Переохлажденные растворы

Вы уже знаете, что в США температуру принято измерять в градусах Фаренгейта. В поисках постоянных точек для придуманной им температурной шкалы Фаренгейт наблюдал замерзание и плавление различных веществ. Однажды, проводя опыты с чистой водой, Фаренгейт обнаружил удивительное явление: вода в закрытой посуде не замерзла в течение ночи на сильном морозе! Но стоило ему открыть банку, как вода начала стремительно замерзать: возникло множество игольчатых, быстро растущих кристаллов льда. Кристаллизация происходила также и при резком встряхивании банки. Повторив опыты с водой и различными растворами, Фаренгейт убедился, что это не такое уж редкое явление. Оно было названо переохлаждением.

В начале XIX века петербургский академик Иоганн Тобиас (в России его имя переиначили на Товий Егорович) Ловии (1757–1804) наблюдал похожее явление — пересыщение раствора. Оказалось, что в чистом закрытом сосуде горячий насыщенный раствор можно охладить, а кристаллы из него не выпадут. Но если в такой пересыщенный раствор внести маленький кристаллик, в нем начнется массовый рост больших кристаллов. Ловиц так образно описал это явление: «Мне представилось, будто находящиеся в растворе соляные частицы борются за преимущество первой выделиться из воды и что та частица, которой это удалось, подобно полководцу, подает сигнал другим следовать за собой».

Раствор, который содержит в определенном количестве растворителя больше растворенного вещества, чем это «положено» при данной температуре, называется пересыщенным раствором. Пересыщенный раствор невозможно получить даже очень длительным перемешиванием кристаллов с растворителем, он может образоваться только путем охлаждения горячего насыщенного раствора. Поэтому такие растворы называют также переохлажденными. В них что-то мешает началу кристаллизации, например, раствор слишком вязкий или для роста кристаллов требуются большие зародыши, которых в растворе нет. Но если в переохлажденный раствор внести готовый зародыш, например, маленький кристаллик того же вещества, то начнется бурная кристаллизация. Интересно, что быструю кристаллизацию вызывает кристалл только того вещества, которое подвергается кристаллизации, а к постороннему веществу раствор совершенно безразличен.

Этот красивый опыт мы проведем с тиосульфатом натрия. Насыпьте немного данного вещества в пробирку (примерно до середины) и плотно закройте ее кусочком ваты. Осторожно опустите нижнюю часть пробирки в горячую, но не кипящую воду; при этом уровень горячей воды должен быть выше уровня кристаллов в пробирке. Когда содержимое пробирки нагреется примерно до +56 °C, кристаллы «расплавятся». В действительности это не плавление, а растворение тиосульфата натрия в «собствен ной» кристаллизационной воде. С повышением температуры растворимость тиосульфата натрия, как и большинства других веществ, увеличивается, и при +56 °C его собственной кристаллизационной воды оказывается достаточно, чтобы растворить в ней весь имеющийся тиосульфат. Если кристаллы тиосульфата частично выветрились и имеют белый налет, добавьте к ним перед нагреванием несколько капель воды. Медленно и осторожно, избегая резких толчков, поставьте пробирку в стакан или баночку для охлаждения. Если пробирка была чистая, то при ее охлаждении кристаллы не выпадут.

«Поможем» пересыщенному раствору тиосульфата перейти в нормальное состояние (напомним, что «нормальным» при комнатной температуре состоянием для нашего вещества является твердое). Для этого прикрепите небольшой кристаллик тиосульфата к концу стеклянной палочки с помощью кусочка пластилина. Осторожно откройте пробирку и внесите в нее палочку так, чтобы кристаллик коснулся поверхности раствора. Произойдет настоящее чудо: от кристаллика побежит фронт кристаллизации, который быстро дойдет до дна пробирки (рис. 5.4). Так что уже через несколько секунд жидкость в пробирке полностью «затвердеет». Вы можете перевернуть ее — из пробирки не выльется ни одной капли! Твердый тиосульфат можно снова расплавить в горячей воде и повторить все заново. Понаблюдайте внимательно, как растут кристаллы в пересыщенном растворе — зрелище очень красивое. Попробуйте поставить пробирку с переохлажаенным раствором в ледяную воду, а потом внести затравку: кристаллы будут расти медленнее, но более крупными.

_{Рис. 5.4. Так начинают расти кристаллы тиосульфата в пересыщенном растворе тиосульфата}

Этот опыт вполне можно показывать как фокус с «волшебной палочкой», которая превращает «воду» в «лед». Можно вообще обойтись без палочки, а незаметно бросить кристаллик в пробирку, сопровождая это соответствующими «заклинаниями». А можно сделать и так: прикрепленный к концу палочки кристаллик покрыть очень тонким слоем воска или парафина (предварительно парафин надо расплавить). Если палочка чистая, ее можно внести в раствор — и ничего не произойдет. Но стоит надавить концом палочки на дно, как слой воска нарушится, раствор получит доступ к затравочному кристаллу и начнется быстрая кристаллизация, только на этот раз — со дна пробирки. Конечно, палочку теперь из застывшей массы не вытащить, пока вещество не будет снова расплавлено. Момент надавливания палочкой на дно можно также обставить как фокус, который практически невозможно разгадать: например, зрители хором считают до десяти, и на счет «десять» жидкость начинает твердеть. В общем, тут все зависит от вашей фантазии. Единственное замечание: в ходе повторных опытов вода понемногу испаряется, поэтому время от времени следует добавлять в пробирку несколько капель чистой воды. Если у вас есть немного глицерина, его полезно добавить (1–2 капли) в пробирку: глицерин помогает пересыщенному раствору оставаться в жидком состоянии в течение длительного времени.

Дата добавления: 2015-08-21