Занимательная химия для детей и взрослых

Если кристаллы йода оставить в запаянной ампуле на длительный срок, можно наблюдать интересное явление: постепенно мелкие кристаллики будут исчезать, а более крупные – расти. Теоретически в ампуле должен остаться один большой хорошо оформленный кристалл, только это может занять слишком много времени. Процесс, однако, можно значительно ускорить, если предварительно откачать из ампулы воздух. Явление это объясняется стремлением вещества максимально уменьшить свою поверхность – именно поэтому, как вода в отсутствие тяготения принимает форму шара, поверхность которого при данном объеме минимальна. Механизм «поедания» маленьких кристалликов большими такой. Чем меньше кристалл, тем больше над ним давление паров. Испарившиеся с него молекулы в ограниченном объеме будут оседать на больших кристаллах. В воздухе этот процесс идет очень медленно, так как молекулам йода требуется много времени, чтобы путем диффузии через воздух добраться до нужного места. В вакууме молекулы воздуха не мешают молекулам йода передвигаться от кристалла к кристаллу, поэтому процесс сильно ускоряется, особенно если ампулу положить в теплое место.

Диффузия в воздухе приводит к тому, что при нагревании закрытого сосуда с кристаллами йода оторвавшиеся от поверхности кристаллов молекулы I₂ довольно долго «путешествуют» в воздухе, пока не достигнут стенки. Именно поэтому мы видим эти пары. причем чем выше температура, тем интенсивнее окраска, так как давление пара над кристаллами быстро увеличивается с температурой. Эту зависимость довольно давно и с высокой точностью измерили. Некоторые результаты таких измерений приведены в таблице.

Эти данные позволяют вычислить, при какой температуре пары йода станут видны. Конечно, это зависит от размера сосуда: то, что глаз не заметит в пробирке, он легко увидит в большой колбе (очень сильно разбавленный раствор окрашенного вещества в тонком слое тоже можно не увидеть, но окраску легко заметить, если налить раствор в высокий цилиндр и посмотреть на него сверху). Зависимость оптического поглощения среды А от толщины слоя l и от концентрации вещества с определяется уравнением Ламберта – Бера: A = εcl, где ε – коэффициент пропорциональности (он называется молярным коэффициентом по глощения данного вещества при данной длине волны). Оптическое поглощение А (величина безразмерная) определяется тем, сколько света пропускает слой жидкости или газа: чем больше света задерживается, тем больше величина А, причем зависимость не прямая, а логарифмическая. Так, при А = 1 через слой вещества проходит 10 % света (и 90 % поглощается); при А = 2 проходит 1 %; при А = 3 – только 0,1 % и т. д.

Как показывает опыт, глаз человека может увидеть окраску многих веществ, если А ≥ 0,1. Попробуем оценить оптическое поглощение паров йода при толщине слоя 1 см (пробирка). Сильнее всего йодные пары поглощают в зеленой области спектра (520–530 нм), где ε ≈ 700 л/(моль · см). При 20 °С давление паров йода р = = 0,2 мм рт. ст., а концентрация c = 1,1 · 10^–5 моль/л; для перевода давления в концентрацию использовано уравнение идеальных газов, которое дает c = p/RT, откуда с (моль/л) = 0,016p (мм)/T. В результате получаем для оптического поглощения А = 700 · 1,1 · 10^–5 = = 0,0077. При таком малом оптическом поглощении свет почти не задерживается парами, и мы их не видим (чуть заметная окраска будет при толщине слоя около 15 см).

Нагреем теперь пробирку с кристаллами йода так, чтобы давление паров выросло до 5 мм рт. ст., т. е. немного выше 60 °С. При этой температуре c = 0,016 · 5/335,5 = 2,38 · 10^–4 моль/л, A = 700 · 2,28 · 10^–4 = 0,17. Значит, в горячем сосуде пары йода будут хорошо видны, особенно при увеличении толщины слоя (например, в большой колбе). При охлаждении эти пары начнут оседать на стенках в виде небольших кристалликов, хорошо видных на фотографии (их размер будет зависеть от скорости охлаждения). Эксперимент подтверждает проведенные приблизительные оценки. Когда кристаллы йода в запаянной ампуле диаметром 2 см медленно нагревали в воде, время от времени наблюдая за ее цветом, чуть заметная глазом на белом фоне окраска паров йода появилась при 40 °С. При этой температуре давление паров йода р = 1,03 мм, концентрация с = 4,3 · 10^–5 моль/л и А = 700 · 5,26 · 10^–5 · 2 = 0,074, что близко к приблизительному значению А = 0,1.

Колба с йодом, нагретая солнцем