Химические опыты

Фараоновы змеи

Фараоновыми змеями называют целый ряд реакций, которые сопровождаются образованием пористого продукта из небольшого объема реагирующих веществ. Эти реакции сопровождаются бурным выделением газа. В итоге выглядит реакция так, будто из смеси реагентов выползает большая змея и ползет по столу, как настоящая.

На этой страничке вы узнаете про реакции, сопровождающиеся образованием "фараоновых змей", познакомитесь с уравнениями этих реакций и сможете посмотреть впечатляющие видеоролики, демонстрирующее ход таких реакций. Часть из этих реакций можно воспроизвести даже в домашних условиях или в школьной лаборатории - с соблюдением всех правил безопасности, разумеется. А другая часть реакций, к счастью, требует наличия таких реагентов, которых вы нигде, кроме как в специализированных лабораториях, не найдете. К счастью - потому что многие из них высокотоксичны, и экспериментировать с ними категорически не рекомендуется.

1. Разложение роданида (тиоцианата) ртути - Hg (CNS)₂

Термическое разложение роданида ртути идёт по уравнению:

2 Hg(SCN)₂ = 2 HgS + CS₂ + C₃N₄

CS₂ + 3O₂ = CO₂ + 2SO₂

При нагревании роданида ртути образуются черная соль - сульфид ртути, нитрид углерода желтого цвета и дисульфид углерода CS₂. Последний на воздухе воспламеняется и сгорает, образуя диоксид углерода CO₂ и диоксид серы SO₂.

Нитрид углерода вспучивается образующимися газами, при движении он захватывает черный сульфид ртути (II), и получается желто-черная пористая масса.

В результате из кусочка роданида ртути вылезает большая "змея" черно-желтого цвета, похожая на ужа, а то и не одна. Голубое пламя, из которого выползает "змея" - это пламя горящего сероуглерода CS₂. Из 1 г тиоцианата аммония и 2,5 г нитрата ртути в умелых руках может получиться змея длиной 20-30 см.

Разложение тиоцианата ртути - первая из открытых реакций этого типа. Ее первооткрыватель - студент Гейдельбергского университета Фридрих Вёлер (1800—1882). Как-то раз осенью 1820 года, смешивая водные растворы тиоцианата аммония NH₄NCS и нитрата ртути Hg(NO₃)₂, он обнаружил, что из раствора выпадает белый осадок. Вёлер отфильтровал раствор и высушил осадок полученного тиоцианата ртути Hg(NCS)₂. Из любопытства исследователь поджег его. Осадок загорелся и произошло чудо: из невзрачного белого комочка, извиваясь, выползла и стала расти длинная черно-желтая "змея".

Cоли ртути ядовиты, и работа с ними требует осторожности и внимания. Безопаснее показывать змею дихроматную.

2. Дихроматная змея

Способ 1. Смешивают 10 г дихромата калия K₂Cr₂O₇, 5 г нитрата калия KNO₃ и 10 г сахара (сахарозы) C₁₂H₂₂O₁₁. Затем растирают смесь в ступке и увлажняют этиловым спиртом C₂H₅OH или коллодием (он продается в аптеке). Затем эту смесь спрессовывают в стеклянной трубочке диаметром 5–8 мм.

Полученный столбик выталкивают из трубочки и поджигают с одного конца. Вспыхивает едва заметный огонек, из-под которого начинает выползать сначала черная, а потом зеленая «змея». Столбик смеси диаметром 4 мм горит со скоростью 2 мм в секунду. При горении он может удлиниться в 10 раз!

Реакция горения сахарозы в присутствии двух окислителей – нитрата калия и дихромата калия – довольно сложна. Продукты реакции - черные частицы сажи, зеленый оксид хрома (III) Cr₂O₃, расплав карбоната калия K₂CO₃, диоксид углерода CO₂ и нитрит калия KNO₂. Углекислый газ CO₂ вспучивает смесь твердых продуктов и заставляет ее двигаться.

Способ 2. Смешать 1 г дихромата аммония (NH₄)₂Cr₂O₇ 2 г нитрата аммония NH₄NO₃ и 1 г сахарной пудры. Смочить смесь водой, вылепить из нее палочку и высушить на воздухе. Если палочку поджечь, из нее в разные стороны поползут черно-зеленые «змеи».

При поджигании смеси происходят следующие реакции:

(NH₄)₂Cr₂O₇ = Cr₂O₃ + N₂ + 4H₂O,
NH₄NO₃ = N₂O ­ + 2H₂O,
C₁₂H₂₂O₁₁ + 6O₂ = 6CO₂ + 11H₂O + 6C.

При разложении дихромата аммония образуются азот N₂, водяной пар и зеленый оксид хрома (III) Cr₂O₃. Реакция протекает с выделением теплоты. В реакции термического разложения нитрата аммония выделяется бесцветный газ – оксид диазота N₂O, который уже при слабом нагревании разлагается на кислород O₂ и азот N₂. Горение сахара дает еще один газ – диоксид углерода CO₂ , вдобавок происходит обугливание – выделение углерода. Большой объем газов плюс твердые продукты окисления – вот секрет «змеиного» поведения смеси.

