Химические опыты можно ставить с разными целями: чтобы удовлетворить любопытство, приятно и разумно занять досуг, проверить на практике то, что известно по книгам. А еще в результате химических превращений можно получить полезные — для вас, для дома, для школы — вещества или смеси веществ. Причем вы приготовите их своими руками! Это могут быть самодельные краски, или красивый (сугубо химический) новогодний подарок, или значок, которого ни у кого нет…
Многие опыты из этого раздела (как, впрочем, и из последующих) лучше ставить в химическом кружке. Во-первых, сообща приятнее работать. Во-вторых, можно сделать нечто полезное для школы или клуба. И наконец, если возникнут затруднения — с постановкой опыта, с посудой или с реактивами, — то преодолеть их гораздо проще в кружке, нежели дома.
Начнем с красок — масляных и акварельных.
МАСЛЯНЫЕ КРАСКИ
Всякая масляная краска — это смесь олифы с пигментами, т. е. с красящими веществами. Как их приготовить самостоятельно, будет рассказано дальше, а сейчас займемся основой масляной краски — олифой.
Разумеется, олифу (как и некоторые пигменты) можно купить в магазине. Но для юного химика такое решение было бы слишком неинтересным. Если уж ставить опыты, то надо и олифу приготовить самостоятельно. Однако прежде надо уяснить, что она собой представляет.
Натуральную олифу готовят на растительных маслах. Такиx масел множество; некоторые из них способны высыхать на воздухе (льняное, конопляное). Другие высыхают лишь отчасти, и поэтому называются полувысыхающими (например, подсолнечное масло). А некоторые масла не высыхают вовсе — оливковое из оливок, касторовое из клещевины.
Но что значит слово «высыхают» применительно к маслам? В них нет растворителя, и высыхать вроде бы нечему. Так оно и есть, высыхание — термин хотя и устоявшийся, но не совсем точный. На самом деле масла полимеризуются, их молекулы связываются между собой, образуя твердый нерастворимый и неплавкий полимер. Но для этого нужно вещество, которое сшило бы воедино относительно небольшие молекулы масла. Это вещество — кислород воздуха. Вот почему пленка масляной краски, нанесенной на изделие, высыхает быстро. А масло, оставшееся в банке, загустевает лишь с поверхности: только она и соприкасается с воздухом.
Но даже высыхающие масла сами по себе реагируют с кислородом очень медленно, и нам пришлось бы ждать очень долго, пока краска перестанет пачкать. Однако эту реакцию можно значительно ускорить, если добавить к маслу немного катализатора, Те катализаторы, которые ускоряют высыхание масляной пленки, называют сиккативами. Обычная олифа — это смесь масла (в последнее время — все чаще синтетического) с сиккативом.
Итак, чтобы приготовить олифу, надо смешать высыхающее масло с сиккативом. Его также можно купить в магазине, но не лучше ли будет приготовить сиккатив самостоятельно и на опыте проверить его действие?
Многие сиккативы — это соли органических кислот. Вы можете приготовить такую соль, достаточно известную — плавленый резинат; резинатами называют соли кислот, входящих в состав канифоли.
В фарфоровой посуде (а если ее нет, то в металлической) нагрейте около 50 г канифоли. Температура должна быть примерно 220–250 °C, канифоль при такой температуре расплавится. В этот расплав небольшими порциями при размешивании введите (с осторожностью, не дотрагиваясь руками) 5 г негашеной извести СаО. В результате реакции получится резинат кальция.
Если вместо извести взять 15 г глета (оксида свинца РbО), растертого в пасту с льняным маслом, и добавлять его небольшими порциями, то образуется другой сиккатив — резинат свинца. Глет можно получить из порошка свинца, смешанного с натриевой или калиевой селитрой (это распространенные удобрения). При нагревании смеси образуется оксид свинца РbО желтого цвета, так что о ходе реакции можно судить по изменению окраски. Когда она станет достаточно интенсивной, прекратите нагрев, охладите смесь и обработайте ее водой. Растворимый продукты реакции перейдут в раствор, а при встряхивании легкий глет отделится от тяжелого свинца, не вступившего в реакцию, — он осядет на дно. Таким образом, надо слить взмученную непрозрачную жидкость с осадка, профильтровать и высушить — глет готов.
Смесь канифоли с СаО или РbО надо нагревать до тех пор, пока не получится однородная масса. Ее капли помещайте время от времени на чистое стекло, и как только капля окажется прозрачной, нагрев можно прекратить.
