Опыты без взрывов

В школе вы изучаете химическую теорию, а на лабораторных занятиях убеждаетесь в том, что теория верна. Но все ли теоретические положения можно проверить на уроках? Вряд ли, времени не хватит, а многое слишком сложно для проверки. И все-таки некоторые явления, сложные по своей природе, можно наблюдать и на занятиях химического кружка, и даже в домашней лаборатории. Узнать о них не по книгам, а на опыте.

Сейчас бурно развивается биохимия — и вы можете своими глазами увидеть биохимические превращения, Вы слышали о солнечных элементах, которые преобразуют солнечную энергию в электрическую? Такие элементы можно изготовить самостоятельно — и они будут давать ток. Получить искусственный шелк, разделить смесь веществ на хроматографической колонке, синтезировать полупроводниковый материал и проверить его свойства — все это посильные задачи для юного химика.

Конечно, множество явлений и процессов останутся у нас вне поля зрения — необъятного не объять. Однако будем надеяться, что то немногое, с чем вы встретитесь в этой главе, даст вам пищу для размышлений. Увидеть своими глазами — очень важно, разобраться в сути — еще важнее.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: ОКСИДАЗЫ И ПЕРОКСИДАЗЫ

В клетках растений и животных непрерывно протекают сложные химические процессы. Они регулируются белковыми веществами — ферментами, которые (напомним еще раз) играют роль катализаторов химических реакций в клетках. Для изучения таких биохимических процессов нужны сложные приборы и множество реактивов. Однако некоторые биохимические явления можно наблюдать, как говорится, и невооруженным глазом.

Начнем с окислительных ферментов — оксидаз и пероксидаз. Они присутствуют во многих живых тканях, потому что окисление лежит в основе процессов дыхания. Но действуют эти ферменты по-разному: оксидазы окисляют органические вещества кислородом воздуха, пероксидазы для той же цели «добывают» кислород из пероксидов. Конечно, вещества медленно окисляются и без помощи ферментов, но ферменты ускоряют реакцию во много тысяч раз.

При окислении некоторых веществ, например, фенола и гидрохинона, образуются окрашенные продукты реакции. Появление окраски говорит о том, что фермент сработал. А интенсивность окраски позволяет судить о количестве продуктов окисления. Если же окраска вообще не появляется, значит, фермент неактивен. Это может случиться в слишком кислой или слишком щелочной среде, или если отсутствуют поставщики кислорода, или в присутствии вредных для ферментов веществ — так называемых ингибиторов ферментов.

После этого небольшого вступления — сами опыты. Вам понадобятся: капустная кочерыжка, яблоко, клубень картофеля с ростками, луковица с корешками, проросшая в темноте. Реактивами будут служить холодная кипяченая, а еще лучше дистиллированная вода, гидрохинон (из магазина фототоваров) и аптечная перекись водорода. Запаситесь также теркой для овощей, водяной баней, пробирками или флакончиками из-под пенициллина, чистыми пипетками и марлей либо белой тканью.

Начнем исследования с капустного сока. Кусочек капустной кочерыжки, примерно 20 г, измельчите на терке, полученную кашицу отожмите через два слоя марли или один слой ткани, сок соберите в стакан и разбавьте водой в десять раз. Сразу же предупреждаем: при исследовании других растительных объектов сок нужно разбавлять не более чем в два-три раза.

Шесть чистых сухих пробирок или флакончиков пронумеруйте. В пробирки № 1, 2, 3 и 4 налейте по 1 мл разбавленного капустного сока. Пробирки 1 и 2 поставьте для разрушения (инактивации) ферментов минут на пять в кипящую водяную баню, а затем охладите до комнатной температуры. В пробирки 5 и 6 вместо сока налейте по 1 мл воды.

Во все шесть пробирок добавьте немного, на кончике ножа, гидрохинона. Затем в пробирки 1, 3 и 5 налейте по пять капель воды, а в пробирки 2, 4 и 6 — по пять капель пероксида водорода. Содержимое каждой пробирки тщательно перемешайте.

Через десять-пятнадцать минут можно уже наблюдать результаты опыта. Настоятельно советуем записать их в виде таблицы. Внесите в таблицу номера пробирок и состав смеси в каждой из них, в графе против каждой смеси пометьте, изменилась ли окраска в ходе опыта, а если изменилась, то как именно. В следующей графе сделайте вывод — произошло ли окисление.

Когда вся таблица будет заполнена, попытайтесь проанализировать полученные результаты. Для этого подумайте над такими вопросами.

Может ли пероксид водорода окислить гидрохинон в отсутствие капустного сока?

Окисляется ли гидрохинон под действием сока капусты без пероксида водорода?

Сохраняется ли активность ферментов в соке после кипячения?

Какие окислительные ферменты содержатся в капустном соке — оксидазы или пероксидазы?

Однако па основании опыта с растениями одного вида рано еще делать окончательные выводы. Поэтому поставьте такие же опыты с клубнем картофеля и его ростками, с мякотью яблок, с мясистыми чешуями луковицы, а также с ее донцем и листьями («перьями»). Напоминаем: в этих случаях полученный сок надо разбавлять водой в 2–3 раза.

Когда все опыты проделаны, можно определить, в каком из исследованных материалов окислительные ферменты активнее. Как вы считаете, могут ли одновременно присутствовать в растительных тканях оксидазы и пероксидазы?

Попытайтесь сделать выводы сами, не заглядывая в объяснение. А когда выводы сделаны, проверьте, насколько они правильны.

Вывод первый. Пероксид водорода может постепенно окислять гидрохинон и без сока: в пробирках 5 и 6 медленно появляется розовая окраска. Значит, фермент необязателен для реакции. Как и все катализаторы, ферменты лишь ускоряют начавшуюся реакцию во много раз. Вы заметили, конечно, как быстро появилась окраска в пробирке 4. Однако пероксидазы не могут ускорить реакцию гидрохинона с кислородом воздуха (окраска в пробирке 3 отсутствует или появляется очень медленно).

Вывод второй. Фермент можно вывести из строя даже кратковременным кипячением. В пробирке 2 окраски практически нет. Ведь ферменты — это белки; они свертываются при нагревании — в пробирках 1 и 2 появились белковые хлопья.

Вывод третий. В пробирке 3 окраска не появилась. Значит, в капустном соке содержатся только пероксидазы, ускоряющие окисление гидрохинона лишь в присутствии пероксида водорода. Однако в опытах с картофельными клубнями и яблоком окраска появляется, и особенно быстро при встряхивании флакона, когда раствор обогащается кислородом воздуха. Значит, в картофеле и яблоке есть оксидазы (конкретнее — фенолоксидаза), способствующие окислению гидрохинона кислородом. Поэтому и темнеют на воздухе разрезанные клубни картофеля и яблоки — они содержат вещества, родственные гидрохинону. Оксидаза также теряет активность при нагревании. Вспомните, темнеет ли вареный картофель? Наконец, четвертый вывод. В картофеле и яблоке есть также оксидазы — при добавлении пероксида в пробирку 4 окраска появляется скорее. А в мясистых чешуях лука оксидазы нет. Они не темнеют на воздухе даже с гидрохиноном.

Кстати, вы обратили внимание на то, что окислительные ферменты особенно активны в готовящихся к росту или растущих органах растений — в донце луковицы и ее корешках, в ростках клубней картофеля? Обмен веществ идет там наиболее интенсивно.

Итак, мы выяснили, что не всякие условия среды благоприятны для действия ферментов. Если сильный нагрев инактивирует ферменты, то, может быть, они более активны при низкой температуре? Проверим и это. Для опыта нужны будут дополнительно четыре стеклянные или металлические банки емкостью около одного литра и лед или снег (примерно 1 кг). Опыт поставим с капустной кочерыжкой.

Натрите кочерыжку на терке, сок, как и прежде, отожмите через марлю или ткань и разбавьте водой в двадцать раз. Пронумеруйте вновь пробирки, если старая нумерация почему-либо стерлась, и налейте в пробирки 1, 2, 3 и 4 по 1 мл разбавленного капустного сока, а затем добавьте гидрохинон на кончике ножа. В пробирки 5 и 6 вместо сока налейте по 1 мл воды и тоже насыпьте гидрохинон. А затем расставьте пробирки следующим образом: 1 — в банку со снегом или льдом; 2 — в банку с теплой водой (40 °C); 3 — в банку с горячей водой (60 °C); 4 — оставьте на столе при комнатной температуре; 5 — в банку с кипящей водой; 6 — оставьте при комнатной температуре.

