Цветовые эффекты в химических опытах с гидроксидом натрия

 

В данной работе рассмотрены химические опыты с гидроксидом натрия (каустическая сода). Для проведения опыта использовался набор «Хамелеон» из серии «Основы естествознания» (производство ООО «Каррас», Россия [1]). Демонстрируются различные цветовые эффекты, вызванные химическими превращения гидроксида натрия. Даны алгоритмы проведения подобных опытов и объяснены их результаты. Подобного рода «домашние опыты» могут стимулировать интерес детей к науке и овладению новыми знаниями.

Ключевые слова: химия, каустическая сода, гидроксид натрия, едкий натр, фенолфталеин, индикатор щелочной среды, лимонная кислота, пищевая добавка Е524

 

Главным веществом в нижеописанных опытах является гидрооксид натрия (NaOH), поэтому рассмотрим его свойства и области применения. Гидроксид натрия (каустическая сода, едкий натр) — самая распространенная щелочь (в год в мире производится порядка 60 млн. тонн едкого натра). Гидроксид натрия — белое твёрдое вещество. Сильно гигроскопичен, на воздухе «расплывается», активно поглощая пары воды из воздуха. Имеет хорошую растворимость в воде, при этом выделяется большое количество теплоты. Раствор едкого натра мылок на ощупь.

Едкий натр применяется во множестве отраслей промышленности и для бытовых нужд:

–                    Целлюлозно-бумажная промышленность (производство бумаги, картона, искусственных волокон, древесно-волоконных плит) [2].

–                    Производство моющих и чистящих средств (мыло, шампунь и др.) [3].

–                    Химическая промышленность (как реагент или катализатор, производство алюминия и др. чистых металлов [4], в нефтепереработке для производства масел).

–                    Изготовление биодизельного топлива [5].

–                    Медицина [6] и гражданская оборона (дегазация и нейтрализация отравляющих веществ). Очистка выдыхаемого воздуха от углекислого газа. Очистка сточных вод от ртути и ртутьсодержащих веществ [7].

–                    Текстильная промышленность (при работах с хлопком, шерстью, льном) [8].

–                    Строительство (производство строительных материалов [9] и др.).

–                    Пищевая промышленность (мытье и очистка фруктов и овощей [10]; производство шоколада, какао, мороженого; окрашивание карамели; размягчение и окрашивание маслин; производство хлебобулочных изделий, консервирование мясной продукции [11]). Зарегистрирован как пищевая добавка Е524.

–                    Косметология (косметические средстваудаление ороговевших участков кожи, бородавок, папиллом) [12].

–                    В фотографии — как ускоряющее вещество в проявителях для высокоскоростной обработки фотографических материалов [13].

Вот далеко не полный перечень применения едкого натра в народном хозяйстве.

В данной работе был произведены опыты по взаимодействию

1)                 гидроксида натрия, индигокармина, глюкозы, кислорода;

2)                 гидроксида натрия, фенолфталеина, лимонной кислоты.

Процессы сопровождаются зрелищными цветовыми эффектами.

Условные названия опытов: 1) — «Хамелеон», 2) — «Магия цвета

МЕТОДЫ

Оборудование и материалы: бутылка; мерный стаканчик; набор стаканчиков; набор ложечек; пипетка Пастера; защитные перчатки; индигокармин (C₁₆H₈N₂Na₂O₈S₂, кислотно-основной индикатор); глюкоза (С₆H₁₂O₆ — органическое соединение, моносахарид); лимонная кислота (С₆Н₈О₇); фенолфталеин (C₂₀H₁₄O₄), вода (набор «Хамелеон» от ООО «Каррас» [1]). Часть набора представлена на рисунке 1.

Рис. 1. Материалы для опытов

 

Правила техники безопасности:

–                    Набор для проведения опытов содержит вещества, которые при неправильном использовании могут причинить вред. Поэтому необходимо тщательно следовать инструкции (алгоритму). К опытам не допускаются дети младше 8 лет.

–                    Все работы проводятся в защитных перчатках, под наблюдением взрослых.

–                    Раствор гидроксида натрия — едкое вещество. При неправильном применении раздражает органы дыхания и кожу. Не вдыхать пары химических реактивов. Не принимать в пищу компоненты и химические вещества из набора.