Еще один очень распространенный сиккатив — оксид марганца МnО2. Получить его можно просто. Приготовьте два раствора — сульфита натрия Na2SO3 и перманганата калия КМnO4 (марганцовки). Когда вы смешаете эти растворы, в осадок выпадет черный порошок. Это и есть искомый оксид. Отфильтруйте его и высушите на воздухе без подогрева.
Какой бы сиккатив вы ни приготовили, дальнейшие действия будут одинаковыми. Добавьте сиккатив в нагретое до 150–200 °C льняное или конопляное масло — оба высыхающие. Опыт удается лучше, если масло рафинированное. На 100 частей масла возьмите 3–5 частей сиккатива и размешайте смесь до полного его растворения. Вы приготовили олифу. Дайте ей остыть и проверьте действие сиккатива.
Нанесите олифу тонким слоем на стекло или металл, рядом нанесите такую же пленку чистого масла, без катализатора. Вы легко обнаружите, насколько сиккатив ускоряет высыхание масла. Если вы приготовили несколько сиккативов, сравните их активность.
Чтобы получить масляную краску, олифу надо смешать с пигментом, готовым или самодельным. Имейте в виду, что пигмент должен быть высушен как следует, растерт и просеян через самое мелкое сито, какое вы сможете найти, или через марлю, сложенную вдвое.
К такому мелкому порошку добавляйте по каплям олифу, каждый раз размешивая и растирая ее, пока не получится густая однородная масса, напоминающая кашу. Разотрите ее тщательно еще раз и разбавьте все той же олифой, чтобы она приняла густоту обычной малярной краски. Возможно, ваша краска окажется прозрачной, а это далеко не всегда желательно. Чтобы избежать прозрачности (как говорят специалисты, чтобы краска была укрывистой), добавьте к маслу какой-нибудь белый пигмент. Он не повлияет на окончательный цвет краски, но лишит ее прозрачности.
Даже если вы все будете делать аккуратно, полученная масляная краска все равно будет, пожалуй, чуть-чуть хуже, чем из магазина. Зато — своими руками.
ПИГМЕНТЫ
Пигменты еще несколько десятилетий назад называли обычно минеральными красками, подчеркивая их происхождение: многие природные пигменты получали измельчением окрашенных минералов. И сейчас поступают порою так же, особенно если надо приготовить яркие, сочные, стойкие краски для живописи. Но гораздо чаще в наши дни используют синтетические пигменты — всевозможные оксиды и соли металлов. Если же пигменты имеют органическую природу, то их чаще называют красителями; пожалуй, главная область их применения — окрашивание тканей.
Займемся приготовлением минеральных пигментов разных цветов. Начнем с белого.
В роли белых пигментов обычно выступают соединения свинца, цинка и титана: последние для самостоятельного изготовления наименее доступны. А лучший источник свинца в домашней лаборатории — это свинцовая примочка, 20 %-ный раствор основного ацетата свинца, с которым вам уже доводилось работать. Так как свинцовые белила представляют собой основной карбонат свинца Рb(ОН)2CO3, то для их получения надо пропускать через раствор ацетата (т. е. через примочку) диоксид углерода. Свинцовые белила при этом выпадут в осадок. Отфильтруйте его, промойте водой и высушите. В фильтрате останется раствор ацетата свинца. Старайтесь работать так, чтобы соединения свинца не попадали на руки и лицо, и ни в коем случае — в рот. Красками, приготовленными на основе таких соединений (в том числе и со свинцовым сиккативом) запрещается красить посуду и любые предметы, которые соприкасаются с пищей.
Цинковые краски, к которым мы сейчас перейдем, тоже не предназначены для окрашивания посуды; все предупреждения об осторожности, только что сделанные, относятся и к ним.
Исходным веществом для цинковых пигментов будет служить хлорид цинка ZnCl2. Раствор его можно получить, опустив в соляную кислоту немного цинка, необязательно гранулированного. Годится, например, стаканчик от старой батарейки — он сделан из почти чистого цинка. К полученному раствору осторожно, по каплям, добавляйте раствор стиральной соды. Сначала он нейтрализует избыток кислоты (вы заметите это по вспениванию), а потом вступит в реакцию с хлоридом цинка, образуется карбонат ZnCO3. Его надо отфильтровать, промыть водой и прокалить при температуре не ниже 280 °C. Выше этой температуры карбонат цинка разлагается на белый оксид цинка ZnO и CO2.
