Вулкан Шееле - классический вариант

Вулкан Шееле - один из самых простых и зрелищных опытов. Пару десятилетий назад, когда перманганат калия ("марганцовка") и глицерин продавались в любой аптеке, этот эксперимент мог сделать каждый школьник - даже не особо склонный к проведению химических опытов. В наши дни, когда химия и химическая промышленность фактически поставлены вне закона, достать перманганат калия весьма проблематично, однако в данной статье мы не будем касаться этих возмутительных аспектов нашей действительности.

Итак, схема опыта предельно проста: на огнеупорную поверхность насыпают горку перманганата калия (обычно - несколько грамм). В горке делают углубление - "кратер вулкана" и капают туда несколько капель глицерина. Через некоторое время (секунды, иногда - минуты) начинается "извержение вулкана". Появляется желтое, белое и синее пламя, во все стороны летят искры.

Обычно проведение опыта не вызывает затруднений, но все же некоторые особенности есть. Когда автор впервые решил провести этот эксперимент (будучи уже немолодым химиком), его постигло разочарование: глицерин ни за что не хотел загораться. На вид глицерин был густой, он явно не содержал значительных количеств воды, но опыт не получался. Поспрашивал у коллег: оказывается, у них подобных проблем не возникало. Взял другой глицерин - результат не заставил себя ждать: от контакта с перманганатом глицерин быстро загорелся. Вероятнее всего "плохой" глицерин содержал примесь масла (жидкость была жирной на ощупь).

Однако более распространенная причина, по которой опыт может не получиться (или получиться, но плохо) другая: глицерин должен быть безводными или, по крайней мере, содержать поменьше воды.

Через несколько лет после описанных событий мы решили повторить опыт. Глицерин, который попался под руку, был "жидковат": он явно содержал немало воды. Перманганат был взят в виде крупных кристаллов. Воспламенение произошло, но "извержения вулкана" пришлось ждать несколько минут. Перед тем, как смесь загорелась, жидкость вскипела с образованием белых паров: это испарялись вода и глицерин.

Удалить из глицерина воду очень легко: нужно аккуратно его нагреть в открытом сосуде. Сначала жидкость кипит - из нее испаряется вода. Когда кипение прекращается, и начинают образовываться густые белые пары - процедура закончена: почти вся вода испарилась. От контакта с пламенем пары глицерина могут загореться. Если это произойдет, погасите горелку и накройте отверстие сосуда - чтобы прекратить доступ воздуха к глицерину (для этой цели подойдет кусок фанеры, картона или плотной бумаги) .

Не вздумайте лить в горящий глицерин воду! Вода сразу же испарится, увлекая за собой капельки глицерина, которые тут же вспыхнут. Эффект, видимо, будет слабее, чем при добавлении воды в горячее масло, но все равно можно сильно пострадать.

Используя химические реагенты, можно развести костер без спичек и других средств розжига. Например, относительно несложно добыть огонь из сахара и марганцовки, марганцовки и глицерина - веществ, которые зачастую имеются в туристической аптечке.

Сегодня в России и Украине марганцовка запрещена к продаже без рецепта и потому купить её для туристических целей сложнее, но все же возможно.

Также имеются и другие способы добыть химический огонь с помощью различных веществ, о которых просто полезно знать. Например:

• Перманганат калия + серная кислота + этанол. Чтобы разжечь огонь с помощью марганцовки, на сухой порошок перманганата калия капается несколько капель концентрированной серной кислоты. Если теперь в смесь положить вату, смоченную этиловым спиртом, вата загорится.
• Триоксид хрома + этанол. На вату, смоченную этиловым спиртом, насыпается немного триоксида хрома. В момент контакта реагентов происходит воспламенение ваты.
• Натрий или калий + вода. При контакте одного из этих металлов с водой происходит бурная реакция с воспламенением.
• Хлорат калия + сахар + серная кислота. Для получения огня сахарная пудра смешивается с хлоратом калия, после чего на образованную смесь капают концентрированную кислоту. В момент контакта смеси с серной кислотой происходит возгорание.
• Алюминий + йод. Для этого способа понадобится провести химический опыт с кристаллическим йодом. Его смешивают с алюминиевой пудрой и в готовую смесь добавляют немного воды - через непродолжительное время смесь загорается.

