Не все то перманганат, что фиолетовое

Иллюстрация: Н. Кращин

Преподаватель химии из Палмерстон-Норта (Новая Зеландия), Тревор Китсон, любит озадачивать своих учеников таким трюком. Сначала он рассказывает им, что растворимость различных веществ зависит от полярности растворителя. Вода — сильнополярный растворитель, поэтому в ней хорошо растворяются многие ионные соединения (например, гидроксид калия, поваренная соль), а также полярные органические соединения (сахар, лимонная кислота). А неполярные молекулы серы, белого фосфора, парафина в воде не растворяются. Эти факты демонстрируют эмпирическое правило, известное еще алхимикам: «Подобное растворяется в подобном». Так, сера и фосфор растворяются в неполярном сероуглероде.

Полярность определяет и возможность взаимного смешения двух жидкостей. Так, вода не смешивается с неполярным гексаном. Гексан — очень легкая жидкость (плотность 0,65 г/см³), поэтому его слой находится наверху. Но поскольку обе жидкости бесцветны, Китсон сообщает учащимся, что четкая граница между двумя фазами хорошо видна, если подкрасить слегка подкисленную воду марганцовкой (подкисление нужно, чтобы раствор перманганата не окрашивался в коричневый цвет из-за медленного разложения:

4KMnO₄ + 2H₂O → 4MnO₂ + 3O₂ + 4KOH).

Далее преподаватель достает из картонной коробки две колбы — с водой и с раствором перманганата, отливает из каждой небольшое количество в цилиндр и показывает, что нижний водный слой, окрашенный в знакомый всем красно-фиолетовый цвет, отделен от бесцветного верхнего слоя четкой границей. Убрав колбы в коробку, он через некоторое время повторяет опыт, взяв второй цилиндр. Однако на этот раз красно-фиолетовый раствор оказывается наверху!

Китсон хватается за голову: «Да что же это такое! Почему мне так не везет? Вечно эти химикаты надо мной издеваются!» И лишь самые догадливые ученики понимают, что преподаватель их разыгрывает. Но в чем тут дело, они, конечно, объяснить не могут, хотя и пытаются. Тогда Китсон добавляет в первый цилиндр воду из-под крана, а во вторую — гексан из склянки с надписью. Результат тоже удивительный: в первом цилиндре увеличивается в объеме нижний бесцветный слой, а во втором — верхний окрашенный! Становится очевидным, что красно-фиолетовый раствор во втором цилиндре — вовсе не водный раствор перманганата. Но ведь перманганат — полярная соль, как же он может раствориться в гексане? А это вовсе и не перманганат, сообщает преподаватель, а иод. Молекулы иода неполярные, поэтому иод в гексане растворяется хорошо.

Ученики тут же спрашивают, как же они могли перепутать растворы иода и перманганата? Ведь все знают коричневый раствор иодной настойки. Однако такая настойка содержит, помимо иода, водно-спиртовый раствор иодида калия. Цвет такой смеси определяется двумя факторами. Во-первых, молекулы иода образуют с иодидионами трииодид-ионы I₃^–. Во-вторых, иод со спиртом образует молекулярные комплексы (их называют также комплексами с переносом заряда), цвет которых отличается от «чистого» цвета иода в парах. Для демонстрации этого факта достаточно растворить несколько кристалликов иода в спирте, эфире или бензоле. В результате взаимодействия молекул иода с растворителем цвет раствора становится коричневым. А вот раствор иода в четыреххлористом углероде — фиолетовый.

Интересно, что реакционная способность иода в коричневых и фиолетовых растворах неодинакова: в коричневых растворах иод намного активнее. Например, в присутствии тонкого порошка свежевосстановленной меди 1%-ный коричневый раствор иода обесцвечивается за одну или две минуты, а фиолетовый — за 15–20 минут в результате реакции Cu + I₂ → CuI (иодид меди (I) бесцветный). Каломель обесцвечивает коричневый раствор за несколько секунд, а фиолетовый — только за две минуты:

Hg₂Cl₂ + I₂ → HgI₂ + HgCl₂.

С неполярным гексаном молекулы иода комплексов не образуют, так что цвет раствора получается такой же, как и у паров иода, — красно-фиолетовый, имитирующий цвет водного раствора перманганата калия. Спектры поглощения двух растворов похожи: оба поглощают свет с длиной волны от 400 до 600 нм, причем максимум в обоих случаях тоже совпадает (около 520 нм). Поэтому если удачно подобрать концентрацию двух растворов, то на глаз их невозможно различить! Зато отличить один раствор от другого очень легко с помощью прибора, регистрирующего спектры поглощения, — спектрофотометра: полоса иода «гладкая», тогда как на полосе перманганата хорошо видны отдельные зубцы.

В заключение Китсон доводит до сведения самых толковых учащихся, что перманганат калия все же можно растворить в гексане. Но для этого необходимо использовать особый реагент — краун-эфир. В его присутствии в воде растворяется даже сульфат бария. Подробнее о краун-эфирах можно прочитать в статье «Удивительные макроциклы» («Химия и жизнь» 1980 №2).