Есть еще один белый цинковый пигмент — сульфид цинка ZnS. Для его приготовления надо получить сначала сульфид натрия Na2S. Проще всего поступить так: сильно нагреть сульфит натрия Na2SO3 (еще раз напоминаем — это вещество продают в фотомагазинах), тогда образуются два вещества — сульфат Na2SO4 и сульфид Na2S. Нам требуется только второе вещество. Смесь после охлаждения растворите в воде и добавляйте понемногу раствор хлорида цинка, получение которого описано в предыдущем опыте. Избегайте избытка кислоты: образующийся сульфид в ней растворяется. После фильтрования и высушивания вы получите нерастворимый сульфид белого цвета — порошок ZnS.
Перейдем к цветным пигментам. Получим сначала сине-зеленую ярь-медянку — смесь основных ацетатов меди.
К раствору медного купороса добавьте раствор соды, и в осадок выпадет основной карбонат меди Сu2(ОН)2СО3. Отфильтруйте его, и осторожно, по каплям, добавьте уксусную эссенцию до полного растворения осадка. Упарьте раствор на небольшом огне почти досуха, не допуская сильного перегрева и разбрызгивания жидкости, а затем охладите. Выпавшие сине-зеленые кристаллы отфильтруйте и высушите между листами фильтровальной бумаги.
В кружке такой опыт лучше ставить под тягой, а дома не забудьте после опыта как следует проветрить комнату, чтобы исчез запах уксуса.
Перейдем к пигментам на основе оксида железа Fe2O3. Сурик, мумия, охра, умбра, колхотар, венецианская красная, английская красная — вот далеко не полный перечень таких пигментов. В зависимости от способа получения у краски могут быть различные оттенки, от красного до коричневого, а при сильном нагревании оксид железа чернеет.
Это вещество легко получить прокаливанием железного купороса FeSO4*7H2O (семиводный сульфат железа). Берите небольшие порции купороса, тогда разложение пойдет быстрее. Накаливайте купорос до тех пор, пока он из зеленого не станет черным. При охлаждении получится красный оксид Fе2О3.
Если не удастся купить готовый железный купорос (а его продают в хозяйственных магазинах), то сульфат железа нетрудно приготовить из более распространенного медного купороса; опустите в его раствор железные опилки, настроганные напильником и промытые в бензине. Как только голубой раствор станет зеленым, слейте его с осадка, профильтруйте и упарьте досуха. Вы получите не чистый железный купорос, потому что железо частично окислится кислородом воздуха, однако на результат опыта это не повлияет.
Коричневый гидроксид железа Fе(ОН)3 вы получите из раствора железного купороса, в который добавлен раствор едкого натра, приготовленного из стиральной соды и гашеной извести, как было описано в главе «Олово и свинец». Работая с любыми щелочами, не забывайте об осторожности! В результате реакции в осадок выпадет гидроксид железа Fe(ОН)2. До требуемого нам гидроксида Fе(ОН)3 он легко окисляется пероксидом (перекисью) водорода, а если время терпит, то просто кислородом воздуха при хранении в открытой склянке. Осадок коричневого цвета отделите и высушите при комнатной температуре.
Широко известный синий пигмент на основе железа — берлинская лазурь. Для ее приготовления нужна соль трехвалентного железа. Вот как ее можно получить: свежеосажденный гидроксид железа, приготовленный в предыдущем опыте, растворите в соляной кислоте (можно в разбавленной, аптечной) или, что несколько хуже, в уксусной эссенции, и смешайте с раствором ферроцианида калия (под названием желтой кровяной соли это вещество продают в фотомагазинах). Мгновенно образуется синий осадок знакомой вам берлинской лазури: Fe4[Fe(CN)6]3. Эта реакция очень чувствительна, ее часто используют для обнаружения в растворе ионов трехвалентного железа.
Желтый оксид свинца — глет, на основе которого вы готовили сиккатив, можно вводить в краску и как пигмент. А чтобы получить ярко-красный свинцовый сурик, смешанный оксид свинца Рb3О4, достаточно нагреть на воздухе ранее приготовленный глет. Тонкость, однако, в том, что реакция окисления обратима, и при температуре выше 500 °C сурик вновь превращается в глет. Значит, нужна температура несколько ниже 500 °C, но ненамного, иначе реакция вообще не пойдет. Вряд ли у вас есть подходящий термометр. Поэтому положите рядом с прокаливаемым глетом кусочки свинца и цинка. Их температуры плавления соответственно 327 и 420 0С, этот интервал вполне приемлем для получения сурика. Понятно, что во время опыта свинец должен быть расплавленным, а цинк твердым.