На самом деле существует намного больше способов развести огонь с помощью химических реагентов, но почти ни один из них не подходит для туриста, оказавшегося в аварийной ситуации, ведь большинство реагентов не то, что в походе, но и в населенном пункте не всегда можно купить.

Хлорат калия воспламеняется при контакте с серной кислотой и сахаром, но попробуйте купить его. Тем более, признайтесь: будете носить вы его в рюкзаке вместе с серной кислотой?

Считается даже, что огонь можно развести с помощью перекиси водорода. Это, однако, не так: на самом деле эта реакция не вызывает горения, но может его поддержать. Так, если в перекись водорода добавить марганцовку, то начнется бурное выделение кислорода. А в среде кислорода, как известно, даже тлеющая лучинка мгновенно возгорается.

В условиях же выживания не вижу смысла таким образом использовать перекись водорода: будет больше толка, если ее пустить по прямому назначению, то есть в целях обеззараживания ран и царапин.

Мне известна лишь пара химических способов разведения огня без спичек и других приспособлений для розжига, которые могут быть реализованы в дикой природе, например, в лесу, с общедоступными и встречающимися в аптечке туриста реагентами. Это способы с использованием смесей марганцовка + глицерин и марганцовка + сахар.

Данные способы основаны на том, что перманганат калия при нагревании (в нашем случае от трения), а иногда и при комнатной температуре активно взаимодействует с различными органическими веществами, например, с упомянутыми глицерином и сахаром.

Разведение огня марганцовкой с глицерином

Перманганат калия и глицерин можно хранить в походной аптечке. Перманганат калия обычно берут для приготовления антисептических растворов, а глицерин - для различных косметических и некоторых других медицинских процедур.

Глицерин для разжигания огня должен быть безводным или по крайней мере содержать минимальное количество воды.

На заметку

Перманганат калия (он же - марганцовка) в РФ и Украине был признан прекурсором и внесён в список наркотических веществ. Тем не менее, в некоторых аптеках его по-прежнему можно приобрести, правда, в небольшом количестве и по немалой цене.

Для того, чтобы получить огонь этим методом, необходимо на перманганат калия капнуть несколько капель глицерина. Через некоторое время смесь прореагирует с выделением дыма, а затем загорится. Выглядит это так:

Меры безопасности при использовании этого метода:

1. Избегать попадания марганцовки на кожу, слизистые (возможны ожоги) и на одежду (могут остаться пятна).
2. Не тушить такой огонь водой. Попадание воды способствует разбрызгиванию смеси.
3. Добывать огонь таким путем следует на открытом воздухе, так как перегревание глицерина способствует выделению акролеина - отравляющего вещества 1-го класса опасности. То же самое вещество выделяется при подгорании жира при приготовлении пищи.

На заметку

Кстати, о негативном влиянии акролеина на человеческий организм говорит и тот факт, что во время Первой мировой войны он использовался в качестве химического оружия.

Разведение огня марганцовкой с сахаром

Этот способ, как по мне, более универсален для туристов, нежели предыдущий, так как в отличии от глицерина, сахар с собой берет большинство любителей активного отдыха в дикой природе. Хотя на самом деле можно обойтись и вовсе без сахара, используя только марганцовку, но мы рассмотрим наиболее известный в народе вариант.

На заметку

Перманганат калия зачастую называют марганцем, хотя это некорректно, так как это два разных вещества. Первое - соль темно-фиолетового цвета, а второе - металл серебристо-белого цвета. Марганцовка - более корректное название перманганата калия.

Алгоритм получения огня данным способом следующий:

1. Берется легковоспламеняющийся трут, например, вата или сухая трава.
2. Из сухой, но прочной ветки делается небольшая палочка и заостряется на конце.
3. В бревне или деревянной дощечке вырезается небольшое углубление по диаметру поперечного сечения заготовленной палочки.
4. Острие палочки помещается в углубление и притирается.
5. Марганцовка смешивается с сахаром в пропорции 9:1 и помещается в углубление.
6. Смесь придавливается палочкой к дну углубления, а над ним по периметру располагается трут.
7. Растирание смеси марганцовки с сахаром дает вспышку, которая приводит к возгоранию трута. Но, как уже было сказано, использование сахара в этом способе не обязательно: лучше оставить его для гастрономических целей.

ВНИМАНИЕ! Заготавливать заранее и хранить готовые смеси с марганцовкой недопустимо: такие смеси благодаря сильным окислительным способностям перманганата калия могут самовоспламеняться или взрываться. Не носите в рюкзаке уже смешанные марганцовку и сахар - такой розжиг можно готовить только непосредственно перед разведением костра.