Через 5 мин после начала опыта во все пробирки, начиная с более холодных, влейте по пять капель пероксида водорода. Смесь осторожно взболтайте и заметьте время начала реакции. Еще через 5 мин выньте пробирки из банок и запишите результаты опыта в виде таблицы, примерно такой же, как и в прошлый раз. Когда таблица заполнена, можно заняться анализом полученных данных.

Попробуйте сделать выводы самостоятельно, ответив сначала на следующие вопросы.

Ускоряется ли реакция окисления при повышении температуры без добавления фермента?

Можно ли сказать, что ферменты лучше действу' ют при охлаждении?

Какая температура наиболее благоприятна для действия пероксидаз?

Почему пищевые продукты дольше сохраняются в холодильнике?

Для чего кипятят молоко?

Почему теплокровные животные — млекопитающие и птицы — наиболее развитые и жизнеспособные животные на Земле?

Вы ответили на все эти вопросы? Тогда — наши пояснения.

Вы, вероятно, заметили, что скорость окисления гидрохинона пероксидом водорода неодинакова при низкой и высокой температурах. При высокой температуре скорость окисления, естественно, выше. Пероксидазы облегчают взаимодействие гидрохинона с пероксидом. В присутствии фермента реакция проходит даже при низкой температуре, однако чем выше температура, тем легче ферменту активировать молекулы реагирующих веществ.

Но нельзя забывать, что белки при высокой температуре свертываются, скорость реакции снижается. Существует понятие оптимальной температуры действия ферментов, при которой они проявляют наибольшую активность. Для разных ферментов эта температура неодинакова, но многие ферменты, в том числе и пероксидазы, имеют температурный оптимум 40–50 °C.

Пищевые продукты портятся под действием ферментов, которые содержатся в них или выделяются микроорганизмами. На холоде активность ферментов снижается — вот почему в холодильнике продукты портятся меньше.

На верхнюю ступень эволюции поднялись теплокровные животные, которые могут поддерживать температуру тела, оптимальную для деятельности ферментов.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: ДЕГИДРОГЕНАЗЫ

До сих пор вы ставили опыты с растительными тканями. Попробуем поэкспериментировать с ферментами из тканей животных. Объект нового исследования — дегидрогеназы, которые участвуют в процессах тканевого дыхания у животных. Из названия этих ферментов видно, что они отнимают у веществ атомы водорода. Как это происходит, вы увидите чуть позже, а пока приготовьте все необходимое для опыта.

На этот раз вам понадобятся следующие вещества: 5 мл 0,5 %-ного водного раствора формальдегида (аптечный формалин разбавить водой в десять раз); столько же 0,02 %-ного водного раствора метиленового синего (можно использовать разбавленные синие чернила); столько же водного раствора янтарной кислоты, осторожно нейтрализованного пищевой содой до прекращения выделения пузырьков; 10 мл вазелинового или растительного масла. Еще нужен будет термометр и объекты исследования — свежее коровье молоко и мясо курицы или кролика.

Сначала посмотрим, как окисляет формальдегид дегидрогеназа свежего молока. Чтобы это стало заметно, и понадобился раствор красителя метиленового синего: дегидрогеназа отнимет у формальдегида атом водорода, перенесет его на легко восстанавливающийся краситель, и он обесцветится. А формальдегид окислится при этом до муравьиной кислоты. Обесцвеченный после восстановления краситель легко окисляется кислородом воздуха и вновь синеет. Поэтому реакционную смесь придется изолировать от воздуха слоем масла.

Пронумеруйте шесть пробирок. В пробирки 1 и 2 налейте по 5 мл свежего некипяченого молока, а в пробирку 3 — такое же количество холодного кипяченого молока.

Воду в водяной бане нагрейте до 37 °C. Во все три пробирки добавьте по 0,5 мл (около 50 капель) раствора формальдегида и по 5 капель раствора метиленового синего. Смесь станет голубой. В каждый флакон налейте немного масла, чтобы образовался тонкий изолирующий слой на поверхности, и поставьте пробирки 1 и 3 на водяную баню. Пробирку 2 оставьте при комнатной температуре. Заметьте время начала реакции и наблюдайте за изменением окраски растворов. Результаты не забудьте записать в тетрадь.

Как и раньше, зададим вам наводящие вопросы. При какой температуре раствор обесцвечивается быстрее?

Сохраняет ли фермент свою активность в кипяченом молоке?

Что произойдет, если продуть через обесцвеченный раствор воздух?

Прежде чем проверить правильность своих выводов, поставьте еще один опыт с дегидрогеназой, а потом уже рассмотрим результаты обоих опытов.

В мышцах животных содержится специфический фермент — дегидрогеназа янтарной кислоты. Она катализирует превращение янтарной кислоты в фумаровую с переносом отнятого водорода на подходящее вещество, например, на метиленозый синий. Эта реакция протекает без участия кислорода, как говорят, в анаэробных условиях.

Сырое мясо курицы или кролика (около 10 г) мелко нарежьте и разотрите на блюдце. Кашицу промойте несколько раз водой на марле, чтобы удалить растворимые вещества. Промытую кашицу размешайте с тройным объемом воды, в которую добавлена поваренная соль — примерно треть чайной ложки. Разбавленную кашицу влейте в пробирки 4, 5 è 6 — по 5 мл в каждую. Пробирку 4 погрузите на пять минут в кипящую водяную баню и охладите до комнатной температуры. Затем в пробирки 4 и 5 добавьте по 0,5 мл раствора янтарной кислоты и по 10 капель раствора метиленового синего, а в пробирку 6 добавьте 0,5 мл воды и 10 капель красителя. В каждый флакон долейте чуть-чуть масла, чтобы изолировать смесь от воздуха. Проследив изменение окраски, попробуйте ответить на очередные вопросы.

Восстанавливается ли краситель в присутствии прокипяченной кашицы из мяса?

Нужна ли для этой реакции янтарная кислота?

Сходно ли поведение ферментов из тканей при высокой температуре?

А теперь — пояснения. Дегидрогеназы в свежем молоке ускоряют реакцию окисления формальдегида (это замечено по обесцвечиванию метиленового синего). Восстановленному красителю можно вернуть синий цвет, окисляя его кислородом воздуха. Дегидрогеназа молока при низкой температуре «работает» медленно; после кипячения молока она вовсе теряет активность. Значит, у этого фермента тоже есть оптимальная температура реакции.

В опытах с кашицей из мышц дегидрогеназа янтарной кислоты, как и все ферменты, теряет активность после кипячения. В отсутствие янтарной кислоты реакция также не идет (если вы хорошо промыли кашицу водой и удалили таким образом содержащуюся в ней янтарную кислоту). Фермент довольно быстро окисляет янтарную кислоту до фумаровой, перенося атомы водорода на краситель.

И еще один опыт с этим же ферментом, но с другим объектом — с микроорганизмами. До сих пор вы имели дело с животными и растительными тканями. Однако микроорганизмы, пожалуй, еще лучше вооружены ферментами: ведь у них нет других средств борьбы за существование, кроме биохимических. С одним из микроорганизмов, а точнее — грибов, мы и поставим опыт. Речь идет об обычных пекарских дрожжах. Среди множества активных ферментов, которые вырабатываются дрожжами, есть и знакомая нам дегидрогеназа.

Кусочек прессованных дрожжей разотрите на блюдце с двумя чанными ложками кипяченой воды. Растирать лучше пластмассовой или алюминиевой ложкой. Когда смесь станет однородной, внесите ее чистой пипеткой в две пробирки. Их надо предварительно вымыть с мылом ватным тампоном на палочке, промыть водой и высушить. Другой пипеткой добавьте в обе пробирки немного масла.

Пробирку 1 поставьте на пять минут в кастрюлю с кипящей водой и охладите до комнатной температуры. В обе пробирки добавьте по щепотке сахарного песка и осторожно взболтайте, чтобы сахар растворился. Третьей пипеткой введите в обе пробирки по 10–15 капель раствора красителя. Наблюдайте за окраской раствора.

Опыт можно несколько усложнить, для этого понадобится больше пробирок. Попробуйте изменять температуру раствора, брать разные количества дрожжей и сахарного песка. А выводы предоставляем вам сделать самостоятельно, без всяких наводящих вопросов. Теперь, когда вы накопили достаточный опыт, вам это вполне под силу.