3. Гадюка из соды и сахара

Для проведения этого опыта в столовую тарелку насыпают 3–4 ложки сухого просеянного речного песка и делают из него горку с углублением в вершине. Затем готовят смесь, состоящую из 1 чайной ложки сахарной пудры и 1/4 чайной ложки гидрокарбоната натрия NaHCO₃ (питьевая сода). Песок пропитывают 96–98%-м раствором этанола C₂H₅OH и насыпают в углубление горки приготовленную реакционную смесь. Затем поджигают горку.

Спирт загорается. Через 3–4 минуты на поверхности смеси появляются черные шарики, а у основания горки – черная жидкость. Когда почти весь спирт сгорит, смесь чернеет, и из песка медленно выползает извивающаяся толстая черная «гадюка». У основания она окружена «воротником» догорающего спирта.

В этой массе происходят следующие реакции:

2NaHCO₃ = Na₂CO₃ + H₂O ­ + CO₂,

C₂H₅OH + 3O₂ = 2CO₂ + 3H₂O

Диоксид углерода CO₂, выделяющийся при разложении гидрокарбоната натрия и горении этилового спирта, а также водяные пары вспучивают горящую массу, заставляя ее ползти, как змея. Чем дольше горит спирт, тем длиннее получается «змея». Она состоит из карбоната натрия Na₂CO₃, смешанного с мельчайшими частичками угля, образованного при горении сахара.

4. Нитратный червяк

Вместо гидрокарбоната натрия можно использовать нитрат аммония NH₄NO₃. В столовую тарелку насыпают 3-4 ложки просеянного речного песка, делают из него горку с углублением в вершине и готовят реакционную смесь, состоящую из 1/2 чайной ложки нитрата аммония и 1/2 чайной ложки сахарной пудры, тщательно перетертых в ступке. Затем в углубление горки наливают 1/2 столовой ложки этилового спирта и насыпают 1 чайную ложку приготовленной нитратно-сахарной смеси. Теперь, если поджечь спирт, на поверхности смеси сразу же появляются черные шарики обугленного сахарного песка, и вслед за ними вырастает черный блестящий и толстый "червяк". Если нитратно-сахарной смеси было взято не более 1 чайной ложки, то длина червяка не превысит 3-4 см. А его толщина зависит от диаметра углубления горки.

Появление червяка вызвано взаимодействием нитрата аммония с сахаром, которое выражается следующим уравнением:

2NH₄NO₃ + C₁₂H₂₂O₁₁ = 11C + 2N₂ + CO₂ + 15H₂O.

"Червя" приводят в движение газы: азот N₂, диоксид углерода CO₂ и пары воды.

5. «Черный удав» из стакана

Этот опыт представляет собой впечатляющее зрелище. Сахарную пудру в количестве 75 г помещают в высокий стеклянный стакан, смачивают ее 5–7 мл воды и перемешивают длинной стеклянной палочкой. Потом к влажному сахару приливают по этой палочке 30–40 мл концентрированной серной кислоты H₂SO₄. Затем смесь быстро перемешивают стеклянной палочкой и оставляют в стакане.

Через 1–2 минуты содержимое стакана начинает чернеть, вспучиваться и в виде объемистой, рыхлой и ноздреватой массы подниматься, увлекая вверх стеклянную палочку. Смесь в стакане сильно разогревается, даже немного дымится, - и медленно выползает из стакана.

Серная кислота отнимает от сахара (сахароза C₁₂H₂₂O₁₁) воду, разрушая его молекулярную структуру, и окисляет его, превращаясь при этом в диоксид серы SO₂. При окислении сахара получается диоксид углерода CO₂. Эти газы вспучивают образующийся уголь и выталкивают его из стакана вместе с палочкой.

Уравнение, передающее эти химические превращения, выглядит так:

C₁₂H₂₂O₁₁ + 2H₂SO₄ = 11C + 2SO₂ + CO₂ + 13H₂O.

Диоксиды углерода и серы вместе с парами воды увеличивают объем реакционной массы и заставляют ее подниматься вверх в узком стакане.

6. Уротропиновая змея

Для проведения этого опыта вам следует запастись терпением, но оно того стоит!

Для опыта понадобится уротропин (гексаметилентетрамин - (CH₂)₆N₄). Таблетки уротропина можно купить в аптеке - это антисептический препарат. Подойдет также “твердый спирт” (сухое горючее) — его можно приобрести в хозяйственном магазине. Только убедитесь что сухое горючее, которое вы покупаете, содержит уротропин - оно бывает разных видов. Чтобы убедиться, что сухое горючее содержит уротропин, проведите простой опыт. Отломите несколько кусочков сухого горючего, положите их в пробирку и немного нагрейте. Если оно состоит из уротропина, вы почувствуете запах аммиака.

Чтобы сделать "змею", нужно произвести следующие действия. Одну таблетку “твердого спирта” или аптечного уротропина положите на блюдце и 3-4 раза пропитайте концентрированным водным раствором нитрата аммония NH₄NO₃, капая его из пипетки, а потом высушивая. Каждый раз надо наносить по 5-10 капель (0,5 мл раствора).