При использовании данного метода добычи огня без спичек следует помнить, что во время вспышки излишки перманганата калия могут разлетаться в стороны, попадая на человека и его одежду.

Если под руками имеется только марганцовка без сахара, огонь можно развести так, как показано на видео ниже:

Вообще, перманганат калия в походе - вещь необходимая, причем не только для разведения костра. Его можно использовать для обеззараживания воды, для лечения отравления некоторыми алкалоидами, для промывания ран и, как можем убедиться, для добычи огня. Поэтому имеет смысл приобрести марганцовку и носить ее не только в аптечке, но и в НАЗе. Я, например, ношу небольшое количество марганцовки в своем браслете из репшнура: там она запаяна в герметичный гибкий контейнер и находится между переплетениями шнура.

Интересное видео: 10 наиболее распространенных способов получить огонь с помощью химических реакций:

Всего две капли глицерина - и марганцовка меняет свой цвет!

Сложность:

Опасность:

Сделайте этот эксперимент дома

Почему раствор поначалу синеет?

Если внимательно следить за хамелеоном, вы заметите, что через несколько секунд после добавления глицерина в раствор он приобретёт синюю окраску. Синий цвет образуется при смешении фиолетового (от перманганата MnO 4 -) и зелёного (от манганата MnO 4 2-) растворов. Однако он достаточно быстро зеленеет – в растворе становится всё меньше MnO 4 - и больше MnO 4 2- .

Дополнение

Учёным удалось обнаружить, в какой форме марганец способен окрашивать раствор в синий цвет. Это происходит, когда он образует гипоманганат-ион MnO 4 3- . Здесь марганец находится в степени окисления +5 (Mn +5). Однако MnO 4 3- очень неустойчив, и для его получения необходимы особые условия, поэтому в нашем опыте его увидеть не получится.

Что происходит с глицерином в нашем опыте?

Глицерин взаимодействует с перманганатом калия, отдавая ему свои электроны. Глицерин взят в нашей реакции в большом избытке (его примерно в 10 раз больше, чем перманганата калия KMnO 4). Сам глицерин в условиях нашей реакции превращается глицериновый альдегид, а затем − в глицериновую кислоту.

Дополнение

Как мы уже выяснили, глицерин C 3 H 5 (OH) 3 окисляется перманганатом калия. Глицерин – это весьма сложная органическая молекула, поэтому и реакции с его участием зачастую непросты. Окисление глицерина – сложная реакция, в ходе которой образуется много различных веществ. Многие из них существуют совсем недолго и превращаются в другие, а некоторые можно найти в растворе и после окончания реакции. Такая ситуация характерна для всей органической химии в целом. Обычно те вещества, которых по итогам химической реакции получается больше всего, называют основными продуктами, а остальные – побочными.

В нашем случае основной продукт окисления глицерина перманганатом калия – это глицериновая кислота.

Для чего мы добавляем гидроксид кальция Ca(OH) 2 в раствор KMnO 4 ?

В водном растворе гидроксид кальция Ca(OH) 2 распадается на три заряженные частицы (ионы):

Ca(OH) 2 → Ca 2+ (раствор) + 2OH - .

В транспорте, магазине, кафе или в школьном классе – везде нас окружают разные люди. И ведём мы себя в таких местах по-разному. Даже если делаем одно и то же дело – например, читаем книгу. В окружении разных людей мы делаем это немного по-разному: где-то медленнее, где-то быстрее, иногда запоминаем прочитанное хорошо, а другой раз не можем вспомнить и строчки уже на следующий день. Так и перманганат калия в окружении ионов OH - ведёт себя по-особенному. У глицерина он забирает электроны «нежнее», никуда не торопясь. Именно поэтому мы можем наблюдать изменение окраски хамелеона.

Дополнение

А что произойдёт, если не добавлять раствор Ca(OH) 2 ?

Когда в растворе присутствует избыток ионов OH - , такой раствор называют щелочным (или говорят, что он имеет щелочную реакцию). Если же, наоборот, в растворе есть избыток ионов H + , такой раствор называют кислым. Почему «наоборот»? Потому что вместе ионы OH - и H + образуют молекулу воды H 2 O. А вот если ионы H + и OH - присутствуют поровну (то есть мы имеем фактически воду), раствор называют нейтральным.

