Анализ в эмалированной кружке

Если вещество окрашено, химики для его анализа часто используют оптические свойства раствора: чем выше концентрация растворенного вещества, тем сильнее раствор этого вещества поглощает свет. Так, стакан со слабо заваренным чаем, оставаясь прозрачным, будет слабо поглощать свет, а стакан с крепким чаем, делаясь непрозрачным, будет очень сильно поглощать свет. Эту простую зависимость степени поглощения света от концентрации растворенного вещества можно выразить формулой

D = εсl,

где D — оптическое поглощение (оно измеряется специальным прибором — фотометром);

ε — (читается «эпсилон») коэффициент поглощения (для каждого вещества он свой);

l — длина пути (в сантиметрах), которую прошел свет в растворе;

с — концентрация вещества (в молях на I литр раствора).

Фотометр — прибор сложный, он есть только в лабораториях. Но, оказывается, для приблизительной оценки концентрации вещества иногда можно обойтись и без фотометра, проводя измерения, как говорится, «на глазок». Неужели это возможно?

Вот какая история произошла с моими знакомыми в турпоходе. Путешественники остановились на привал в лесу, у самой реки. Пора было готовить еду, но речная вода не внушала доверия — она явно пахла чем-то «керосиновым». К счастью, неподалеку оказался родник. Однако и с ним не все было в порядке: камни вокруг были какие-то ржавые, да и сама вода пахла «железом», как будто она долго текла по старой водопроводной трубе. Впрочем, многие слышали, что железо полезно для организма и есть особо богатые им минеральные воды (недаром известный курорт, расположенный недалеко от Пятигорска, называется Железноводском). Однако один из туристов — врач по профессии — заявил, что в минеральных водах железа обычно немного, редко больше 10 мг в литре. Если железа в воде намного больше, то она, безусловно, вредна и лучше не рисковать. Поскольку простого способа «убрать» из воды железо не существует, врач предложил вскипятить речную воду, заодно обработав ее марганцовкой — на случай, если в воде есть еще и микробы. Однако энтузиазма это предложение не вызвало. Вот если бы поточнее узнать, сколько железа в родниковой воде… Но как это сделать?

И тогда другой турист, который был химиком, вспомнил об анализе соединений железа, который ему часто приходилось выполнять в лаборатории. Там он добавлял к анализируемому раствору специальные реагенты, которые при взаимодействии с железом давали яркую окраску, а потом с помощью фотометра измерял поглощение света этим раствором в стеклянной кювете. Но ведь здесь не было ни химических реагентов, ни прозрачных кювет, ни фотометра. Зато были дубы! И химик рассказал товарищам, что он собирается сделать.

На нижней стороне дубовых листьев, обычно к концу лета, часто появляются красивые круглые орешки-галлы. Иногда их бывает так много, что листья буквально провисают под их тяжестью. Сначала галлы зеленые, потом они краснеют и выглядят как маленькие яблочки, прилипшие к листу. Самому дубу галлы ни к чему — они образуются на листьях дуба от укуса крохотной мушки — орехотворки. Самка мушки, откладывая яйца, ранит дубовый лист, вызывая образование на нем патологических наростов. Развивающиеся личинки надежно защищены под кожицей этих наростов. Когда орешки-галлы созревают, из них выводятся маленькие крылатые насекомые с четырьмя прозрачными крылышками. Галлы интересны тем, что содержат много танина — смеси дубильных веществ (танин содержится и в дубовой коре, но там его в 2–3 раза меньше).

Еще в древности орешки-галлы применяли в медицинской практике, да и сейчас раствор танина используют как прекрасное средство от ожогов: на «задубленной» им обожженной коже не образуются пузыри. Применяли галлы и для выделки кож, называя их «дубильными орешками». Но самое известное их применение было связано с изготовлением чернил; отсюда другое название галлов — «чернильные орешки». Для получения чернил к соку из галлов добавляли железный купорос или другие соли железа. На воздухе полученный раствор приобретал глубокий фиолетово-черный цвет. Реакция эта очень чувствительная: окрашивание происходит даже с очень малым количеством железа. Еще в XVII веке Роберт Бойль установил, что «одна крупинка купороса, растворенная в таком количестве воды, которое в шесть тысяч раз превышает ее вес, способна дать с дубильным орешком пурпурную настойку». Добавление к чернилам камеди — густого сока некоторых деревьев, например, вишни — придавало чернилам красивый блеск. Вот один из старинных рецептов приготовления черных чернил: камеди — 3 части, железного купороса — 2 части, чернильных орешков — 3 части, воды — 30 частей. Чернила эти очень устойчивы: сохранились, например, написанные ими средневековые рукописи.

Химик снял с листьев несколько орешков и выжал из них сок в кружку, наполненную родниковой водой. Каково же было удивление окружающих, когда вода сразу стали фиолетово-черной! Значит, в воде действительно много железа. Опыт произвел впечатление, но о том, что в воде есть железо, туристы догадывались и раньше. А вот как определить без приборов его концентрацию? Химик знал, что для окрашенных соединений, которые танин образует с солями железа, коэффициент е в приведенной выше формуле равен примерно 4000. Знал он также, что глаз человека способен увидеть окраску раствора в том случае, если его оптическое поглощение D не меньше примерно 0,1. Поскольку анализ был приблизительным, большей точности не требовалось.

Сначала с помощью тех же галлов химик проверил, что в речной воде, как и следовало ожидать, железа нет. После этого он начал разбавлять «чернильный» раствор речной водой. Сначала раствор был разбавлен вдвое, потом еще вдвое, но он оставался почти таким же темным — его оптическое поглощение было все еще слишком велико. Но затем содержимое кружки стало быстро светлеть, вот уже отчетливо стал и видны царапинки на се белом эмалированном дне и, наконец, после шестого разбавления раствор приобрел едва заметный лиловый оттенок.

Опыт был закончен. Оставалось провести некоторые простые расчеты. Когда окраска в кружке едва заметна, оптическое поглощение раствора примерно равно 0,1. Высота жидкости в кружке — около 10 см, но так как свет проходит слой жидкости дважды — сначала вниз, а потом, отразившись от дна, — вверх, то дайна его пути составляет 20 см. Теперь, подставляя числа в формулу:

с = D/εl,

можно рассчитать концентрацию (в моль/л):

с = 0,1/(4000 x 20)= 1,25 x 10^-6.

Поскольку раствор был разбавлен вдвое последовательно 6 раз, исходная концентрация железа была в 64 раза больше (2= 64), т. е. железа было 8 х 10⁵ моль/л. Один моль железа — это 56 г, следовательно, в литре родниковой воды было 56 г/моль х 8 х 10^-5 моль/л = 4,5 x 10^-3 моль/л, или, после округления (анализ-то неточный), примерно 5 мг железа. Это, конечно, немало, однако, как заметил врач, в минеральной воде железа бывает и больше, поэтому пара стаканов такой воды никакого вреда человеку не принесет.

Химик выполнил свою задачу, обеспечив туристов водой. Врач же рассказал им еще много интересного о железе и его роли в жизни человека. Но это уже совсем другая история…

Дата добавления: 2015-08-21