Черный пигмент — это обычная сажа. Вот один из способов получения хорошей сажи, пригодной для изготовления краски. Направьте пламя парафиновой свечи на холодный массивный предмет, разумеется, негорючий. Образующийся черный налет время от времени соскребайте, В таких условиях парафин сгорает не полностью и наряду с диоксидом углерода СО2 образуется элементарный углерод — сажа.
В заключение получим зеленые пигменты. Сначала темно-зеленый оксид хрома Сr2О3. Как вы помните из опытов с окислением — восстановлением, многие соединения хрома ярко окрашены, поэтому их часто используют в качестве пигментов, однако лишь для тех красок, которые не соприкасаются с пищей.
Будем вновь исходить из бихромата калия К2Сr2O7, самого доступного из соединений хрома. Смешайте его с активным углем или с серой и тщательно разотрите смесь в ступке, а затем, взяв не более 2 г смеси, сильно ее нагрейте в фарфоровой или металлической посуде (когда веществ взято много, реакция идет слишком бурно). Охладите смесь, промойте ее несколько раз водой и отфильтруйте, Оставшийся на фильтре темно-зеленый оксид хрома высушите.
Есть и другие способы получения этого пигмента, например, нагреванием бихромата аммония или смеси бихромата калия с хлоридом аммония (нашатырем). Примите во внимание, что оксид хрома, получаемый в таких реакциях, находит применение не только как зеленый пигмент, но и в качестве тонкого абразивного материала, одного из самых лучших. Он входит в состав многих особо тонких полировальных паст, например, для доводки линз и зеркал оптических приборов.
Наконец, ярко-зеленый пигмент «изумрудный зеленый», гидроксид хрома. От обычного серого гидроксида того же состава он отличается тем, что состоит из более крупных частиц.
Сплавьте бихромат калия с аптечной борной кислотой в железной ложке. Нагревать надо до красного каления железа, ложку необходимо держать щипцами. После охлаждения обработайте плав водой и профильтруйте. Вы убедитесь, что цвет вещества и впрямь изумрудно-зеленый.
Получив пигменты в достаточном количестве, испытайте их, как списано в предыдущей главе, в составе масляных красок. Или каких-либо других, покупных, добавляя самодельный пигмент в белую краску либо синтетическую эмаль.
АКВАРЕЛЬНЫЕ КРАСКИ
В старых книгах часто встречаются названия экзотических красителей: красный сандал, кверцитрон, кармин, сепия, кампешевое дерево… Некоторые из этих красителей применяют и поныне, но в очень небольших количествах, главным образом для приготовления художественных красок. Ведь природные красители с такими красивыми названиями получают из растений и животных, а это, как вы понимаете, дорого и сложно. Зато натуральные красящие вещества очень ярки, прочны, светостойки.
Любопытно было бы проверить. Но каким образом? Кампешевое дерево растет в Южной Америке, сандал — в Южной Азии, сепию добывают из каракатиц, кармин — из кошенили (крошечных насекомых)…
И все же получить природные красители даже в домашних условиях, даже в средней полосе нашей страны вполне возможно. И в привычных для нас растениях есть красящие вещества, пусть не такие яркие и не такие стойкие. Наши предки часто ими пользовались. Попробуем и мы извлечь красители из растений, а потом на их основе приготовим водорастворимые краски, известные всем как акварельные. Естественно, что красители, которые мы будем добивать, должны хорошо растворяться в воде.
Все красители будем готовить одним и тем же способом: измельчим растения или какие-либо их части и будем долго кипятить в воде, чтобы получился концентрированный отвар. Он должен быть достаточно густым. Извлекать сухой краситель нам не потребуется — все равно ведь нам предстоит готовить водорастворимую краску.
Очень важное замечание: берите только те растения, которые разрешено собирать там, где вы живете; ни в коем случае не рвите растения, взятые под охрану в вашей области или республике. И в любом случае, чтобы не наносить вреда природе, ограничьте число собранных растений до минимума.
Начнем с красного красителя. Его можно получить из стебля зверобоя (отвар надо подкислить) или из корня подмаренника, Возможно, вы не знаете, как выглядят названные растения. В таком случае посоветуйтесь с учителем биологии либо возьмите в библиотеке какой-либо справочник или определитель растений; в них, как правило, даются и описания растений, и их рисунки.