–                    При попадании химических компонентов на кожу или в глаза промойте большим количеством холодной воды и немедленно обратитесь к врачу. Не употребляйте компоненты внутрь. При случайном проглатывании промойте желудок и обратитесь к врачу.

–                    Все химические вещества должны находиться в недоступном для детей и домашних животных месте. Не проводить опыты вблизи огня и нагревательных приборов.

Алгоритм проведения опыта «Хамелеон»:

1.                Наденьте защитные перчатки.
2.                Налейте половину бутылки (150–200 мл) теплой воды.
3.                Добавьте 15–20 капель индигокармина (рис. 2) в бутылку. Наблюдайте за красивым процессом растворения индигокармина в воде (рис. 3). Потом перемешайте его до полной однородности.
4.                Насыпьте 2 г (все содержимое) баночки глюкозы в мерный стаканчик, затем добавьте 30 мл теплой воды и перемешайте до полного растворения. Перелейте получившийся раствор в бутылку с индигокармином.
5.                В мерный стаканчик налейте 10 мл раствора гидроксида натрия, затем добавьте 30 мл теплой воды и перемешайте до полного растворения, перелейте получившийся раствор в бутылку с индигокармином, закройте крышкой и наблюдайте за процессом!

Рис. 2. Индигокармин — кислотно-основной индикатор

 

Рис. 3. Растворение индигокармина в воде

 

Алгоритм проведения опыта «Магия цвета»:

1.                Возьмите три пустых стаканчика, с помощью мерного стаканчика налейте в один 15 мл теплой воды, а в два других по 50 мл теплой воды.
2.                Наденьте защитные перчатки.
3.                Для каждого стаканчика должна быть своя ложка для размешивания.
4.                В стаканчик № 1 с 50 мл воды с помощью пипетки Пастера (рис. 4) добавьте 2 мл раствора гидроксида натрия, аккуратно перемешайте. Добавьте половину мерной ложки фенолфталеина, хорошо перемешайте ложкой. Раствор станет малиновым (рис. 5).
5.                В стаканчик № 2 с 15 мл воды добавьте 2 г (все содержимое баночки) лимонной кислоты и аккуратно размешайте до полного растворения.
6.                В оставшийся стаканчик № 3 с 50 мл воды с помощью пипетки Пастера добавьте 4 мл раствора гидроксида натрия, так же аккуратно размешайте до полного растворения.
7.                Возьмите стаканчик № 1 с малиновой жидкостью и перелейте в стаканчик № 2 с раствором лимонной кислоты. Полученная смесь обесцветится.
8.                Перелейте полученную смесь в стаканчик № 3. Вода снова пиобретет малиновый цвет.

Рис. 4. Пипетка Пастера

 

Рис. 5. Раствор гидроксида натрия с добавлением фенолфталеина

 

РЕЗУЛЬТАТЫ

Опыт «Хамелеон».

Что мы наблюдаем, проделав операции по вышеописанному алгоритму? Сначала раствор станет темно-зеленым, спустя некоторое время он покраснеет, а потом пожелтеет (рис. 6). Этот процесс можно повернуть вспять: если слегка потрясти бутылку, цвет станет красным, а если еще сильнее взболтать, то зеленым. После этого вода в бутылке снова начнет менять цвета с зеленого на красный, а потом на желтый.

Рис. 6. Динамика изменения цвета раствора гидроксида натрия (опыт «Хамелеон»)

 

Почему так происходит? При добавлении щелочи исходный синий раствор индигокармина (цвет в нейтральной среде) (рис. 3) окисляется кислородом воздуха и становится зеленым (так выглядит его окисленная форма). Со временем глюкоза в зеленом растворе восстанавливает индигокармин сначала до красного цвета, а потом — и до желтого. Если раствор встряхнуть, он смешается с воздухом, и кислород снова окислит его до зеленого цвета. До каких пор можно повторять это процесс? Несколько раз. Так как в реакции также расходуется глюкоза, окисляясь до глюконовой кислоты.

Проведенная и описанная реакция относится к так называемым качественным реакциям. Качественная реакция — это такая реакция, с помощью которой можно определить наличие в растворе определённых веществ. Результатом такой реакции является ощутимый эффект: появление или исчезновение окрашивания, выпадение или растворение осадка, выделение пузырьков газа и тому подобное.

Опыт «Магия цвета»

В данном опыте наблюдается вначале обесцвечивание раствора малинового цвета, а затем последующее восстановление цвета. Объясним происходящий процесс.