ОПЫТЫ С ФЕРМЕНТАМИ: АМИЛАЗЫ

Ферменты ускоряют течение многих химических реакций, ío делают это избирательно. У каждого из них своя узкая «специальность», один и тот же процесс ускоряется иногда несколькими ферментами. В этом мы сейчас и убедимся.

Рассмотрим ферменты, разрушающие крахмал с присоединением к его «осколкам» молекул воды, т. е. гидролитические ферменты. Среди них — амилазы, о которых мы уже рассказывали в главе «Опыты с углеводами». Поскольку суть действия таких ферментов вы уже знаете, займемся сразу сравнительными опытами: проверим, как действуют на крахмал амилазы человека и животных.

Источником амилазы человека, как и раньше, будет служить слюна. Амилазы животного происхождения вы найдете в пчелином меде.

Приготовьте сначала пять растворов. Первый раствор: соберите в пробирку около 0,5 мл слюны и разбавьте холодной кипяченой водой в двадцать раз. Второй раствор: очень жидкий крахмальный клейстер (четверть чайной ложки крахмала на стакан воды). Третий раствор: разбавленная водой в двадцать раз аптечная иодная настойка. Четвертый раствор: две-три капли пчелиного меда, разведенные водой в десять раз и тщательно перемешанные. Пятый раствор: половина чайной ложки пищевой соды на десять ложек воды,

На этот раз потребуется девять пробирок. Во все пробирки налейте около 5 мл клейстера. В пробирки 1, 4 и 7 прибавьте пипеткой по 5 капель уксуса, а в пробирки 2, 5 и 8—столько же раствора соды. В остальные пробирки прибавьте по 5 капель чистой воды. Содержимое всех пробирок перемешайте и в каждую внесите по 10 капель разбавленной слюны.

Через 10 мин в пробирки 1, 2 и 3 прибавьте одну-две капли раствора иода и перемешайте смесь. Наблюдайте за изменением окраски. Еще через 15 мин прибавьте такую же порцию иода в пробирки 4, 5 и 6, а еще через 10 мин — в остальные пробирки. Крахмал и декстрины, как вы помните, дают различную окраску с подом, и по мере разрушения крахмала амилазой цвет меняется. Так можно судить не только о распаде крахмала, но и о том, какая среда — кислая, нейтральная или щелочная— более благоприятна для этого процесса.

Опыт с пчелиным медом ставится точно так же. Активность амилаз в разных образцах может сильно колебаться, поэтому, возможно, время гидролиза придется уменьшить или увеличить. Например, в слюне заядлых курильщиков амилазы содержится очень мало.

Для следующего опыта понадобится ячменный солод — проросшие зерна ячменя. Опустите зерна в воду на несколько часов и оставьте их прорастать на блюдце в течение 4–5 дней, каждый день подливая немного воды. Проростки отделите, промойте водой è тщательно разотрите деревянным пестиком или ложкой. Кашицу разбавьте двойным количеством дистиллированной воды и отожмите через плотную ткань в стакан. Такой экстракт содержит два фермента: альфа-амилазу и бета-амилазу. Дополнительной обработкой можно разрушить один из них, чтобы наблюдать действие другого. Альфа-амилазу разрушим нагреванием. К одной части экстракта из ячменя добавьте три части воды, размешайте смесь и нагревайте ее 20 мин на водяной бане при 70 °C, тщательно перемешивая. Охлажденный раствор содержит бета-амилазу.

Теперь, чтобы получить раствор альфа-амилазы, нужно разрушить бета-амилазу кислотой. Около 5 мл экстракта охладите до 2–3 °C в холодильнике или на льду, прибавьте неполную чайную ложку охлажденного уксуса и долейте в пробирку почти доверху холодную воду. Смесь перемешайте и оставьте на 15–20 мин, а затем нейтрализуйте раствор, добавляя порошок мела до прекращения выделения пузырьков. Еще раз размешайте смесь, разбавьте в два раза водой, дайте отстояться и слейте жидкость над осадком в чистую пробирку. На этом подготовка к опыту закончена.

В десять пробирок налейте по 1 мл раствора крахмала и по 9 мл воды. В пробирки 1–5 добавьте пипеткой десять капель раствора альфа-амилазы, в остальные пробирки — столько же раствора бета-амилазы, Содержимое всех пробирок перемешайте. Через 3 мин в пробирки 1 и 6 прибавьте одну каплю раствора иода и размешайте. То же проделайте с пробирками 2 и 7 через 5 мин, 3 и 8—через 10 мин, 4 и 9—через 20 мин, 5 и 10—через 30 мин.

Вы заметите, что в присутствии альфа-амилазы окраска быстро меняется: синяя — фиолетовая— розовая — желтая: при этом образуются декстрины— осколки молекул крахмала. Бета-амилаза действует иначе: она как бы «откусывает» кусочки от молекул крахмала, и поэтому окраска с иодом остается синей, но по мере распада крахмала ее яркость уменьшается.

Результаты этого опыта наглядно показывают разнообразие свойств даже у похожих ферментов. В живых организмах ферменты обычно действуют совместно. Происходящие при этом превращения намного сложнее тех сравнительно простых реакций, которые вы наблюдали в пробирках. Но познание простого — это первый шаг к познанию сложного.

И НЕ ТОЛЬКО АМИЛАЗА

Вы уже убедились в том, что слюна — превосходный объект для биохимического исследования, и притом, в отличие от большинства других объектов животного происхождения, постоянно доступный.

Помимо амилазы, в слюне есть и другие ферменты, помогающие переваривать пищу, расщепляя сложные природные вещества на более простые. Но выделять и изучать их гораздо труднее, чем амилазу. Поэтому последние наши биохимические опыты мы поставим с веществами иной природы.

Ополоснув рот водой, соберите около 1 мл слюны в пробирку или флакончик и разведите тройным количеством дистиллированной или кипяченой воды. Отлейте половину содержимого в другую пробирку и капните примерно десять капель раствора ляписа — нитрата серебра AgNO₃ (можно растворить в 1 мл воды половину ляписного карандаша из аптеки; примеси не помешают опыту). К белому осадку, выпавшему в пробирке, добавьте уксус, и осадок частично растворится. Так при взаимодействии с нитратом серебра ведут себя соли соляной (хлороводородной) и фосфорной кислот — хлориды и фосфаты.

Вторую часть раствора слюны слегка подкислите слабым раствором соляной кислоты и добавьте несколько капель 3 %-ного раствора хлорида железа FeCl₃. Красно-бурая окраска свидетельствует о том, что в растворе есть роданиды — соли роданистоводородной кислоты. В то время как в слюне у курильщиков мало амилазы, роданидов, напротив, больше обычного. Это можно проверить экспериментально, если у вас есть курящие родственники.

Следующий опыт потребует примерно 5 мл слюны. Поместите ее в стакан и при перемешивании стеклянной палочкой добавьте несколько капель уксусной кислоты (не разбавленного уксуса, а эссенции). На палочку будет налипать белый комочек, похожий на сваренный яичный белок. Это вещество — муцин, он увеличивает вязкость слюны, загущает ее и способствует образованию пены.

Попробуем самостоятельно разобраться в составе муцина. Часть полученного вещества поместите в маленькую пробирку, капните немного, буквально 2–3 капли азотной кислоты и дождитесь, пока муцин пожелтеет. Теперь капните столько же концентрированного раствора щелочи (можно взять раствор аммиака) — и цвет станет оранжевым. Такая реакция называется ксантопротеиновой, она характерца для белков. Вместо нее можно провести биуретовую реакцию, описанную в главе «Опыты с белком», — и в том и в другом случае подтвердится белковая природа вещества.

Но это еще не все. Остальной муцин, выделенный из слюны, подвергните пробе на углеводы. Для этого воспользуйтесь цветной реакцией Молиша, описанной в главе «Опыты с углеводами», или, если у вас есть немного L-нафтола, то ее упрощенной модификацией: к раствору муцина в слабой, примерно 1 %-ной соляной кислоте добавьте три-четыре капли 0,1 %-ного раствора нафтола в спирте и после размешивания очень аккуратно капните на поверхность концентрированной серной кислоты. Фиолетовое кольцо будет свидетельствовать о том, что вы взяли для анализа углевод.

Выходит, что муцин — и белок, и углевод одновременно? Именно так. Он из класса глюкопротеинов, т. е. соединений, содержащих и белковую, и углеводную часть. Если разлагать его сильными кислотами, то образуются аминокислоты, из которых состоят белки, и одновременно — углеводы.