В кислом растворе активный окислитель KMnO 4 становится крайне невоспитанным, даже грубым. Он очень быстро отнимает электроны у глицерина (целых 5 за раз!), и марганец превращается из Mn^+7 (в перманганате MnO 4 -) в Mn 2+ :

MnO 4 - + 5e - → Mn 2+

Последний (Mn 2+) не придаёт воде никакой окраски. Поэтому в кислом растворе марганцовка очень быстро обесцветится, и хамелеон не получится.

Похожая ситуация произойдёт и в случае нейтрального раствора перманганата калия. Только мы «потеряем» не все цвета хамелеона, как в кислом растворе, а только два – зелёный манганат MnO 4 2- получаться не будет, а значит, синее окрашивание тоже исчезнет.

Можно ли сделать хамелеона, используя что-нибудь, кроме KMnO 4 ?

Можно! Хамелеон из хрома (Cr) будет иметь следующую окраску:

оранжевый (бихромат Cr 2 O 7 2-) → зелёный (Cr 3+) → голубой (Cr 2+).

Ещё один хамелеон – из ванадия (V):

жёлтый (VO 3+) → голубой (VO 2+) → зелёный (V 3+) → лиловый (V 2+).

Вот только заставить растворы соединений хрома или ванадия менять свой цвет так красиво, как это происходит в случае марганца (марганцовки), намного сложнее. Кроме того, придётся постоянно добавлять новые вещества в смесь. Поэтому настоящий хамелеон − такой, что будет менять свой цвет «самостоятельно», − получается только из марганцовки.

Дополнение

Марганец Mn, как и хром Cr и ванадий V, – это переходные металлы – большая группа химических элементов, обладающих целым набором интересных свойств. Одна из особенностей переходных металлов – яркая и разнообразная окраска соединений и их растворов.

Например, из растворов соединений переходных металлов легко получить химическую радугу:

Каждый Охотник Желает Знать, Где Сидит Фазан:

Красный (тиоционат железа (III) Fe(SCN) 3), железо Fe;

Оранжевый (бихромат Cr 2 O 7 2-), хром Cr;

Жёлтый (VO 3+), ванадий V;

Зелёный (нитрат никеля, Ni(NO 3) 2), никель Ni;

Голубой (сульфат меди, CuSO 4), медь Cu;

Синий (тетрахлоркобальтат, 2-), кобальт Co;

Фиолетовый (перманганат MnO 4 -), марганец Mn.

Развитие эксперимента

Как изменить хамелеона дальше?

Можно ли обратить реакцию и снова получить фиолетовый раствор?

Некоторые химические реакции могут протекать как в одном направлении, так и в обратном. Такие реакции называют обратимыми и, по сравнению с общим числом химических реакций, их известно не так уж много. Можно обратить реакцию, создав особые условия (например, сильный нагрев реакционной смеси) или добавив какой-то новый реагент. Окисление глицерина перманганатом калия KMnO 4 не относится к реакциям такого типа. Более того, в рамках нашего эксперимента обратить эту реакцию невозможно. Поэтому заставить хамелеона менять свой цвет в обратном порядке у нас не получится.

Дополнение

Давайте разберёмся, существует ли способ обратить нашего хамелеона?

Сначала простой вопрос: может ли окисленный глицерин (глицериновая кислота) превратить диоксид марганца MnO 2 обратно в фиолетовую марганцовку KMnO 4 ? Нет, не может. Даже если мы будем ему сильно помогать (например, греть раствор). А всё потому, что KMnO 4 – сильный окислитель (с этим мы разобрались немного выше), в то время как глицериновая кислота обладает слабыми окислительными свойствами. Слабому окислителю невероятно трудно что-либо противопоставить сильному!

Можно ли превратить MnO 2 обратно в KMnO 4 , используя другие реагенты? Да, можно. Вот только для этого вам придётся работать в настоящей химической лаборатории! Один из лабораторных способов получения KMnO 4 – это взаимодействие MnO 2 с хлором Cl 2 в присутствии избытка гидроксида калия KOH:

2MnO 2 + 3Cl 2 + 8KOH → 2KMnO 4 + 6KCl + 4 H 2 O

Дома такую реакцию не провести – это и сложно (понадобится специальное оборудование), и небезопасно. Да и сама она будет иметь мало общего с ярким и красивым хамелеоном из нашего опыта.