Ольховую кору положите в воду на несколько дней, а потом приготовьте отвар. Вновь у вас получится красный краситель. Его можно извлечь также из корней конского щавеля, но в этом случае не забудьте прибавить к готовому отвару немного алюминиевых квасцов — иначе цвет будет тусклым.
Из корней известного растения девясила (он, как и зверобой, относится к лекарственным травам) можно получить синий красителе. Для этого корни надо сначала подержать в нашатырном спирте — водном растворе аммиака. Синий краситель можно добыть также из цветов живокости и корней птичьей гречишки.
Краситель зеленого цвета извлекают из листьев трилистника (тоже, кстати, лекарственная трава). Не такой яркий, но тем не менее красивый серо-зеленый краситель вы добудете из листьев и стеблей манжетки; перед приготовлением отвара их необходимо тщательно измельчить.
Желтый краситель дают многие растения: дрок красильный, орешник (кора), ольховидная крушина (кора, листья, ягоды), подмаренник (цветы). Из плодов барбариса получается желтый краситель с лимонным оттенком.
Если отварить в воде сухую кожуру репчатого лука, то получается коричневый краситель разных оттенков — от почти желтого до темно-коричневого. Другой источник такого красителя — сухая кора жостера.
Ягоды черники и ежевики, как нетрудно догадаться, содержат фиолетовый краситель. Он не очень стоек, но вполне может пригодиться для акварельных красок. А из стеблей и листьев чистотела удается извлечь краситель оранжевого цвета.
А как получить черный пигмент? Во-первых, для этого можно приготовить отвар из ягод и корней воронца. Но есть и другой способ, более простой: добавить железный купорос к одному из полученных ранее отваров. Почти все наши отвары содержат дубильные вещества типа танина (вспомните опыты с чаем), и в присутствии солей двухвалентного железа они становятся черными.
Вы запаслись достаточным количеством густых разноцветных отваров? Тогда приступим к главному — изготовлению акварельной краски. Главные ее составные части — краситель и вода, но есть и другие обязательные компоненты. Прежде всего, такие вещества, которые скрепляют краску с бумагой, например гуммиарабик или древесные клеи — вещества с повышенной липкостью. Далее, нужны вязкие вещества, они помешают краске растекаться по бумаге, заставят ее лечь ровным слоем; хороши для этого мед, патока, глицерин. И последняя добавка — антисептик и дезинфицирующее вещество. Ведь мы имеем дело с веществами растительного происхождения, а их надо защищать от действия микроорганизмов (плесневых грибков, которые непременно захотят питаться нашими красками).
Если у вас нет гуммиарабика, то в качестве клеящего вещества лучше всего взять вишневый или сливовый клей, натеки на стволах, которые можно собрать прямо с деревьев — им это не во вред. Правда, такой клей (говоря точнее, — камедь) в воде растворяется с трудом, но если добавить немного кислоты, то растворение пойдет значительно быстрее.
Для краски каждого цвета приготовьте 5–7 мл клеевого раствора примерно 50 %-ной концентрации. Смешайте его с равным количеством глицерина или же примерно втрое меньшим количеством меда. Антисептиком будет служить фенол, его 5 %-ный раствор под названием «карболовая кислота» есть в аптеках. Этого вещества нужно очень мало, буквально несколько капель.
Все компоненты будущей краски смешайте. Основа краски готова, нет только самого важного — красителя. Добавляйте его в последнюю очередь в виде густого отвара, взяв его примерно столько же, сколько у вас получилось основы для краски.
Вот, собственно, и вся процедура. Возможно, вы удивлены, отчего краска получилась не твердая — в магазинах ее продают в плитках. Однако художники пользуются и полужидкими акварельными красками, в тюбиках. По консистенции они как раз напоминают те разноцветные краски, которые вы только что приготовили.
Если вы собираетесь хранить свои краски, обязательно перелейте их в какие-нибудь склянки, плотно закрывающиеся полиэтиленовыми пробками, в противном случае краски скоро высохнут. А работать ими надо так же, как и всякими другими акварельными красками: мягкая кисть, плотная бумага… Впрочем, среди юных химиков наверняка есть и юные художники.
Прежде чем перейти к новой теме, дадим еще один совет: попробуйте окрасить ткань. Ведь в старину большую часть растительных красителей использовали именно для этой цели. Договоримся только вот о чем: не кладите в красильную ванну (а ею может служить миска или таз) хорошие вещи. Поэкспериментируйте сначала с кусочками чистой белой ткани или пряжи. И только в том случае, если вы убедитесь, что опыт проходит успешно, берите какую-либо вещь — обязательно из тех же волокон, на которых вы ставили эксперимент.