Высушивание таблеток - самая утомительная часть опыта: при комнатной температуре на воздухе оно продолжается слишком долго. Но повышать температуру для ускорения процесса нельзя - уротропин разлагается при высокой температуре. Тем более нельзя сушить таблетки на открытом огне: они могут загореться.

Пропитанную и высушенную таблетку на блюдце следует поджечь с одной стороны. И тут начнутся чудеса: появятся черные шарики кипящей жидкости, которые сливаются вместе и образуют подобие вырастающего “хвоста”. Он изгибается, а за ним из огня вырастает толстое тело “змеи”. “Змея” растет, упирается хвостом в блюдце, начинает изгибаться.

Разложение уротропина (CH₂)₆N₄ в смеси с нитратом аммония NH₄NO₃ приводит к образованию пористой массы, состоящей из углерода, и большого количества газов - диоксида углерода СО₂, азота N₂ и воды:

(CH₂)₆N₄ + 2NH₄NO₃ + 7О₂ = 10C + 6N₂ ­ + 2CO₂ + 16H₂O

Интересно, что если смешать химически чистый уротропин и нитрат аммония, то разлагаются, не образуя твердых продуктов. Но в таблетки на стадии их формования добавляют связующие вещества - парафин и тальк. Вот почему появляется “тело змеи”. А выделяющиеся газы вспучивают и двигают его.

7. Глюконатная змея

Это самый простой и безопасный способ получения глюконатной змеи - для этого достаточно поднести к пламени таблетку глюконата кальция, который продается в каждой аптеке. Можно положить таблетку глюканата кальция на таблетку сухого спирта и поджечь его. Из таблетки выползет светло-серая "змея" с белыми пятнами, объем которой намного превышает объем исходного вещества - она может достигнуть длины 10-15 см.

Разложение глюконата кальция, имеющего состав Са[CH₂OH(CHOH)₄COO]₂ · H₂O приводит к образованию оксида кальция, углерода, углекислого газа и воды.

Светлый оттенок «змее» придает оксид кальция.

Недостатком образующейся «змеи» является ее хрупкость - она достаточно легко рассыпается.

8. Фараонова змея из сульфаниламида

Очень простой способ получения «фараоновых змей» – это окислительное разложение сульфаниламидных лекарственных препаратов (к ним относятся, например, стрептоцид, сульгин, сульфадиметоксин, этазол, сульфадимезин, фталазол, бисептол). В ходе окисления сульфаниламидных препаратов выделяется много газообразных продуктов реакции ( SO₂, H₂S , N₂, пары воды), которые вспучивают массу и формируют пористую «змею».

Опыт проводят только под тягой!

На таблетку сухого горючего помещают 1 таблетку лекарственного препарата и поджигают горючее. При этом происходит выделение блестящей «фараоновой змеи» серого цвета.

По своей структуре «змея» напоминает кукурузные палочки. Если выделяющуюся «змею» аккуратно подцепить пинцетом и осторожно вытягивать, то можно получить достаточно длинный «экземпляр».

9. Разложение нитроацетанилида

Для опыта понадобятся: фарфоровый тигель, треугольник, штатив, горелка, стеклянная палочка, шпатель. Соблюдать правила работы с концентрированной серной кислотой. При выполнении опыта не наклоняться над тиглем. Опыт выполняется под тягой.

Смешаем в фарфоровом тигле органическое вещество белого цвета - нитроацетанилид и серную кислоту. Нагреем смесь. Через несколько секунд из тигля выстрелит масса черного цвета. Выделяющиеся газы делают массу очень пористой и рыхлой.

Черный цвет массе придает углерод, образующийся в больших количествах. В еще больших количествах в ходе реакции образуются газы SO₂, NO₂ и CO₂, которые вспенивают углерод.

Кстати...

А почему "фараоновы змеи"? Змеи - понятно, но почему фараоновы? В литературе можно найти следующее объяснение: "В одном из библейских преданий говорится, как пророк Моисей, исчерпав все иные аргументы в споре с фараоном, совершил чудо, превратив жезл в извивающуюся змею... Фараон был посрамлен и напуган, Моисей получил разрешение покинуть Египет, а мир получил очередную загадку". Звучит исчерпывающе, но только есть загвоздка: согласно Библии (книга "Исход"), пророк Моисей убедил фараона отпустить из рабства евреев, использовав куда мощные аргументы; их назвали "Десять казней египетских". Это были разные беды, которые Господь насылал на Египет после очередного отказа фараона отпустить еврейский народ. Ни одна из них, к слову, никак не была связана со змеями. Часть из этих ужасных чудес действительно сопровождались взмахами знаменитым жезлом. А знаменит он тем, что ему действительно приходилось побыть змеей, но сотворил это чудо вовсе не Моисей, а сам Господь, когда возлагал на него великую миссию, а Моисей стал проявлять малодушие.

Таким образом, остается непонятным, почему химических змей назвали "фараоновыми". Возможно, лишь потому, что такое название звучит солидно - под стать эффектности этого типа реакций.

Список тем