ХРОМАТОГРАФИЯ НА ДОМУ

Для разделения всевозможных смесей, для анализа и выделения из смесей отдельных веществ в лабораториях очень часто пользуются хроматографией: это один из лучших методов разделения и анализа смесей. Хроматографию применяют и в промышленности, когда надо очистить и разделить похожие вещества — органические и неорганические, от лантаноидов до аминокислот. Суть ее в том, что отдельные компоненты смеси (жидкости или газа) по-разному удерживаются веществом-адсорбентом, способным избирательно поглощать те или иные химические соединения.

Современные газовые и жидкостные хроматографы — сложные приборы с автоматическим управлением, нередко — с микро-ЭВМ, которая планирует ход исследования и выдает готовые результаты. Конечно, такое недоступно ни для домашней лаборатории, ни для кружка. Однако начинался этот способ анализа с простых приемов, которые доступны и начинающему химику.

Начнем с бумажной хроматографии. Химики-аналитики пользуются специальной хроматографической бумагой, но для наших опытов подойдет обычная фильтровальная бумага, а то и промокашка. Возьмите квадратный листок бумаги и в середину капните исследуемый раствор, содержащий смесь окрашенных веществ. Это может быть спиртовая настойка какого-либо лекарства, например валерианы или календулы. или приготовленный вами экстракт хлорофилла (см. главу «Экстракция»), или смесь красителей, составленная специально для этого опыта. На бумаге образуется пятно. В центр его капните несколько капель растворителя: в приведенных выше примерах растворителем должен служить спирт, причем одеколоном его заменить нельзя — в нем содержатся вещества, которые могут исказить ход опыта. Вместо этилового спирта можно взять изопропиловый — под названием ИПС его продают в хозяйственных магазинах как средство для мытья окон.

Итак, вы капнули несколько капель растворителя, и он, словно по фитилю, продвигаясь между бумажных волокон, разносит окрашенные вещества от пятна во все стороны. В зависимости от природы вещества и его молекулярной массы опыт идет быстрее или медленнее, но рано или поздно на листе оказывается несколько колец разного цвета. Сколько именно колец — зависит от того, сколько веществ было в анализируемой смеси.

В опыте с хлорофиллом таких колец будет два: желтое и серое.

Вы можете придумать множество вариантов этого опыта, используя разные смеси и подходящие растворители. А еще более точные результаты можно получить, если вместо бумаги использовать тонкий слой сорбента, нанесенный, например на стекло. Такой вариант метода называют тонкослойной хроматографией, а веществом-сорбентом в простейшем случае может служить крахмал.

Разболтайте крахмал в небольшом количестве спирта (вновь можно взять изопропиловый спирт), вылейте смесь на стекло и дайте растворителю испариться. Когда пластинка станет сухой, в ее центр, как и на бумагу, капните одну каплю исследуемой смеси; разумеется, она должна быть окрашенной, иначе разделение трудно будет заметить. Объект для эксперимента подберите сами. Помимо того, что было уже названо, годятся окрашенные соки, чернила, гуашевые краски и многое иное.

Дайте пятну подсохнуть и капните одну-две капли растворителя. Если расплываюшееся пятно оставит на сорбенте-крахмале не одно, а два или несколько цветных колец, это будет свидетельствовать о том, что вы имели дело не с индивидуальным веществом, а со смесью.

Вариант опыта с тонкослойной хроматографией: пластинку с исследуемым веществом ставят наклонно в стакан, на дно которого налито совсем немного растворителя — так. чтобы он смачивал немного крахмал. Растворитель (спирт) будет подыматься по крахмалу, дойдет до капли смеси, продвинется еще выше, а смесь при этом разделится на компоненты: они по-разному удерживаются адсорбентом — крахмалом.

Не менее распространена в лаборатории колоночная хроматография, при которой смеси разделяют на колонках, заполненных сорбентом. Такой метод, пожалуй, еще точнее, но он требует терпения, поскольку раствор в колонке движется медленно.

Хроматографической колонкой вам будет служить стеклянная трубка диаметром около 1 см и длиной примерно 20 см. Закройте ватой ее нижний конец и всыпьте крахмал или сахарную пудру чуть больше, чем наполовину. Сверху влейте в трубку раствор исследуемого вещества, желательно не слишком высокой концентрации. Когда раствор пропитает крахмал или пудру в колонке примерно на половину его высоты, влейте 3–4 мл чистого растворителя. Смесь разгонится по высоте колонки, станут отчетливо видны окрашенные кольца. Их будет столько, сколько веществ входит в состав изучаемой смеси. Этот опыт хорошо удается, в частности, с экстрактом хлорофилла, если в качестве растворителя взят чистый бензин (не автомобильный, а бензин-растворитель).

ЛУЧ УПАЛ НА КРИСТАЛЛ…

Займемся тем, что приготовим полупроводник. Один раз вам это уже удалось — когда вы превратили алюминиевую ложку в выпрямитель тока. Теперь опыт не менее интересный, и с теоретическими пояснениями. Ставить его лучше в химическом кружке или в школьной лаборатории, И не потому, что опыт опасный: просто дома у вас скорее всего нет требуемых веществ.

Сначала — предварительный опыт. Приготовьте раствор нитрата или ацетата свинца и пропустите через негo сероводород (работайте под тягой!). Выпавший осадок сульфида свинца PbS высушите и проверьте, как он проводит электричество. Оказывается, это самый обычный изолятор. Так причем же здесь полупроводники?

Не будем спешить с выводами, а поставим следующий, основной опыт. Для него придется приготовить равные количества, скажем, по 15 мл, 3 %-ного раствора тиокарбамида NH₂C(S)NH₂ и 6 %-ного раствора ацетата свинца. Вылейте оба раствора в небольшой стакан. С помощью пинцета внесите в раствор стеклянную пластинку и держите ее вертикально (либо закрепите в таком положении). Надев резиновые перчатки, налейте в стакан почти доверху концентрированный раствор щелочи (осторожно!) и очень аккуратно размешайте стеклянной палочкой, стараясь не задевать ею пластинку. Слегка подогрейте раствор — так, чтобы появился пар; помешивание продолжайте. Минут через десять стеклянную пластинку аккуратно выньте, вымойте под струей воды и высушите.

И в этом случае вы получили сульфид свинца — так в чем же разница?

Во втором опыте реакция идет медленно, и осадок выпадает не сразу. Если вы наблюдали за раствором, то заметили, что сначала он помутнел и стал почти как молоко, и лишь потом потемнел, — это промежуточные соединения, разлагаясь, образовали черный сульфид свинца. И он оседает на стекле в виде тонкой черной пленки, которая состоит из очень маленьких, различимых только под микроскопом кристаллов. Поэтому пленка кажется очень гладкой, почти зеркальной.

Присоедините к пленке два электрических контакта и пропустите ток. Если сульфид свинца из предыдущего опыта вел себя как диэлектрик, то теперь он проводит ток! Включите в цепь амперметр, измерьте ток и подсчитайте сопротивление: оно окажется выше, чем у металлов, но не столь уж большим, чтобы служить препятствием для прохождения тока.

Поднесите к пластинке зажженную лампу совсем близко и снова включите ток. Вы сразу обнаружите, что сопротивление сульфида свинца резко упало. Примерно так же будет вести себя черная пленка, если ее просто нагреть. Но если при освещении и нагревании проводимость увеличивается, значит, мы имеем дело с полупроводником!

Отчего же у сульфида свинца такое свойство? Мы записали его формулу как PbS, однако истинный состав кристаллов этого вещества не вполне ей соответствует. Некоторые соединения, среди которых и сульфид свинца, не подчиняются закону постоянства состава. И все они — полупроводники. (Это же, между прочим, относится и к оксиду алюминия, выпрямлявшему переменный ток.)

В кристалле PbS порядок расположения частиц должен, казалось бы, строго повторяться. Но нередко благодаря тому, что концентрации растворов, из которых кристаллы получены, колеблются, порядок нарушается. Сказывается влияние температуры, других внешних причин. Как бы то ни было, в реальном кристалле соотношение атомов серы и свинца не точно 1:1. Отклонения от этого отношения очень невелики, всего около 0,0005. Но и этого достаточно, чтобы свойства существенно изменились.