Перед окраской ткань, как правило, требуется протравить — подержать в горячем растворе какой-либо соли; для этой цели часто берут раствор алюмокалиевых квасцов. Подержав ткань или пряжу в протраве несколько минут, опустите ее в отвар красителя, предварительно процеженный через марлю, и кипятите в нем. Точного совета, насколько крепким должен быть отвар, дать, к сожалению, нельзя, потому что два внешне одинаковых растения могут содержать разные количества красящего вещества. Так что концентрацию и время обработки придется подбирать опытным путем.
Назовем несколько растении, из которых можно получить неплохие красящие отвары для ткани. Начнем с упоминавшейся уже луковой шелухи. В ее отваре ткань станет желто-красной, если протравить ее квасцами, и зеленой, если протравить железным купоросом. Луковую шелуху использовали с давних времен для крашения шерсти и льна.
Из листьев и стеблей картофеля тоже можно приготовить краситель. Их отвар окрасит ткань в лимонный цвет, если ткань заранее обработана раствором какой-либо соли олова. А отвар корня ревеня придаст ткани, протравленной раствором железного купороса, болотный цвет.
Для окрашивания шерсти можно использовать и отвары из коры деревьев. Так, кора ольхи окрасит шерсть в темно-красный цвет, кора ясеня — в синий. Древесина дикой груши содержит коричневый краситель (шерсть перед крашением надо протравить в водном растворе какой-либо соли висмута). В листьях березы есть серо-зеленый краситель, правда, он не очень эффектен.
В былые времена редко, но все же красили шерсть раствором кофе, только сырого, чтобы получить зеленый цвет. Опробуйте и этот краситель, благо сырых кофейных зерен нужно совсем немного. Их надо размолоть и отварить с добавкой стиральной соды, а шерсть перед тем, как погружать ее в отвар, протравите в горячем растворе квасцов.
Если это занятие придется вам по вкусу, проверьте сами красящее действие других растений в сочетании с разными протравами. Не исключено, что вы обнаружите какое-либо неизвестное или совершенно забытое сочетание, и окраска окажется на редкость красивой.
СРЕДСТВО ОТ РЖАВЧИНЫ
Из стеблей, коры, плодов и листьев получают не только красители, но и десятки других полезных веществ. Как ни удивительно, растения содержат и такие органические соединения, которые способны предохранить металл от коррозии.
Представьте себе, что громоздкую стальную деталь необходимо очистить от ржавчины. Не тереть же ее наждачной шкуркой. Значит, нужен химический способ, например, травление кислотой. Но если опустить деталь в раствор какой-либо кислоты, удаляющей ржавчину, то неизбежно растворится и часть металла — как его убережешь от контакта с кислотой?
Ответ ясен: нужен раствор, который удалял бы ржавчину, но не трогал самого металла. Такие травильные растворы давно уже применяют на практике. Помимо кислоты, в них входит еще одна важная добавка — ингибитор коррозии. Это такое вещество, которое резко замедляет растворение металла, но почти не мешает растворяться его оксидам и гидроксидам, т. е. продуктам коррозии.
Те ингибиторы, которые применяют на заводах, получены преимущественно синтетическим путем. Среди них гексаметилентетрамин, в аптеках его продают и под названием «уротропин». Если поставить параллельный опыт — два одинаковых железных предмета положить в две пробирки со слабым раствором соляной кислоты, причем заранее добавить в одну немного растолченного уротропина, то разницу вскоре можно заметить и невооруженным глазом: в пробирке с ингибитором растворение металла будет идти намного медленнее.
Но мы собирались извлекать ингибиторы коррозии из растений. Этим сейчас и займемся.
Из дикорастущих растений для наших опытов подойдут чистотел, хохлатка и дымянка из семейства маковых, алтей лекарственный из семейства мальвовых и тысячелистник из семейства сложноцветных; нам понадобятся их листья и стебли. Заметьте, что многие из этих растений в сухом виде бывают в аптеках. Для опытов нужно несколько экземпляров растений. Предупреждения о бережном отношении к природе остаются в силе, равно как и предложение посоветоваться с учителем биологии или запастись определителем растений.
Для извлечения ингибиторов можно взять и некоторые культурные растения — это, пожалуй, проще. Годятся для опытов листья и стебли картофеля и помидоров. Есть смысл подождать, пока созреет урожай и взять для экспериментов ненужные уже остатки растений.
