана, случилось то же самое - они тоже не хотели всплывать. По-видимому, дело в повышенной вязкости раствора. Внешне он напоминал концентрированную серную или фосфорную кислоту.

Все равно реакция была гораздо медленнее, чем в случае смеси лимонная кислота - хлорид натрия.

Как ускорить реакцию? Выше (см. ч.2 ) было отмечено, что один из способов - нагревание раствора. Для этого я слил раствор с гранул цинка и нагрел его до кипения на плитке. Снял стакан, кипение прекратилось. Поместил те же гранулы цинка в горячий раствор. Накрыл стакан чашкой Петри (чтобы замедлить охлаждение).

Началась активная, хоть и небурная реакция. В этот раз пузырьки водорода хорошо отделялись (кстати, розовый оттенок раствора при нагревании исчез, сменившись на легкий желтый).

Лимонная кислота, сульфат меди и цинк / Citric acid, copper sulfate and zinc

Как отмечалось выше, растворение цинка в кислоте-неокислителе можно ускорить путем создания гальванической пары. Например, добавить какую-то растворимую соль меди. Мимо воли наблюдал этот эффект в детстве. В то время из кислот у меня в распоряжении были только: уксус, лимонная кислота и аптечная борная кислота. Уксус - 7 или 9% раствор уксусной кислоты. Раньше продавалась еще уксусная эссенция - 70% пищевая уксусная кислота, но в те времена из магазинов она исчезла. Появилась эссенция только через несколько лет - к тому моменту я уже получил доступ к серной кислоте. А что было делать ДО этого?

Столовый уксус не реагировал с цинком с пристойной скоростью - концентрация кислоты была слишком низкой. Как ее повысить? Тогда я уже получал безводный сульфат меди (нагреванием медного купороса) и знал, что он используется для удаления воды из различных жидкостей. Проблема в том, что так можно удалить примеси воды, а тут - 93 или 91% раствора - вода и только 7 или 9% - уксусная кислота. Вторая особенность, что сульфат меди растворим в воде, уксусной кислоте и ее водных растворах (он не будет просто лежать на дне в осадке, а частично перейдет в жидкость). Но хоть так… В результате к уксусу я добавил безводной сульфат меди - он стал голубым, частично - перешел в раствор. Я слил голубой раствор с осадка и добавил туда цинк (из стаканчиков батареек). В результате с кусочков цинка начали выделяться пузырьки водорода. Так я впервые в жизни увидел реакцию кислоты с цинком.

Тогда я приписал это увеличению концентрации уксусной кислоты - в результате чего реакция с цинком ускорилась. Частично было так, но реакция дополнительно ускорилась за счет оседания металлической меди на поверхности цинка. Образовалась гальваническая пара.

Прошло много лет, и я решил провести аналогичный эксперимент с лимонной кислотой. А именно - добавить раствор или кристаллы медного купороса в раствор лимонной кислоты, которая реагирует с цинком.

Взял раствор с прошлого опыта (20 г лимонной кислоты в 25 мл воды), вернул в него те же гранулы цинка. Началась слабая реакция: мелкие пузырьки водорода собирались на поверхности гранул, неохотно отделялись от них и всплывали. Иногда образовывались цепочки пузырьков. Перемешивание палочкой ускорило отделение пузырьков. Растворил 0.25 г сульфата меди (пятиводного - медного купороса) в минимальном количестве воды, добавил в стакан с кислотой и цинком. Реакция сразу ускорилась. Но большая часть раствора сульфата меди осталась сверху (не смешалась с лимонной кислотой). Перемешал раствор стеклянной палочкой - это еще более ускорило реакцию: выделение водорода становилось все более активным. Бурной реакции не получилось, я бы ее охарактеризовал как "реакцию средней скорости".

Еще одна особенность. При реакции цинка с разбавленной серной кислотой (в присутствии сульфата меди) довольно быстро становилось заметно образование медной "губки". В случае лимонной кислоты долго не было заметно ничего подобного. Металлическая медь, разумеется, выделялась, но визуально этого не было заметно.

Через 6 часов раствор был сероватый, гранулы цинка покрылись серым налетом, который срывался пузырьками водорода - в результате в растворе плавали серые хлопья. Это была медь. Визуально коричневого цвета медной губки я не заметил, но на видео его можно разглядеть. Выделение водорода все еще было активным.

В конце раствор стал серым с коричневым и серым осадком меди на дне и не растворившимися остатками гранул цинка. Увы, не сфотографировал - из-за падения стакана (он разбился).