Монеты на уроках химии

Монеты, как старые, вышедшие из употребления, так и находящиеся в обращении, могут служить прекрасной иллюстрацией законов химии. Можно провести такой забавный опыт: слегка соскоблить надфилем краешек современного американского цента и положить его в разбавленную соляную или серную кислоту. В течение нескольких дней кислота будет все дальше и дальше проникать в монету, постепенно выедая ее цинковое нутро и не затрагивая оболочку, пока не останется легкий медный чехольчик. Точное взвешивание поможет определить толщину медного по крытия (конечно, для этого нужно измерить его площадь, что не так сложно).

А можно ли поступить наоборот – снять с этих монет тонкий наружный слой меди, оставив нетронутым цинковую начинку? Казалось бы, это невозможно: цинк намного активнее меди, так что любая кислота, растворяющая медь, намного быстрее будет реагировать с цинком. И как только в каком‑то месте монеты обнажится цинк, дальше будет растворяться только он. Правда, если взять монету пинцетом, погрузить ее (в вытяжном шкафу!) в концентрированную азотную кислоту и немедленно промыть водой, немного меди растворится: Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. Операцию нужно повторить несколько раз, пока не пока жется цинк, после чего хорошо промыть монету водой и слегка отполировать ее (подойдет зубная паста). Найти реагент, избирательно действующий в этих условиях только на медь, непросто. Известно, что одновалентная медь, в отличие от цинка, образует довольно прочные комплексные йодиды, а также нерастворимый йодид. Эксперимент показал, что этим свойством меди можно воспользоваться. Для этого нужно смешать концентрированные растворы йодида калия и сульфата меди (медного купороса). Образующийся в реакции 2KI + CuSO4 = CuI2 + K2SO4 йодид меди(II) неустойчив и тут же распадается: 2CuI2 = 2CuI + I2. Белый йодид меди(I) растворяется в избытке йодида калия: CuI + 2KI = K2CuI3, а свободный йод с йодидом калия образует комплексный трийодид KI3 бурого цвета. Если каплю полученного раствора нанести равномерно на поверхность монеты, она сразу же покроется тонким белым налетом CuI, а бурый раствор обесцветится – это металлическая медь прореагировала с трийодидом калия в растворе. Монету теперь нужно промыть, протереть чистой тряпочкой и повторить весь процесс несколько раз, пока не будет снята с поверхности почти вся медь. Так как цинк тоже частично реагирует с KI3, лучше не доводить процесс до снятия всей меди.

Эти одноцентовые монеты сделаны из цинка и покрыты тонким слоем меди. На левой монете медное покрытие частично удалено химическим способом

Намного проще снять медь или медный сплав со стальных монет. Такие монеты выпускали (и сейчас продолжают выпускать) во многих странах. Покрытие наносят либо путем электролиза, либо плакированием – прокаткой стального листа между двумя тонкими листами из меди или ее сплава. Стальные монеты с латунным покрытием достоинством 1 рубль, 5 и 50 рублей чеканили в нашей стране в начале 1990‑х годов (они сохранились во многих семьях). А в 2006 г. стальными стали и наши современные 10– и 50‑копеечные монеты. С помощью магнита легко убедиться в том, что все эти монеты имеют стальную основу; видна сталь также на боковом ребре монеты – гурте. Это позволяет провести с такими монетами эффектный опыт: снять с них медный сплав, обнажив стальное нутро. Положим монеты на несколько дней в плотно закрывающуюся баночку, зальем их водным раствором аммиака и добавим немного окислителя; лучше всего подходят соли пероксодисерной (надсерной) кислоты – надсульфат калия K2S2O8 или аммония (NH4)2S2O8 (перекись водорода не годится, так как в присутствии соединений меди она подвергается быстрому каталитическому разложению: 2Н2О2 = 2Н2О + О2). Довольно быстро раствор начнет окрашиваться в голубой, а потом – в красивый темно‑синий цвет, что свидетельствует о растворении медного сплава: медь в присутствии окислителя и аммиака образует комплексные аммиакаты [Cu(NH3)4]2+, тогда как на сталь аммиачный раствор не действует. Когда все покрытие растворится, останутся «железные» монеты довольно необычного вида, как это видно на фотографии; на ней рядом с обработанными химически расположены монеты в их первоначальном виде. Если аммиака в растворе недостаточно, а надсульфата, наоборот, – избыток, поверхность монеты покрывается чёрным слоем оксида меди.