Листья и стебли дикорастущих или домашних растений измельчите ножом и залейте слабым, концентрацией не более 5 %, раствором соляной кислоты. Если вы пользуетесь аптечной соляной кислотой, то разбавьте ее водой примерно вдвое. Оставьте залитую раствором массу на несколько дней в закрытой посуде, чтобы экстракция прошла как можно полнее; недели, во всяком случае, должно хватить. Когда экстракт будет готов, составьте травильный раствор для проржавевших деталей. Если ржавчины очень много, то состав раствора (для удобства — по объему) будет таким: на 5 частей экстракта—40 частей концентрированной соляной кислоты и 75 частей воды. Если же ржавчины не очень много, то надо взять 10 частей экстракта и примерно 20 частей кислоты; количество воды тоже можно немного увеличить.
В такие растворы вы можете погружать заржавевшие детали. Они довольно скоро станут блестящими, будто новенькие, а металл с них почти не перейдет в травильный раствор.
Но что же за вещества в растениях, которые, как обнаружилось, так хорошо защищают металл от коррозии? Это комплекс соединений — алкалоиды, полисахариды, белки, слизистые и дубильные вещества. Все они, хотя и в разной степени, обладают способностью адсорбироваться на металлической поверхности и закрепляться на ней, а следовательно, они препятствуют прямому контакту металла с кислотой. Со ржавчиной же они объединяться не желают, вот она и растворяется в кислоте без помех.
КРАСИМ БЕЗ КРАСКИ
Без краски можно покрасить многие металлические поверхности, если покрыть их (химически или электрохимически) тонким слоем цветных оксидов или солей, прочно сцепленных с поверхностью. Последнее условие выполнить не так-то легко. Например, железо во влажном воздухе быстро (и без нашей помощи) покрывается красно-бурым налетом продуктов окисления, попросту говоря — ржавчиной, но такой метод окраски никуда не годится, потому что ржавчина еле-еле держится и пачкается при прикосновении.
Здесь мы приведем несколько рецептов окрашивания цветных металлов. Лишь некоторые из них пригодны для домашнего эксперимента, остальные требуют химических реактивов, которые не купишь ни в аптеке, ни в фотомагазине. Однако надеемся, вы уже записались в химический кружок.
Медь и латунь довольно быстро тускнеют на воздухе. Но они сохранят блеск, если окрасить их химическим путем. Подготовка деталей потребует некоторого времени, потому что поверхность должна быть совершенно чистой, без следов грязи и жира. Отполированную деталь тщательно протрите тряпочкой, смоченной в бензине, а затем влажным мелом или зубным порошком. Промыв деталь в проточной воде, подвесьте ее на суровой нитке или леске и не касайтесь больше руками, чтобы не оставить жировых пятен (даже если кожа на вид совершенно сухая, все равно на ней есть хоть немного жира). Опустите деталь в разбавленный раствор азотной кислоты (не более 5—10 мл на 100 мл воды) и снова промойте, лучше горячей водой. Подготовка завершена.
Дальнейшее зависит от того, в какой цвет вы решили покрасить медь. Если в черный, то подержите деталь минут пять в растворе, в котором на 100 мл воды приходится 0,9 г едкого натра и 0,3 г персульфата аммония (NH4)2SO8 (его применяют в фотографии). Температура раствора 90—100 °C.
В растворе хлорида калия, сульфата никеля NiSO4 и сульфата меди CuSO4 (соответственно 4,5, 2 и 10,5 г на 100 мл воды) при той же температуре медь и латунь приобретут приятный шоколадный оттенок. Латунь станет лазурной после кратковременного выдерживания в смеси, состоящей из 3 г ацетата свинца (можно использовать свинцовую примочку), 6 г тиосульфата натрия (гипосульфита), 5 г уксусной кислоты и 100 мл воды. Температура такого раствора — около 80 °C.
Медь можно и позеленить. Для этого ее нужно опустить в такой раствор: на 100 мл воды—20 г нитрата меди Сu(NO3)2, 30 г нашатырного спирта и по 40 г хлорида аммония (нашатыря) и ацетата натрия; раствор последнего вещества легко получить из соды и уксуса. С нитратом меди обращайтесь, пожалуйста, осторожно, избегая попадания на лицо и особенно в рот.
За исключением опыта с чернением, мы нигде не указываем времени реакции. Подберите его сами на опыте, приняв во внимание, что чем дольше время обработки, тем интенсивнее цвет.