Атомы свинца и серы связаны в кристалле двумя электронами: свинец отдает их сере. Ну а когда соотношение 1:1 нарушается? Если рядом с атомом свинца нет атома серы, электроны окажутся свободными — они-то и будут служить носителями тока. А таких случаев совсем не так мало, как может показаться. Конечно, отношение 1,0005:1 почти равно единице, но если вспомнить, как много атомов в кристалле, то эта незначительная разница уже не покажется вам такой пустячной.

Состав сульфида свинца можно регулировать. Нужно это затем, чтобы изменять его проводимость. Когда атомов серы в кристалле становится больше, то проводимость падает, а когда их меньше, то образуется больше свободных электронов, и проводимость растет. Словом, меняя соотношение атомов серы и свинца, можно получить требуемую проводимость. Опыт этот поставить непросто; если вы не рискнете проводить эксперимент, поверьте на слово, что он получается.

Возьмите кварцевую трубку и поместите в неб лодочку с сульфидом свинца. С другой стороны введите в трубку такую же лодочку со свинцом и очень сильно нагрейте трубку, чтобы свинец начал испаряться. Сульфид в этом случае будет поглощать пары, он обогатится свинцом, н его электропроводность значительно повысится.

Осталось лишь ответить на вопрос, отчего сульфид свинца так чувствителен к освещению. Световые кванты сообщают энергию электронам, причем в каждом конкретном случае наиболее эффективны лучи с определенной длиной волны. Для сульфида свинца — это инфракрасное тепловое излучение. Поэтому-то мы и советовали вам поднести лампу поближе к пленке.

Между прочим, в приемниках инфракрасного излучения и используют обычно прекрасный полупроводник— сульфид свинца.

НЕОБЫЧНАЯ ФОТОГРАФИЯ

В основе фотографического процесса лежат превращения светочувствительных веществ — галогенидов серебра, чаще всего бромида. Находясь в светочувствительной эмульсии, они распадаются под действием света, и на освещенных участках появляются крохотные кристаллические зародыши серебра.

А серебро — драгоценный металл, нужный не только для фотографии. И поэтому исследователи ищут такие светочувствительные вещества и системы, которые не содержали бы серебра. На этом пути есть и удачные находки, но полноценного заменителя пока не найдено. Впрочем, для некоторых целей фотографию без серебра или почти без серебра успешно используют. И такие необычные процессы можно воспроизвести самостоятельно. Вот несколько примеров.

В 100 мл дистиллированной воды растворите 15 г глюкозы и 2 г бихромата аммония. Чистую тонкую белую ткань пропитайте приготовленным раствором и высушите ее, но обязательно в темноте, потому что она стала светочувствительной, и в темноте же прогладьте утюгом. Заранее приготовьте проявляющий раствор. Он состоит из 1 г нитрата серебра (обойтись вовсе без солей серебра не удается) и 10 мл уксусной кислоты на 100 мл воды.

Сделайте на кальке рисунок — то изображение, которое вы хотели бы перенести на ткань. Положите кальку поверх ткани и вынесите на дневной свет. Не торопитесь; чтобы фотохимический процесс завершился, понадобится около пяти минут, а при электрическом освещении и того больше. Для проявления опустите ткань в проявляющий раствор. Полная темнота уже необязательна, допустимо слабое рассеянное освещение.

Высушите проявленную ткань; на ней темно-коричневый рисунок.

В этом опыте вы воспользовались восстановительными свойствами глюкозы — она восстанавливала хром в бихромате аммония. А тот бихромат, который не восстановился, вступил в реакцию с ионами серебра из проявителя, образовал окрашенное соединение, которое и осталось на ткани, так как оно нерастворимо. И поскольку окраска появилась на неосвещенных участках, вы получили сразу позитивное изображение.

Другой вариант этого способа, тоже с бихроматом аммония, но уже без глюкозы и, что важнее, без серебра даже в проявителе. Приготовьте эмульсию, состоящую из двух растворов. Первый раствор: 17 г столярного клея и 6 г желатины залейте 100 мл воды, добавьте 3 мл водного раствора аммиака и оставьте для набухания на сутки, а затем нагревайте около часа на водяной бане при 80 °C до полного растворения. Второй раствор: по 2,5 г бихромата аммония и хромокалиевых квасцов, 3 мл водного раствора аммиака, 30 мл воды и 6 мл спирта. Когда первый раствор остынет примерно до 50 °C, при энергичном перемешивании влейте в него второй раствор и полученную эмульсию дважды профильтруйте (лучше — через вату). Поставьте ее в темное место, и следующую операцию — нанесение эмульсии на металлическую, стеклянную или керамическую пластинку — проводите в затемненном помещении.

Подогретую до 30–40 °C эмульсию налейте тонкой струйкой на чистую пластинку, покачивав ее, чтобы выровнять слой. Минут десять-пятнадцать посушите пластинку, желательно при небольшом нагревании, и, как и в предыдущем опыте, положите на светочувствительный слой кальку с изображением. Прижмите ее стеклом, чтобы она распрямилась, и осветите. Несколько минут на ярком солнце — то, что нужно, а если освещение искусственное, то включите на 10 мин несколько ламп общей мощностью около 2000 Вт, желательно с рефлекторами.

Проявлять надо сразу, иначе хромовые соли задубят желатину и там, где не надо. Проявитель — чуть теплая, не более 30 °C, вода. Незадубленная желатина в ней растворится. А те участки, в которых под действием света белки желатины затвердели, останутся на поверхности.

Изображение получилось не очень четким. Чтобы исправить этот недостаток, опустите отпечаток в 1 %-ный раствор индикатора метилового фиолетового (можно взять разбавленные фиолетовые чернила). Промойте пластину в воде и приступайте к закреплению в растворе: 5 г бихромата аммония, 2 г хромокалиевых квасцов и 4 мл спирта на 100 мл воды; время — три-четыре минуты. Высушите фотографию на воздухе. Для дополнительного закрепления снимка можно нагреть его несколько минут в сушильном шкафу или в духовке.

Следующую бессеребряную фотографию сделаем более привычно — на бумаге. Правда, на фильтровальной; но все равно — этот опыт демонстрационный.

Кружок бумаги опустите в раствор, содержащий по 20 мл 5 %-ных растворов красной кровяной соли К₃[Fе(СN)₆], хлорида железа FeCl₃ и щавелевой кислоты Н₂СO₄ (осторожно!). Пропитанную бумагу извлеките из раствора и высушите в темноте, затем положите кальку с рисунком и засветите солнечным светом. Лампы накаливания для этой цели не годятся, а вот ультрафиолетовая (кварцевая) лампа подойдет. Освещенные места станут темно-синими из-за образования уже знакомой вам турнбулевой сини. Проявления не нужно, а для закрепления промойте бумагу водой, чтобы смыть вещества, не вступившие в реакцию.

И последний опыт с бессеребряной фотографией. В одном стакане растворите в 100 мл воды по 0,4 г хлорида железа (III) и щавелевой кислоты, в другом—1,4 г хлорида меди в таком же количестве воды. Смешайте 10 мл первого и 0,6 мл второго раствора, пропитайте смесью фильтровальную бумагу и высушите ее в темноте. Заготовьте проявитель: 3,5 г медного купороса, 17 г сегнетовой соли (двойной натриево-калиевой соли винной кислоты), 5 г едкого натра (осторожно!) на 100 мл воды и смешайте с 25 мл 40 %-ного раствора формальдегида. Вновь засветите бумагу на солнечном свете или под ультрафиолетовой лампой через кальку с рисунком; в отличие от предыдущего опыта изображения сперва не видно. Оно появится после 15-минутной выдержки в проявителе и промывки в большом количестве воды.

Этот процесс несколько напоминает серебряную фотографию, поскольку в светочувствительном слое также образуются центры кристаллизации, но не серебра, а меди; однако медь осаждалась не из эмульсии, как в обычной фотографии, а из проявляющего раствора.

ВНИМАНИЕ, СКОРОСТЬ!

В химической науке есть особая область, которая изучает скорости и механизмы различных реакций, — химическая кинетика.

Хотя химическая теория может объяснить многое, предсказать теоретически скорость любой реакции пока нельзя. Ее изучают экспериментально, в лаборатории, и потом разрабатывают способы, как эту скорость изменить. Есть немало реакций, важных для промышленности, которые идут слишком медленно, нужно уметь их ускорять. Другие реакции, напротив, приходится тормозить, потому что они вредны.

Словом, химическая кинетика — экспериментальная наука. В справедливости ее законов можно убедиться, поставив несколько несложных опытов.