Реакция может идти и без надсульфатов, но для этого необходимо присутствие в качестве окислителя кислорода воздуха: 2Cu + 8NH4OH + O2 = 2[Cu(NH3)4](OH)2 + 6H2O. Правда, такая реакция идет медленнее, да и аммиак из открытой посуды постепенно улетучивается. Кстати, эту реакцию иногда используют для очистки газов от примеси кислорода.

На этой фотографии – монеты разных стран в их исходном виде и после химического удаления покрытия из меди или ее сплава

Для этого медные стружки заливают раствором аммиака и пропускают через него газ. Кислород окисляет медь, а оксид меди немедленно растворяется, так что поверхность стружек остается чистой и реагирует с новыми порциями кислорода. Соединение [Cu(NH3)4](OH)2 образуется и при растворении в аммиаке гидроксида меди; темно‑синий раствор называется реактивом Швейцера и используется для растворения целлюлозы и нитроцеллюлозы. Вообще факт растворения меди в водном аммиаке известен очень давно. Реакцию изучали многие химики, среди них и именитые, в их числе Марселен Бертло и его ученик Пеан де Сен Жиль во Франции, Христиан Шёнбейн в Германии и др. Они установили, в частности, что в ходе реакции окисляется не только медь, но и аммиак, на его окисление расходуется треть поглощенного кислорода; при этом аммиак превращается в газообразный азот или соли азотистой и азотной кислот. Реакция ускоряется с повышением температуры, в присутствии солей аммония, и особенно сильно – при контакте меди с более благородными металлами.

Если стальная монета покрыта не чистой медью, а ее сплавом с цинком (латунь), с оловом или с алюминием (бронза), в ходе опыта идут реакции и с этими металлами. Так, цинк образует аммиакат [Zn(NH3)6](OH)2, стабильность которого лишь немногим уступает аналогичному соединению меди. Алюминий переходит в гидроксид, нерастворимый в избытке аммиака; белые хлопья этого соединения хорошо видны при обработке российских монет. Если же в сплаве присутствует олово, оно в условиях реакции окисляется до оксида олова(IV).

Если взвесить с достаточной точностью монеты до и после снятия покрытия, можно определить его толщину. Для этого необходимо знать плотность сплава (например, для латуни – около 8,8 г/см3), а также площадь монеты (ее легко определить с помощью штангенциркуля). Вот какие результаты получились с определением толщины покрытия для разных монет (как видно, многие страны экономят на металле, выпуская стальные монеты, покрытые медью или медным сплавом).

Конечно, площадь поверхности монет и их масса определяется не очень точно (потому что даже новые монеты могут несколько различаться по массе), однако несколько измерений с монетами каждого вида показали, что толщина покрытия может быть определена с точностью до нескольких микрометров. Об этом же свидетельствуют очень близкие результаты, полученные для однотипных монет (1 и 5 рублей, 10 и 50 копеек, 2 и 5 пфеннигов). Вышедшие из употребления или испорченные монеты можно использовать в качестве образцов для качественного (а иногда и количественного) анализа на занятиях химических кружков, на олимпиадах по химии. Именно так поступили на экспериментальном туре Российской химической олимпиады 1996 г., которая проходила в Самаре. Каждому участнику олимпиады, выполнявшему задания для 11‑го класса, была выдана точная навеска кусочка «серебряных» монет (10, 15, 20 копеек), которые были в обращении в СССР с 1961 по 1991 гг. Требовалось определить, какие металлы входят в состав сплава (их два) и установить количественное содержание каждого компонента.