Цвет раствору придает фенолфталеин, вещество, представляющее из себя бесцветные кристаллы, хорошо растворимые в щелочных растворах. Он используется как индикатор щелочной среды: приобретает в ней малиновый цвет.

Так как раствор гидроксида натрия обладает щелочной реакцией, в результате бесцветный фенолфталеин становится малиновым. Добавление раствора лимонной кислоты приводит к нейтрализации щелочной среды, и фенолфталеин снова обесцвечивается. При последующем добавлении гидроксида натрия раствор опять становится щелочным, и фенолфталеин вновь приобретает малиновый цвет.

ОБСУЖДЕНИЕ

Основным результатом данной работы авторы считают то, что проведенный опыт позволяет получить первичные навыки проведения химического эксперимента, познакомиться с записью химической формулы вещества. Достоинства опыта: зрелищность (что важно для создания интереса у детей), безопасность (при соблюдении требований техники безопасности), доступность материалов и простота оборудования.

Также были получены знания по так называемым качественным реакциям. На подобного рода реакциях базируется качественный анализ — совокупность химических, физико-химических и физических методов, применяемых для обнаружения элементов и соединений, входящих в состав анализируемого вещества или смеси веществ. В качественном анализе используют легко выполнимые, характерные химические реакции, при которых наблюдается появление или исчезновение окрашивания, выделение или растворение осадка, образование газа и др. Основоположником качественного анализа считается Роберт Бойль (британский химик, физик, 1627–1691).

Подобные по простоте, безопасности и доступности опыты можно проводить не только в домашних условиях, но и рекомендовать учителям для пропедевтических (факультативных) занятий по естествознанию (химии, физике и др.)

 

Литература:

 

1.                ООО «КАРРАС» [Электронный ресурс]. Режим доступа. URL: http://www.karras.ru/ (дата обращения 16.03.2018).
2.                Труберг А. А., Кабанов О. В., Кацерева О. В., Силос О. В., Терпугов Г. В., Терпугов Д. Г. Пути решения экологических проблем целлюлознобумажных предприятий // Успехи химической технологии. 2010. Т. 24, № 2 (107). с. 40–44.
3.                Краснянский Г. Г., Краснянский К. Г. Чистящее средство // патент на изобретение RUS 2306330 08.12.2005.
4.                Чекушин В. С., Олейникова Н. В., Шубакова М. А. Восстановление металлов в системе белый матт — едкий натр // Технология металлов. 2008. № 12. С. 2–7.
5.                Мукатова М. Д., Чанг Ньюнг Тхи. Обоснование и разработка технологии производства биодизеля из жиросодержащих рыбных отходов // Вестник АГТУ. Серия: Рыбное хозяйство. 2012. № 2. с. 158–163.
6.                Миненко Н. А., Попов В. А., Панов П. Б., Владимирова О. О., Щукина Н. А. Применение медицинских средств защиты кожи для снижения тяжести химических ожогов // Безопасность жизнедеятельности. 2013. № 6. С. 6–9.
7.                Хицкий Я. В. Исследование и разработка технологии локальной очистки ртутьсодержащих сточных вод // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Иркутск. 2014.
8.                Воронова М. И., Прусов А. Н., Матвеева И. Ю., Захаров А. Г. Способ подготовки льняной ровницы к мокрому прядения // патент на изобретение RUS 2188261 06.07.2001.
9.                Кузнецов В. А. Сырьевая смесь для получения жаростойкого ячеистого бетона и способ получения жаростойкого ячеистого бетона // патент на изобретение RUS 217463 16.03.2001.
10.            Кузьмина Т. Д. Математическое описание процесса химической очистки (едким натром) от кожицы клубней картофеля для переработки. (Аргентина) // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал. 2000. № 2. с. 573.
11.            Опыты по химическому консервированию тушек цыплят-бройлеров с использованием растворов щелочей натрия, кальция, калия или магния. (США) // Пищевая и перерабатывающая промышленность. Реферативный журнал. 2002. № 3. с. 1201.
12.            Чигарина К. М., Алавердиев И. М., Залевская С. И., Чайкова Е. И., Рыченкова Т. В. // патент на изобретение RUS 2212229 14.06.2002.
13.            Ковешников А. И. Универсальный концентрированный проявитель для обработки фотоматериалов и способ изготовления из него рабочего раствора // патент на изобретение RUS 2132564.