Для начала удостоверимся в том, что скорость одной и той же реакции действительно может изменяться, и довольно значительно. (Впрочем, это можно предположить на основании не химического, а жизненного опыта; к примеру, продукты на морозе портятся медленнее, чем на жаре, потому что при разных температурах одни и те же биохимические реакции идут с разными скоростями.)

Для проверки повторите опыт из главы «Химические часы», но изменяйте на этот раз не концентрации веществ (это вам уже знакомо), а температуру. Если оба исходных раствора — сульфата натрия и йодата калия с серной кислотой — выливать в воду со льдом, то времени до появления синей окраски пройдет заметно больше, чем при использовании теплой воды. Заметьте только, что в очень горячей воде окраска не появляется вовсе, так как окрашенное соединение иода с крахмалом неустойчиво.

Итак, вы выяснили на опыте: чем выше концентрация и температура, тем быстрее идет реакция. Но некоторые реакции на первый взгляд кажутся исключением из правила. Вот пример.

Налейте в пробирку на высоту 1–2 см уксусной кислоты и бросьте в нее несколько кусочков цинка. Цинк надо предварительно очистить, погрузив его секунд на двадцать в раствор соляной кислоты и промыв водой,

Уксусная кислота слабая, и цинк растворяется в ней очень медленно — пузырьки водорода еле выделяются. Как ускорить реакцию? Нагреть раствор. Правильно. А нельзя ли иначе? Поступим так: понемногу станем добавлять в пробирку чистую воду, каждый раз хорошо перемешивая. Внимательно последите за пузырьками. Удивительное дело: кислота уже разбавлена вдвое, втрое, а реакция вместо того чтобы замедляться, идет все быстрее!

Если вы ставите этот опыт на занятиях кружка, то замените цинк маленьким кусочком магниевой стружки и ничем ее не обрабатывайте. С разбавленной уксусной кислотой магний реагирует еще энергичнее, чем цинк.

Такое «исключение» из правила становится понятным, если его хорошо изучить. Наш опыт с уксусной кислотой объясняется следующим образом. Скорость, с которой цинк или магний взаимодействуют с кислотой, зависит от концентрации ионов водорода в растворе. Эти ионы образуются при растворении в воде любой кислоты. Но когда воды мало, слабая уксусная кислота находится в растворе почти исключительно в виде недиссоциированных молекул. По мере разбавления водой все больше молекул уксусной кислоты распадается на ионы, и реакция идет быстрее. Но если добавить слишком много воды, то реакция вновь замедлится, уже по другой причине: из-за сильного разбавления концентрация ионов водорода опять уменьшится. Быстрее всего реагирует с цинком 15 %-ная уксусная кислота.

Конечно, мы разобрали этот опыт отнюдь не ради того, чтобы просто показать, какими необычными бывают химические превращения. Мы хотели обратить ваше внимание вот на что: для управления скоростью реакции обязательно надо знать, как она идет.

Всякая реакция начинается с того, что молекулы веществ сталкиваются друг с другом. Посмотрим, как начинается реакция.

Возьмите не очень широкую стеклянную трубку длиной в несколько десятков сантиметров и подберите к ней две пробки, С внутренней стороны, обращенной к трубке, вставьте в обе пробки по небольшому стеклянному стерженьку и намотайте на них по кусочку ваты. Один кусочек смочите несколькими каплями концентрированной соляной кислоты, другой — концентрированным раствором аммиака. Одновременно вставьте пробки с ватками в трубку с обеих концов. Через несколько минут — в зависимости от длины трубки — в ней, ближе к ватке с соляной кислотой, появится белое кольцо хлорида аммония NH₄Cl.

Обычно при химических реакциях смесь перемешивают, чтобы процесс шел быстрее. Мы умышленно этого не сделали и не пытались даже помочь молекулам встретиться — они двигались сами. Такое самостоятельное передвижение молекул в той пли иной среде называют диффузией. Испаряясь с ваты, молекулы обоих веществ испытывали миллиарды столкновений в секунду с молекулами воздуха и друг с другом. И хотя скорость молекул очень велика, она исчисляется сотнями метров в секунду, при 0 °C и нормальном давлении свободный пробег, т. е. расстояние, которое успевает пройти молекула от одного столкновения до другого, составляет для этих веществ всего около 0,0001 мм. Поэтому-то аммиак и хлористый водород (из соляной кислоты) так медленно двигались в трубке. Столь же медленно распространяется по комнате с неподвижным воздухом пахучее вещество.

Но отчего белое кольцо появилось не посередине трубки? Оттого, что молекулы аммиака меньше, они продвигаются через воздух быстрее. Если же из трубки откачать воздух, то молекулы аммиака и хлористого водорода встретятся через доли секунды — длина свободного пробега молекул значительно увеличится.

Советуем вам самостоятельно провести небольшое исследование, чтобы узнать, как влияют на диффузию силы тяжести и температура. Для этого располагайте трубку вертикально и наклонно, а также нагревайте отдельные ее части (включая то место, где оседает хлорид аммония). Выводы попробуйте сделать сами.

От газов перейдем к жидкостям. В них диффузия идет еще медленнее. Проверим это на опыте.

На гладкую и чистую стеклянную пластинку капните рядом по нескольку капель трех жидкостей: в середине — воды, по бокам от нее — растворов соды и соляной кислоты. Жидкости до начала опыта не должны соприкасаться. Затем очень осторожно, избегая перемешивания, палочкой соедините растворы. Должен выделяться диоксид углерода, но это произойдет не сразу. А когда газ начнет выделяться, то пузырьки его расположатся вдоль границы, разделяющей области диффузии кислоты и соды.

Вместо соды и кислоты можно взять два любых растворимых в воде вещества, которые при смешивании окрашиваются или дают осадок. Впрочем, в таких опытах трудно избежать потоков жидкости, искажающих картину, поэтому лучше ставить опыты в загущенных растворах. А загущать их можно желатиной.

Приготовьте 4 %-ный раствор желатины, опустив ее в горячую воду (не кипятить!). Горячий раствор налейте в пробирку и, когда он остынет, в центр пробирки быстро, одним движением, введите пинцетом кристаллик перманганата калия, медного купороса или другого ярко окрашенного и растворимого в воде вещества. Пинцет сразу же выньте осторожным, но быстрым движением. В течение нескольких часов можно наблюдать очень красивую картину диффузии. Растворяемое вещество распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью, образуя окрашенную сферу.

С загущенным раствором можно поставить еще один опыт. Налейте горячий желатиновый раствор в две пробирки и добавьте в одну немного раствора щелочи, а в другую — фенолфталеина. Когда содержимое пробирок застынет, пинцетом быстро введите в центр первой пробирки кусочек таблетки фенолфталеина, в центр второй — комок кальцинированной соды. В обоих случаях появится малиновая окраска. Но заметьте: во второй пробирке окраска распространяется гораздо быстрее. Ионы гидроксида, образовавшиеся при диссоциации щелочи, намного меньше и легче сложной органической молекулы фенолфталеина, и поэтому они движутся в растворе быстрее.

Перейдем теперь к твердым веществам. В реакциях между ними (или между твердым веществом с жидкостью либо газом) молекулы могут сталкиваться только на поверхности. Чем больше поверхность раздела, тем быстрее идет реакция. Убедимся в этом. Железо на воздухе не горит. Однако это справедливо только для железных предметов. Например, у гвоздей поверхность соприкосновения с воздухом невелика, реакция окисления идет слишком медленно. Железные опилки реагируют с кислородом намного быстрее: на холоду раньше превращаются в ржавчину, а в пламени могут и загореться. Мельчайшие же крупинки способны вспыхнуть вообще без нагревания. Такое железо называют пирофорным. Его невозможно настругать даже самым мелким напильником, так что получают его химическим путем, например, разлагая соль щавелевой кислоты — оксалат железа.

Смешайте водные растворы какой-либо соли двухвалентного железа, например железного купороса, и щавелевой кислоты или ее растворимой соли. Желтый осадок оксалата железа отфильтруйте и заполните им пробирку не более чем на пятую часть объема. Нагрейте вещество в пламени горелки, при этом держите пробирку горизонтально или чуть наклонно, отверстием вниз и в сторону от себя. Выделяющиеся капли воды снимайте жгутом фильтровальной бумаги или ватой. Когда оксалат разложится и превратится в черный порошок, закройте пробирку и охладите ее.