Работа предполагала растворение кусочка монеты в азотной кислоте (концентрация около 30 %) при нагревании (естественно, в вытяжном шкафу). Избыток азотной и азотистой кислот (последняя образуется в ходе реакции 2NO2 + H2O = HNO2 + HNO3) удаляли добавлением 0,2 г мочевины с последующим кипячением до прекращения выделения газов. (Известно, что мочевина в этих условиях полностью окисляется, например: CO(NH2)2 + 2HNO2 = 2N2 + CO2 + 3H2O.) В оставшемся голубом растворе медь легко определить качественно по ее выделению на обезжиренном гвозде. Присутствие никеля доказывают с помощью диметилглиоксима (реактив Чугаева), который дает с ионами Ni2+ розово‑красный осадок; реакцию удобно проводить на полоске фильтровальной бумаги. Для количественного определения меди участники олимпиады использовали реакцию ее ионов с избытком йодида калия. В ходе реакции ионы меди окисляют йодид до йода (при избытке ионов I– образуется трийодид: I2 + I– = I3–), а сами восстанавливаются: 2Cu2+ + 5I– = 2CuI + I3–. Выделившийся йод титровали раствором тиосульфата: I3– + 2S2O32– = S4O62– + 3I–.

На уроках химии монеты нашли и совершенно неожиданное применение. Уже упоминавшийся любознательный Миллер, конечно, обратил внимание на то, что масса новых центов существенно уменьшилась – примерно с 3,1 до 2,5 г. Этот факт навел американских преподавателей химии на мысль ввести в план школьных занятий интересный эксперимент. Практическая неотличимость на вид новых и старых центов делает их уникальным учебным пособием для демонстрации явления изотопии в химии и изотопного анализа. Действительно, старые (медные) и новые (цинковые) центы можно рассматривать как отличающиеся массой изотопные разновидности одного и того же «элемента». В таком случае путем взвешивания кучи нерассортированных монет можно определить содержание в ней каждого «изотопа», если известно общее число монет и масса каждой разновидности.

Наши монетные дворы – Московский и Санкт‑Петербургский тоже, оказывается, чеканят время от времени разные «изотопные разновидности» монет. Причина та же – подорожание металла. Так, в 1992 г. были выпущены медно‑никелевые монеты достоинством 10 и 20 рублей, но уже скоро из‑за инфляции их выпуск стал слишком накладным (металл стал стоить дороже денег), и в 1993 г. эти монеты стали стальными. Причем они настолько похожи на прежние, что отличить их можно разве с помощью магнита.

А с 50‑рублевыми монетами смена металла произошла в течение одного 1993 г. – вместо медного сплава они стали стальными с тонким латунным покрытием. Последние «изотопные» разновидности отчеканили совсем недавно. В 2006 г. 10– и 50‑копеечные монеты, которые с 1997 г. делали из медно‑цинкового сплава, стали чеканить из стали, покрытой томпаком – медно‑алюминиевым сплавом (из томпака чеканили и «медные» советские монеты с 1926 по 1957 гг.).

Посмотрим, как на примере монет можно продемонстрировать принцип изотопного анализа в химии. Для сравнения те же выкладки проведены для двух природных изотопов хлора: 35Cl и 37Cl.

