Книга по химии для домашнего чтения - Борис Степин

Реакция идет настолько интенсивно, что происходит взрыв.

6.54. «ОРГАНИЧЕСКИЙ МЕТАЛЛ»

Как диэлектрический полимер полиацетилен сделать «органическим металлом»?

Полиацетилен — продукт полимеризации ацетилена — H2C2 представляет собой химически активный, легко поддающийся модификации («сшиванию» структуры) полимер с общей формулой (CH)x. Правда, чистый полиацетилен — хрупкий малостабильный материал, непригодный для технологической обработки. Легче иметь дело с сополимерами ацетилена и других мономеров либо наносить полиацетилен на поверхность более прочных материалов. Например, многослойная пленка полиацетилена получается на поверхности полиэтилена или сополимера этилена с бутадиеном (C2H4 и C4H6), на которую нанесен катализатор полимеризации ацетилена. Для придания полиацетилену металлической проводимости пленку обрабатывают газообразным иодом, что приводит к образованию комплексов:

2(СН)x + 3yI2 = 2[(СНxy+ (I3-)y].

Количество введенного иода служит инструментом для управления свойствами полимера: при концентрации иода в продукте около 1% материал становится полупроводником, около 10% — появляются металлические свойства: высокая электропроводность, парамагнитная восприимчивость. Эти качества — результат перестройки электронной структуры макромолекул. «Органический металл» из полиацетиленовой пленки применяют для создания токопроводящих слоев в электронике и электротехнике.

6.55. ПРЕВРАЩЕНИЯ ФОРМАЛИНА

Склянка с формалином была забыта на окне, а на следующий день все увидели, что раствор помутнел и выпал белый осадок. Почему он «испортился»?

Формалином называют водный раствор газообразного вещества формальдегида HCHO (муравьиного альдегида, или метаналя). При упаривании формалина, нагреве на свету, при длительном хранении происходит полимеризация формальдегида с образованием длинных цепей параформальдегида, или параформа:

Н(—CH2—O—CH2—О—CH2—)nOH,

где n варьируется от 8 до 100. При нагревании параформ снова превращается в формальдегид, который можно поглотить водой, опять получив формалин. Для предотвращения полимеризации к формалину часто добавляют метанол CH3OH.

6.56. ГАЗ СТАНОВИТСЯ ПОЛИМЕРОМ

Одна из важнейших пластмасс — винипласт, или поливинилхлорид. Насколько сложен ее синтез?

Вначале проводят гидрохлорирование (обработку хлороводородом HCl) ацетилена C2H2 в газовой фазе при температуре около 150–200°C в присутствии катализатора — активированного угля, пропитанного водным раствором хлорида ртути HgCl2:

C2H2 + HCl = CH2CHCl.

Продукт реакции винилхлорид (монохлорэтилен, хлорэтен) CH2CHCl — газ с эфирным запахом — затем пропускают через воду, содержащую катализатор и эмульгатор; при этом происходит эмульсионная полимеризация с образованием поливинилхлорида (—H2C—CHCl—)n, где n в пределах 1000–2000.

6.57. ЛЕГЧЕ ПРОБКИ

Какие твердые искусственные материалы в десять и более раз легче корковой пробки?

Это пенопласты. Рассмотрим, как ведут синтез одного из них — полиаминопласта. Если через водный раствор карбамида (NH2)2CO (мочевины, см. 6.5; 8.5; 9.19) пропустить формальдегид НСНО, то в результате взаимодействия этих веществ в растворе появляется карбамидоформальдегидная смола:

nНСНО + n(NH2)2CO = (—CH2—NH—CO—NH—CH2—)n + nН2O,

где n >100. К этому раствору добавляют хлороводородную кислоту HCl и пропускают воздух. При этом получается пористая белая масса — пеноаминопласт, плотность которого составляет всего 0,01 г/см3, что в 100 раз меньше плотности воды.

6.58. ОБМАНЩИК ТЕТРАХЛОРИД

Известно, что тетрахлоридом углерода CCl4 можно загасить огонь. Насколько химически инертно это вещество?

Действительно, если, например, к горящему этанолу C2H5OH прилить CCl4, то огонь погаснет. А если смешать несколько миллилитров CCl4 с цинковой пылью и добавить к этой смеси оксид магния MgO или оксид кальция CaO до получения пастообразной массы, то уже при нагревании всего до 200°C начнется бурная реакция с выделением густого дыма и повышением температуры выше 1000°C. В этом случае тетрахлорид углерода взаимодействует с цинком, образуя хлорид цинка ZnCl2, который испаряется и, образуя в воздухе кристаллы, поглощает влагу:

CCl4 + 2Zn = 2ZnCl2↑ + С.