Понемногу и очень осторожно высыпайте содержимое пробирки на металлический или асбестовый лист: порошок будет вспыхивать яркими искрами. Особенно эффектен опыт в затемненном помещении.

Важное предупреждение: пирофорное железо нельзя хранить, это может привести к пожару! По окончании опыта порошок обязательно прокалите на воздухе или обработайте кислотой, чтобы не осталось несгоревших частиц — они могут самовоспламениться.

Далее исследуем, как влияет размер поверхности твердого вещества на скорость его реакции с жидкостью. Возьмите два одинаковых кусочка мела и один из них разотрите в порошок. Поместите оба образца в пробирки и залейте одинаковыми объемами соляной кислоты. Мелкораздробленный мел, как и следовало ожидать, растворится гораздо быстрее. Еще один кусочек мела поместите в пробирку с серной кислотой. Начавшаяся было энергичная реакция вскоре затихает, а затем и вовсе прекращается. Отчего же? Ведь серная кислота не слабее соляной…

При реакции мела с соляной кислотой образуется хлорид кальция СаСl₂ который легко растворяется в воде и не мешает притоку к поверхности мела новых порций кислоты. При взаимодействии с серной кислотой получается сульфат кальция CaSO₄, а он очень плохо растворяется в воде, остается на поверхности мела и закрывает ее. Чтобы реакция пошла дальше, надо время от времени очищать поверхность мела или заранее превратить его в порошок. Знание таких подробностей процесса очень важно для химической технологии.

И еще один опыт. Смешайте в ступке два твердых вещества, дающих окрашенные продукты реакции: нитрат свинца и иодид калия, железный купорос и красную кровяную соль, и т. д. — и разотрите смесь пестиком. Постепенно, по мере растирания, смесь начнет окрашиваться, так как поверхность взаимодействия веществ все увеличивается. Если же налить на смесь немного воды, то сразу появится интенсивная окраска — ведь в растворе молекулы передвигаются значительно легче.

И в заключение опытов по кинетике поставим количественный эксперимент; единственный инструмент, который понадобится, — это секундомер или часы с секундной стрелкой.

Приготовьте 0,5 л 3 %-ного раствора серной кислоты (лить кислоту в воду!) и столько же 12 %-ного раствора тиосульфата натрия. Перед растворением тиосульфата добавьте в воду несколько капель нашатырного спирта.

На две цилиндрические склянки (стаканы, стопки) вместимостью 100 мл нанесите метки на уровне 50; 25; 12,5 и 37,5 мл, последовательно разделяя высоту пополам. Пометьте склянки и налейте в них до верхних меток (50 мл) приготовленные растворы.

Обычный тонкий стакан вместимостью 200 или 250 мл поставьте на темную бумагу и вылейте в него раствор тиосульфата, а затем — кислоты. Сразу заметьте время и перемешивайте смесь в течение одной-двух секунд. Чтобы не разбить стакан, лучше пользоваться деревянной палочкой. Как только раствор начнет мутнеть, запишите время, прошедшее с начала реакции. Опыт удобно проводить вдвоем: один следит за часами, другой сливает растворы и сигнализирует о помутнении.

Вымойте стакан и проведите опыт еще трижды; раствор тиосульфата наливайте в стакан до третьей (37,5), второй (25) и первой (12,5 мл) меток, доливая каждый раз воду до верхнего деления. Количество кислоты во всех опытах остается постоянным, и общий объем реагирующей смеси всегда равен 100 мл.

Теперь начертите график: как зависит скорость реакции от концентрации тиосульфата. Концентрацию удобно выразить в произвольных единицах: 1, 2, 3 и 4. Отложите их на оси абсцисс. Но как подсчитать скорость реакции?

Точно это сделать нельзя хотя бы потому, что момент помутнения мы определяем на глаз, в известной мере субъективно. К тому же помутнение показывает только, что мельчайшие частицы серы, которые выделяются в ходе реакции, достигли такого размера, что их можно заметить. И все же, за неимением лучшего, примем начало помутнения за окончание реакции (что, кстати, не очень далеко от истины). Сделаем еще одно допущение: скорость реакции обратно пропорциональна ее продолжительности. Если реакция шла 10 секунд, то будем считать, что скорость равна 0,1. Отложите скорости на оси ординат.

Четыре опыта дали четыре точки, пятая — начало координат. Все пять точек расположатся примерно на одной прямой. Ее уравнение записывается так:

v == k [Na₂S₂O₃]

где v— это скорость реакции, квадратные скобки — принятое в химической кинетике обозначение концентрации, а k— константа скорости, которую легко найти из графика.

Но скорость реакции должна зависеть и от концентрации серной кислоты. Оставляя количество тиосульфата неизменным и разбавляя серную кислоту, проверьте, как изменяется скорость реакции. Как ни странно, она не меняется!

Такие случаи не редкость. В нашем опыте идет сложная реакция, и ее продукт — сера выделяется не сразу при непосредственных столкновениях молекул тиосульфата и кислоты. И вообще реакций, где продукты получаются сразу, не так уж много.

В сложных последовательных реакцияхкакая-то стадия протекает медленнее остальных. В нашем случае — последняя, в которой и образуется сера. Именно ее скорость мы, по сути дела, и измеряли.

ИСКУССТВЕННОЕ ВОЛОКНО

В последние десятилетия химические волокна буквально завоевали мир. И хотя по-прежнему сеют хлопок и лен, разводят овец и коз, — даже к традиционным натуральным волокнам добавляют искусственные и синтетические для придания прочности, нарядности, несминаемости и других полезных свойств. Наконец, для экономии натуральных волокон…

Приготовить самостоятельно самые распространенные ныне химические волокна — полиамидные (типа капрона) и полиэфирные (типа лавсана) будет, пожалуй, сложновато. Остановим свой выбор на медно-аммиачном волокне. Это одно из самых первых искусственных волокон, сырьем для него служит целлюлоза, например, из опилок и других отходов лесной промышленности. Медноаммиачное волокно применяют и сейчас — в ковроткачестве, на трикотажных фабриках, но гораздо реже, чем раньше, потому что появились более прочные и дешевые волокна. Однако для самостоятельного эксперимента удобнее объекта, пожалуй, не найти.

Искусственные волокна формуют из вязких прядильных растворов, продавливая их сквозь узкие отверстия — фильеры. При этом растворенная клетчатка выделяется в виде нитей. В нашем случае основу раствора составляет соединение меди с аммиаком, имеющее общую формулу [Сu(NН₃)_n)(ОН)₂. Чтобы приготовить такой раствор, прежде всего запаситесь основным карбонатом меди Сu(ОН)₂CO₃. Если нет готовой соли, приготовьте ее простейшим способом — слейте водные растворы медного купороса и кальцинированной (стиральной) соды, профильтруйте осадок и высушите его.

В склянку с узким горлышком налейте 20 мл 25 %-ного раствора аммиака (лучше делать это под тягой или на свежем воздухе) и добавьте 2 г основного карбоната меди. Закрыв склянку резиновой пробкой, взболтайте смесь, чтобы получилась темно-синяя однородная жидкость. Это медноаммиачный раствор. У него есть очень важное свойство: он способен растворять целлюлозу (клетчатку).

К двум небольшим склянкам подберите резиновые пробки и разлейте в эти склянки темно-синий раствор. В одну бросайте маленькими кусочками аптечную хлопчатобумажную вату; бросив очередную порцию ваты, закройте склянку пробкой и взболтайте содержимое. Во второй склянке точно так же, маленькими кусочками, растворите белую промокательную или фильтровальную бумагу. И в том и в другом случае должны получиться вязкие растворы, по густоте напоминающие сироп. Из них можно выделить клетчатку, составляющую основу волокна. Чтобы удостовериться в этом, налейте в стакан разбавленный уксус и по каплям прибавляйте любой из прядильных растворов. Хлопья клетчатки выпадут в осадок.

Однако из хлопьев пряжу не приготовить. Как же получить из раствора нить? Так же, как на заводе — продавливая раствор через узкое отверстие, причем в раствор серной кислоты — в нем фиксируется форма нити.

Чтобы посмотреть, как это происходит, поставьте такой опыт: в стакан с 10 %-ным раствором серной кислоты капайте из пипетки медноаммиачный раствор ваты или промокательной бумаги. Часть раствора будет опускаться на дно, оставляя за собой блестящую нить. Попробуйте ухватить эту нить пинцетом и осторожно вытянуть ее из стакана. Это и есть настоящее медноаммиачное волокно. Правда, нить получилась не очень ровной. Но это поправимо. Только ставить опыт надо вдвоем: один будет формовать нить, а другой извлекать ее из раствора.