* Эту формулу можно записать и как a(M – b) / M(a – b), если окажется, что b > a

С теорией мы разобрались и теперь понятно, как химики определили из эксперимента долю каждого из изотопов хлора в их смеси. Точно такие же выкладки применимы и к монетам. Различие в массах «изотопных» разновидностей гривенников и полтинников 2006 г. (1,9 и 1,85 г для 10 коп. и 2,9 и 2,75 г для 50 коп.) невелико – всего 2,7 и 5,5 % (у хлора разница составляет 5,4 %, а у американских центов – целых 19,3 %). Тем не менее точное взвешивание нерассортированной кучи монет дает возможность рассчитать, сколько в них монет каждого сорта – по массе, либо по числу монет, если подсчитано общее число монет. Если монеты рассортировать по годам (это легко сделать с помощью магнита), можно проверить правильность проведенных выкладок. С хлором, увы, такой фокус с магнитом не проходит, и для разделения изотопов используются сложные и дорогостоящие методы (правда, некоторые из них могут использовать разное отклонение тяжелых и легких ионов хлора в магнитном поле). А вот еще один очень красивый опыт с американскими центами (впервые его предложили канадские преподаватели химии). На уроках химии учащимся раздают по три одноцентовые монетки и специальный картонный конвертик с отверстиями по диаметру монет, заклеенными с двух сторон целлофаном. Первую монету сразу кладут в конверт – она служит образцом. Две другие монеты кладут в фарфоровую чашечку с концентрированным раствором щелочи и порошком или мелкими гранулами цинка на дне и осторожно нагревают на водяной бане (использование защитных очков на уроках химии в американских школах является абсолютно обязательным!). Довольно скоро медные монеты становятся «серебряными» – они покрываются тонким блестящим слоем цинка. С помощью щипцов монеты осторожно вынимают из чашечки и промывают водой. Одну из них высушивают и кладут в конверт, а вторую, держа за гурт (ребро монеты) щипцами, вносят на несколько секунд в верхнюю часть пламени газовой горелки. Происходит настоящее чудо: «серебряная» монета мгновенно превращается в «золотую»! Не такой ли опыт показывали средневековые шарлатаны, превращавшие на глазах у изумленной публики «серебряные» монеты в «золотые»? (Правда, им проще было амальгамировать золотую монету, то есть покрыть ее тонким слоем ртути, а затем сильно нагреть: при высокой температуре ртуть быстро испаряется.) Полученную «золотую» монету сразу же охлаждают водой, чтобы предотвратить окисление ее поверхности. И третья монета занимает оставшееся место в конверте, который заклеивается и остается у учащегося, чтобы он мог рассказать дома, какие у них в школе замечательные уроки химии.

Почему монета из «серебряной» становится «золотой», объяснить просто: при высокой температуре атомы цинка движутся (диффундируют) внутрь поверхности меди, образуя сплав меди с цинком – латунь, по цвету очень напоминающий золото. Следует только учесть, что цинк при высокой температуре летуч, и если монету перегреть, он начнет испаряться с поверхности, а латунь будет окисляться, так что опыт не получится. А вот объяснить, почему цинк в щелочной среде осаждается на меди, намного сложнее. Даже сотрудник Центральной технической школы в Торонто (Канада) А. Т. Натан, описавший этот эксперимент с центами, не знал ответа. Чтобы объяснить это необычное явление, группа американских химиков из Буффало (штат Нью‑Йорк) провела специальное научное исследование, объяснение которого далеко выходит за рамки школьной программы.

Опыт одинаково хорошо получается с центами, выпущенными как до, так и после 1992 г. С нашими «медяками» (алюминиевая бронза до 1961 г. или медно‑цинковый сплав для монет 1961–1991 гг.) опыт тоже получается, хотя и не так хорошо, в отличие от медных монет царской чеканки или выпусков 1924–1925 гг. Можно, конечно, взять просто кусочки чистой меди, но это не так интересно. С образовавшимся латунным слоем, а также с любыми другими латунными изделиями можно провести и такой опыт: протравить поверхность смесью концентрированной азотной кислоты (30 %) и пероксида водорода (70 %) – под микроскопом будут видны красивые кристаллы. Большие кристаллы цинка часто видны и на оцинкованной жести.

Дата добавления: 2014-11-25