Химия и Химики № 5 2012. Паровой фонтан. (Фонтан в колбе). Fountain in the Flask (Condensation of Water Vapor)

Паровой фонтан. (Фонтан в колбе)

Есть целая группа опытов, которые можно назвать "Фонтан в колбе". Простейший из них следующий.

Круглодонную колбу закрывают пробкой со вставленной в нее трубкой. Часть трубки, которая находится в колбе, должна доходить приблизительно до средины колбы и заканчиваться вытянутым сужением (как у пипетки). Другой конец трубки (который выступает из колбы) также должен быть достаточной длины и иметь вакуумный кран (возможно, подойдет резиновая трубка с зажимом Мора). Колбу подсоединяют к вакуумному насосу и откачивают из нее воздух. После чего кран перекрывают, насос отсоединяют. Колбу переворачивают, опускают трубку в кристаллизатор с водой и закрепляют колбу в таком положении. После этого открывают кран. В колбе начинает бить фонтан воды. Вода будет поступать в колбу до тех пор, пока там будет оставаться разрежение.

Как мы увидим ниже, глубина погружения трубки в кристаллизатор с водой должна быть достаточной, иначе, когда уровень воды упадет, в колбу засосет воздух.

В другом варианте (который ближе химикам по духу) колбу заполняют газом, который очень хорошо растворим в воде. Обычно используют хлороводород или аммиак. Колбу также закрывают пробкой с трубкой, переворачивают и опускают трубку под воду (кран на трубке в данном случае не нужен). Отличие от предыдущего варианта в том, что вода сама по себе не будет поступать в колбу (как правило). Для начала работы фонтана, необходимо, чтобы в колбу попало небольшое количество воды - буквально несколько капель. Например, можно заранее вставить в пробку вторую трубку, которая оканчивается резиновой грушей или шприцом, с помощью которых в колбу можно засосать немного воды.

Когда вода попадает в колбу, она растворяет аммиак или хлороводород, в результате в колбе создается разрежение и в нее через трубку засасывает воду. Новые порции воды растворяют новые порции газа - разрежение усиливается и начинает бить фонтан. Теоретически вся колба должна заполниться водой. На практике же газ имеет не 100%-ю чистоту, некоторое количество воздуха растворено в воде или может попасть в колбу через неплотные соединения.

Воду в кристаллизаторе полезно подкрасить подходящим индикатором. Например, если колба заполнена хлороводородом, в кристаллизатор добавляют метилоранж или метиловый красный с небольшими количествами щелочи. В результате в кристаллизаторе вода будет желтой, но попав в колбу, она сразу же станет красной.

В случае "аммиачного фонтана" в кристаллизатор стоит добавить спиртовый раствор фенолфталеина. Вода останется бесцветной, но попав в колбу, она станет малиновой.

В первом варианте опыта (когда из колбы просто откачивают воздух), воду в кристаллизаторе тоже можно подкрасить в подходящий цвет. Разумеется, когда такая вода попадет в колбу, изменения окраски не произойдет.

Важный момент: используйте только те красители, которые легко отмываются. Например, брать для этой цели эозин мы категорически не рекомендуем.

Описанный ниже вариант опыта легче - в плане выполнения, чем все упомянутые эксперименты. Он не требует ни вакуумного насоса, ни получения разных газов. Однако необходима некоторая быстрота и ловкость рук (как раз с этим у экспериментатора были проблемы). Суть опыта проста.

В круглодонную колбу наливают немного воды и доводят ее до кипения. Необходимо, чтобы все пространство колбы заполнилось водяным паром, а стенки колбы как следует нагрелись. Колбу закрывают пробкой с трубкой (как в предыдущих случаях), быстро переворачивают и опускают трубку в кристаллизатор с водой. (Берегись ожога!) Когда колба чуть остынет, в ней возникнет разрежение, за счет чего в колбу засосет немного воды. Холодная вода вызовет конденсацию водяного пара, что увеличит разрежение. В колбу будут поступать новые порции воды, которые снова охладят и конденсируют пар - в результате в колбе ударит мощный фонтан.

Для опыта мы взяли литровую колбу, в которую наливали примерно по 50-100 мл. воды. Колбу поставили на электрическую плитку и закрепили в штативе. Поскольку мощности плитки не хватало, колбу пришлось накрыть асбестовым полотенцем. Когда вода закипела, пар заполнил пространство колбы, а стенки стали горячими, колбу закрыли пробкой с трубкой, быстро перевернули, опустили, трубку в кристаллизатор с водой. Саму колбу закрепили в штативе. Воду в кристаллизаторе окрасили метиленовым синим.

(Не забывайте, что колба горячая, внутри ее кипяток. Если пробка случайно слетит, горячая вода может вылиться вам на руку.)

Несколько секунд система находилась в шатком равновесии, но вот первые порции воды затянуло в колбу. Несколько мгновений - и ударил фонтан.

Почти сразу после того, как в колбе начинает быть фонтан, вода в нижней ее части (та, которая собралась над пробкой) вскипает. Это объясняется резким падением давления за счет конденсации пара. Вода, которая попадает в колбу через трубку ("из фонтана"), тоже бурно кипит.

Некоторым может показаться, что никакое это не кипение воды - просто резиновая пробка пропускает многочисленные пузырьки воздуха. Однако, это не так: если опыт делать правильно, колба заполнится водой почти полностью.

Фонтан настолько сильный, что даже когда наконечник трубки покрыла вода, он продолжал ударять в перевернутое дно колбы.

Первые два опыта были не совсем удачными. В первый раз уровень жидкости в кристаллизаторе упал ниже трубки - вместо воды в колбу начал поступать воздух, фонтан прекратился, и колба заполнилась не полностью (т.е. трубка была опущена в воду недостаточно глубоко). Во второй раз мы прикрепили к стеклянной трубке резиновую - чтобы решить проблему с глубиной погружения. Но оказалось, что конец резиновой трубки загнулся вверх - это снова привело к проскоку воздуха в колбу.

К сожалению, даже если не допускать падения уровня воды в кристаллизаторе ниже трубки, в колбе все равно соберется небольшое количество воздуха. Во-первых, воздух находится в растворенном виде в воде - при понижении давления он выделяется в газовую фазу, во-вторых, в установке могут быть небольшие неплотности.

В нашем случае почти полное отсутствие пузырьков над водой в колбе наблюдалось в последних экспериментах. Вероятно, о время предыдущих опытов вода почти полностью освободилась от растворенного воздуха.

В заключение мы должны предупредить: не используйте для опыта плоскодонные колбы (или другие сосуды с плоским дном): не выдержав вакуума, они могут взорваться.