Получается густой белый дым.

6.59. КОЛЬЦА ЛИЗЕГАНГА

В центр застывшего слоя желатины, содержащего дихромат калия, поместили большую каплю водного раствора нитрата серебра. Через сутки на слое желатины обнаружили странные концентрические кольца.

В застывшем слое желатины протекала обменная реакция между дихроматом калия K2Cr2O7 и нитратом серебра AgNO3 с образованием дихромата серебра Ag2Cr2O7 красно-бурого цвета:

K2Cr2O7 + 2AgNO3 = Ag2Cr2O7↓ + 2KNO3

с отложением его кристаллического осадка в виде концентрических колец. При диффузии (постепенном проникновении) нитрата серебра в студень на каком-то расстоянии от центра капли образуется пересыщенный раствор Ag2Cr2O7 и начинается кристаллизация этой малорастворимой соли. В процессе выпадения осадка к месту роста кристаллов подтягиваются находящиеся вблизи дихромат-ионы, благодаря чему вокруг кольца с осадком дихромата серебра образуется зона, свободная от дихромата калия. Диффузия AgNO3 сквозь кольцо осадка и зону, свободную от K2Cr2O7, продолжается до тех пор, пока ионы серебра Ag+ не подойдут к участкам желатины, содержащим дихромат-ионы. В этом месте начнется образование второго красно-бурого кольца Ag2Cr2O7. Затем все процессы повторяются вновь. Вся картина на желатине получила название колец Лизеганга по имени их первооткрывателя, немецкого физико-химика Р. Лизеганга.

6.60. КОЛЕБАНИЯ ЦВЕТА

Если смешать водные растворы триоксобромата калия и лимонной кислоты и добавить немного серной кислоты и сульфата церия, раствор начнет в строго определенные интервалы времени то принимать желтую окраску, то обесцвечиваться.

В растворе протекают «колебательные реакции», которые открыл и изучил советский химик Борис Павлович Белоусов (1893–1970). Вначале происходит окисление ионов Ce3+ сульфата церия Ce2(SO4)3 бромат-анионами BrO3-:

6Се3+ + BrO3- + 6Н+ = 6Се4+ + Br- + 3Н2O. (1)

Из-за появления ионов Ce4+ окраска раствора становится желтой. Затем катионы Ce4+ окисляют лимонную кислоту (СН2СООН)2С(ОН)СООН в ацетондикарбоновую кислоту (CH2COOH)2CO

(СН2СООН)2С(ОН)СООН + 2Се4+ = (CH2COOH)2CO + 2Се3+ + CO2↑ + 2Н+ … (2)

Эта реакция вызывает обесцвечивание раствора. Появившиеся ионы Br- тотчас же взаимодействуют с триоксоброматными ионами BrO3- с образованием брома Br2, который немедленно окисляет катионы Ce3+ :

5Br- + BrO3- + 6Н+ = 3Br2 + 3Н2O, (3) 2Се3+ + Br2 = 2Се4+ + 2Br-. (4)

Реакции (1), (3) и (4) протекают быстро и вызывают внезапное появление желтой окраски раствора, вызванной присутствием катионов Ce4+ . Ритм реакций можно ускорить или замедлить, изменяя концентрации взятых реагентов и температуру.

После реакций (3) и (4) опять вступает в дело реакция (2), и все они повторяются вновь, пока не будет израсходован один из реагентов — бромат калия KBrO3 или лимонная кислота.

Остается добавить, что катионы Ce3+ и Ce4+ участвуют в реакции в виде аквакатионов [Ce(H2O)6]3+ и [Ce(H2O)6]4+ .

6.61. ХИМИЧЕСКИЙ ФОТОМЕТР

Можно ли химическим методом измерить количество света?

Окислительно-восстановительная реакция взаимодействия хлорида ртути HgCl2 с оксалатом аммония (NH4)2C2O4 в водном растворе с выделением белого малорастворимого дихлорида диртути Hg2Cl2:

2HgCl2 + (NH4)2C2O4 = Hg2Cl2↓ + 2СO2↓ + 2NH4Cl

протекает только под действием видимого света. Количество света может быть установлено по массе выделившегося дихлорида диртути. Рассматриваемая реакция лежит в основе работы простейших химических фотометров.