Юный техник, 2015 № 11

ПОЛИГОН Баллада о горячем льде

Пожалуй, самая распространенная форма горячего (или сухого) льда — дымящиеся кубики, которые можно увидеть в контейнерах, где хранят мороженое. На самом деле это вовсе не лед, а твердая форма углекислого газа (С0₂), который не имеет запаха, вкуса и цвета, не проводит электричество и не воспламеняется. Температура его поверхности равна минус 78,5 °C, поэтому не стоит лепить из него снежки! Более того, сухой лед легко может обжечь кожу ваших рук, словно раскаленная сковорода. Помните это, пожалуйста.

А своих знакомых вы можете удивить, сообщив им, что получают сухой лед в результате такой реакции:

Н₂О + СО₂ = Н₂СО₃

Так что на самом деле сухой лед является ангидридом угольной кислоты.

В школьном кабинете химии под руководством учителя вы можете проделать несколько занимательных опытов с сухим льдом. Но здесь мы их описывать не будем, поскольку в домашних условиях вы не найдете исходных реактивов. А к сказанному лишь добавим, что сухой лед используют не только для сохранности замороженного мяса и иных продуктов, но еще и в промышленности, а также в шоу-бизнесе. Тот туман, что распространяется по сцене во время выступления некоторых артистов, получают при помощи сухого льда и так называемых генераторов «тяжелого тумана».

А теперь давайте поговорим о том, можно ли получить горячий лед не из углекислого газа, а из воды. Оказывается, можно. Это доказал около 40 лет назад английский физик Б. Бриджмен. В своих экспериментах он показал, что под очень большим давлением вода переходит в твердое состояние и остается в виде льда при температуре значительно выше нуля.

Более того, Бриджмен выяснил, что может существовать не один сорт льда, а несколько. Так, например, тот лед, который он назвал льдом № 5, получается под чудовищным давлением в 20 600 атмосфер и остается твердым при температуре плюс 76 °C. Так что он действительно горячий. Кроме того, он плотнее обыкновенного, плотнее даже воды: его удельный вес 1,05. А значит, он должен был бы тонуть в воде, между тем как обыкновенный лед в ней плавает.

Получал свои разновидности горячего льда Бриджмен следующим образом. Он брал прочный металлический цилиндр, наливал в него воду и при помощи пресса сдавливал жидкость. Хотя вода вроде бы считается несжимаемой, но при больших давлениях она все-таки поддается. А при понижении окружающей температуры превращается в лед с довольно интересными свойствами.

Так, например, если поднять давление до 3 000 атмосфер и охладить цилиндр до минус 80 °C, то образуется лед № 2, который плотнее обыкновенного льда на 22 %. Если высыпать этот лед из цилиндра на лабораторный стол, то наблюдается интересное явление: лед № 2, увеличиваясь в объеме, станет вспучиваться и рассыпаться в порошок обыкновенного льда.

При давлениях немногим выше 20 000 атмосфер вода превращается в лед № 4, который на 9,5 % плотнее воды. Чтобы расплавить такой лед, надо нагреть его до плюс 80 °C. Это уже, так сказать, самый настоящий горячий лед.

Однако в нашем распоряжении нет пресса, способного создавать сумасшедшие давления. А вот горячий лед, точнее нечто на него похожее, мы с вами получить все-таки можем. Причем даже двумя способами.

Способ первый заключается в следующем. Для опыта вам понадобится немного тригидрата ацетата натрия. Его иногда можно купить в хозяйственных магазинах или магазинах химпринадлежностей. Еще один способ — попробуйте заказать его через Интернет.

Далее действуем так. Возьмите стакан ацетата натрия и высыпьте его в кастрюлю с горячей, почти кипящей водой. Некоторое количество порошка оставьте про запас, чтобы после использовать его в качестве затравки при конденсации.

Воды в кастрюле должно быть немного, чтобы получить перенасыщенный раствор. Чем гуще он будет, тем быстрее кристаллизуется.

Кристаллы ацетата натрия, помешивая раствор стеклянной или иной палочкой, добавляют до тех пор, пока порошок перестанет растворяться и раствор станет насыщенным.

Аккуратно перелейте насыщенный раствор в другую посуду, стараясь, чтобы туда не попал осадок от нерастворившегося порошка. Поместите посудину с раствором в морозилку на 30–60 минут. Вынув из морозилки охладившийся раствор, прикоснитесь к нему зубочисткой или палочкой с небольшим количеством ацетата натрия на ней. Он затвердеет и начнет испускать тепло. Это происходит потому, что при образовании кристаллов идет экзотермическая реакция. Именно поэтому ацетат натрия используется в химических грелках.

Если вам не удалось найти готовый ацетат натрия, то можно приготовить его в домашних условиях. Для этого насыпьте в кастрюлю 6 столовых ложек пищевой соды (только не используйте порошок для выпечки).

Затем добавьте 2 л столового уксуса, пока смесь не перестанет шипеть. Делайте это постепенно, аккуратно, помешивая раствор. Когда смесь перестает шипеть, это значит, что реакция завершилась и у вас образовался разбавленный раствор ацетата натрия. Он должен быть прозрачным.

Далее надо кипятить раствор до тех пор, пока не испарится примерно 90 % воды. У вас останется концентрированный раствор ацетата и атрия. Он может быть немного желтоватого или коричневатого цвета.

После того как раствор остынет, на внутренних стенках кастрюли образуются кристаллы ацетата натрия.

Не смешивайте их с раствором, они вам пригодятся чуть позже. Возьмите ложку и соберите их.

Не дайте на вашем растворе затвердеть пленке. Для этого вылейте готовый раствор в небольшую посудину, желательно стеклянную, и добавьте в него еще 1–2 столовые ложки уксуса.

Благодаря уксусу ваш раствор останется в жидком состоянии.

Посудину с раствором поместите опять в морозилку.

Когда примерно через час раствор остынет, он станет переохлажденным. Теперь вы готовы к приготовлению горячего льда.

Добавьте в раствор немного кристаллизованного ацетата натрия. Для этого воспользуйтесь кристаллами, которые вы соскребли с внутренних стенок кастрюли после кипячения раствора. Добавьте щепотку-другую. Если ничего не произошло, добавьте больше ацетата натрия, пока не пойдет реакция кристаллизации и не образуется твердое вещество.

Таким образом, и вы теперь можете считать себя немного волшебником, который умеет делать горячий лед.