Иглу от медицинского шприца вставьте по возможности плотнее в резиновую трубку с толстыми стенками. В трубку налейте прядильный раствор, закройте ее пробкой и погрузите иглу в ванночку или кювету с раствором серной кислоты. Ваш товарищ должен стоять с пинцетом наготове: вы будете сжимать постепенно трубку, а он подхватит пинцетом образовавшуюся нить и протянет ее через раствор, налитый в ванночку.

Такой опыт после небольшой тренировки обычно удается хорошо. Для удобства попробуйте наматывать полученную нить на катушку. Вместо резиновой трубки можно взять большой шприц или старый велосипедный насос.

И вискозное, и ацетатное волокно получают примерно так же, только берут другие растворители для клетчатки. Во всех случаях ее молекулы располагаются таким образом, что образуется ориентированная нить.

Из нити, вами полученной, не соткать, наверное, и платочка. Но мы к этому и не стремились. Этот раздел книги называется, как вы помните, «Своими глазами», а вы и впрямь увидели собственными глазами, как из невзрачной бумаги, растворенной в темно-синей жидкости, получилась красивая шелковая нить.

ХИМИЧЕСКИЙ СТОРОЖ

Вот и последний опыт в нашей книге. Он, наверное, несколько сложнее предыдущих, потому что для него придется самостоятельно изготовить небольшой прибор. Мы назвали его химическим сторожем, а более строгое его название — хемотронный датчик. Хемотроника — новая отрасль науки, она возникла на стыке электроники и химии. В отличие от электроники она изучает процессы в жидкости, где передвигаются ионы. Так как ионы намного тяжелее электронов, то хемотронные процессы идут медленнее. Но далеко не всегда быстродействие — самое главное. Хемотронные устройства очень надежны, им уже сейчас находят много применений.

Разумеется, настоящие хемотронные приборы сложны. И все же вы можете сделать модель одного такого устройства — датчика. Прежде всего, любопытно посмотреть, как работают хемотроны. А вдобавок этот датчик наверняка сослужит вам добрую службу.

Сначала изготовьте цилиндрический корпус. Лучше всего было бы выточить его из оргстекла на токарном станке, но это не обязательно; корпус можно и склеить из отдельных пластинок оргстекла, в этом случае он будет прямоугольным. Примерный диаметр круглого корпуса—40 мм, а высота около 20 мм. С торцов цилиндра надо выточить две полости глубиной около 5 мм и диаметром 30 мм, так чтобы между ними осталась толстостенная перемычка. Непосредственно под перемычкой просверлите горизонтально отверстие диаметром 2–3 мм для заливки электролита и подберите к этому отверстию плотную пробку. Затем с противоположной стороны корпуса просверлите одно под другим еще три отверстия для электродов диаметром чуть больше миллиметра. Центральный электрод должен находиться в перемычке, верхний и нижний — в соответствующих полостях.

В качестве электродов возьмите толстые грифели для цанговых карандашей. Те места, где грифели выходят из корпуса, надо загерметизировать каким-либо клеем. Когда клей высохнет, в перемычке просверлите вертикально очень тонкое сквозное отверстие диаметром не более 0,5 мм. Выбирая для него место, имейте в виду, что это отверстие обязательно должно пройти через средний грифель-электрод.

Прибор уже почти готов. Осталось лишь приклеить к нему сверху и снизу по тонкой мембране из того æe оргстекла, только небольшой толщины (0,3–0,5 мм). Пока приклейте только нижнюю мембрану.

Теперь об электролите. В половине стакана воды растворите 20–30 г иодида калия, а затем, слегка подогрев раствор, добавьте около 1 г йода. Через боковое, более широкое отверстие залейте этот электролит внутрь датчика, в нижнюю полость, следя за тем, чтобы не осталось воздушных пузырьков. Легче всего провести эту операцию медицинским шприцем. Когда заполнится и верхняя полость, приклейте вторую мембрану и окончательно загерметизируйте корпус, для чего вставьте во впускное отверстие заранее приготовленную пробку и тщательно залейте ее клеем.

Хемотронный датчик будет работать от батарейки для карманного фонарика. Верхний и нижний электроды, находящиеся в полости, соедините с положительным полюсом батарейки, средний — с отрицательным. В цепь желательно включить реостат, а также вольтметр и микроамперметр, которые, как вы уже знаете, можно заменить тестером.

С помощью реостата (или сопротивлений) установите напряжение примерно 0,8–0,9 В. Микроамперметр, включенный в цепь центрального электрода, покажет ток 200–300 мкА. Оставьте цепь замкнутой часов на десять-пятнадцать. Ток постепенно понизится до 10–20 мкА, что и требуется. Теперь датчик готов к работе.

Проверить, как он действует, проще всего так: подуйте на одну из мембран или коснитесь ее острием иголки. В то же мгновение стрелка микроамперметра резко отклонится вправо. Для глаза движение мембраны незаметно, но датчик на него сразу отреагировал.

Поясним, почему так происходит. Сила тока зависит от того, сколько иода находится возле отрицательного электрода — катода. Под действием постоянного тока под на катоде восстанавливается, принимая электроны, а на аноде он вновь образуется из ионов. Поэтому иод как бы постепенно перекачивается от катода к аноду. После зарядки датчика ток понемногу падает, потому что у отрицательного электрода остается все меньше иода. Но как только вы чуть-чуть, даже слабым прикосновением, сдвинули мембрану, к катоду поступает дополнительная, пусть и очень небольшая, порция молекул иода; датчик мгновенно на это реагирует: ток возрастает.

Такие хемотронные приборы на редкость чувствительны; тщательно изготовленные, они могут иногда отреагировать буквально на считанные молекулы. Их чувствительность используют на практике — когда сигнал слаб и другими способами его трудно зарегистрировать. Подобные хемотронные устройства применяют, например, в медицинских исследованиях, в технике — для подсчета мелких деталей, движущихся на конвейере.

А нельзя ли как-нибудь использовать такой датчик дома или в школе? Конечно, можно. Почему бы не превратить его в прибор, который будет предупреждать вас о приходе гостя? Для этого датчик достаточно поставить в дверях квартиры, и он откликнется, как только гость дотронется до двери.

Но, понятно, один такой датчик, сам по себе, для этой цели не слишком удобен: надо все время смотреть на микроамперметр и ждать, пока отклонится его стрелка. Однако к датчику можно приспособить систему сигнализации — звонок или электрическую лампу. Как это сделать — придумайте сами или посоветуйтесь с учителем физики.

Между прочим, такой хемотронный «сторож» удается использовать для охраны важных объектов, например банков. Конечно, в этом случае датчик отнюдь не гостеприимен — он предупреждает об опасности.

Вот и все. Последняя страница дочитана, последний опыт поставлен.

Но, собственно, почему последний? Мы вовсе не рассчитывали дать вам исчерпывающее руководстве по доступным химическим экспериментам, и очень многое осталось за пределами этой книги. Существует так много химических опытов, что вряд ли их можно собрать в одной книге, даже гораздо большей, чем эта. И вы, несомненно, сумеете найти описания этих опытов в журналах, в популярных книгах, в учебниках, в пособиях по лабораторным работам. Конечно, если вам понравилось ставить химические экспернменты, на что мы от души надеемся.

А еще вы можете придумывать опыты самостоятельно. В начале книги мы вас от этого отговаривали, но тогда у вас не было навыков и практики; теперь же вы освоили многие технические приемы и познакомились с безопасными способами работы. Все предупреждения — о бесцельном сливании реактивов, о чрезмерно больших количествах реагирующих веществ и о прочих ошибках начинающих химиков — остаются в силе. И самое главное: надо четко представлять себе, как идет реакция, что и при каких условиях получается в результате. Для этого прежде всего надо познакомиться с теорией. По школьному ли учебнику, по более серьезному руководству, по журнальной статье. А еще лучше посоветоваться со знающим человеком — с учителем химии, с руководителем химического кружка, И только потом аккуратно и не торопясь ставить опыт.

Будем считать, что вся эта книга — не сборник наставлений для начинающих химиков, а предисловие к будущей самостоятельной работе. И если эти опыты хоть в какой-то мере помогут вам утвердиться в решении посвятить себя химии, то, значит, все, кто готовил эту книгу, старались не зря,