Следующий металл, который поддается химической окраске, — это цинк. Его используют нечасто, но с оцинкованными предметами — ведрами, тазами, корытами — все хорошо знакомы. Объектом эксперимента может быть любой старый, негодный оцинкованный предмет. Промойте его поверхность раствором соды или протрите тряпочкой, смоченной в бензине, вымойте горячей водой с мылом и несколько раз прополощите. На оцинкованную поверхность нанесем смеси веществ, которые вступят с цинком в реакции; дающие окрашенные соединения. Вот рецепты красок.
Черная: 2 части нитрата меди, 3 части оксида меди, 8 частей соляной кислоты и 64 части воды; после появления окраски поверхность промыть водой и высушить.
Зеленая: по 10 частей сульфата меди и винной кислоты, 12 частей воды и 24 части раствора едкого натра в воде (1:15); как только появится окраска, сейчас же ополоснуть поверхность водой, иначе будет бурый оттенок.
Синяя: на 100 мл воды—6 г какой-либо соли никеля и столько же хлорида аммония,
Золотая: раствор из 1 части винной кислоты, 2 частей соды и 1 части воды смешать с чистой глиной; поверхность натереть смесью, а когда она высохнет, ополоснуть водой.
Коричнево-бронзовая: смесь из 1 части яри-медянки и 5 частей уксусной кислоты; поверхность натереть смесью, промыть водой и просушить.
Медная; так как цинк активнее меди, значит, достаточно смочить его раствором медной соли, например, медного купороса.
Между прочим, такими красками можно нарисовать на цинковой поверхности картину.
От цинка перейдем к алюминию. Окрасить его несколько сложнее: и операций больше, и не обойтись без электрического тока. Оксид и соли алюминия невзрачны, поэтому нужен другой способ окрашивания. Он известен: это анодирование. Суть его в том, что через алюминиевую деталь, погруженную в электролит, пропускают ток; при этом на поверхности образуется пленка оксида толщиной менее 0,1 мм. Так как алюминиевые детали в гальванической ванне служат анодом, процесс и называют анодированием. Оксидная пленка пронизана микроскопическими разветвленными порами, в которых хорошо удерживаются красители. Можно окрасить анодированную поверхность и органическими красителями, в том числе природными, но лучше все же неорганическими веществами. Обычно деталь обрабатывают поочередно в двух красящих растворах, и ярко окрашенные продукты реакции остаются в порах.
Отполируйте алюминиевую деталь, обезжирьте ее бензином или ацетоном, промойте в горячей воде и подвесьте на проволочке. Опустите деталь на две-три минуты в 5 %-ный раствор едкого натра, еще раз промойте и погрузите в слабый раствор азотной кислоты (20–30 мл кислоты на 100 мл воды). Разумеется, до детали дотрагиваться уже нельзя, а если с подвеской работать неудобно, помогайте себе пинцетом.
Снова промойте детали в горячей и в холодной воде и подвесьте на проволочке в стакане. Можно положить на края стакана палочку или карандаш и обмотать вокруг него проволочку раз-другой, подобрав такую высоту, чтобы деталь оказалась на несколько сантиметров выше дна. Соедините деталь с положительным полюсом источника тока. Катоды — стальные пластинки — подвесьте таким же образом. Источником тока могут служить батарейки, но они очень быстро «сядут»; аккумулятор или трансформатор с выпрямителем предпочтительнее.
В стакан с деталью налейте раствор серной кислоты (20 мл кислоты на 100 мл воды; осторожно!). Включите в цепь ключ или рубильник и реостат, чтобы регулировать ток. Для его измерения нужен миллиамперметр, но годится и тестер, который есть у многих радиолюбителей. Замкните цепь и установите ток из расчета 20–25 мА на 1 см2 поверхности. Де таль сразу покроется пузырьками газа — это выделяется кислород, который и окисляет алюминий. При комнатной температуре процесс длится около часа.
Промойте анодированную деталь в проточной воде и приступайте к окраске. Погружайте деталь поочередно в два красящих раствора, выдерживая в каждом 5—10 мин и промывая каждый раз в проточной воде. Окрашенные детали еще раз промойте и высушите.
Вот составы красящих растворов и их возможная концентрация (в граммах на 100 мл воды):
синий или голубой цвет — ферроцианид калия (1–5) и хлорид железа (III) (1—10); коричневый— ферроцианид калия (1–5) и медный купорос (1— 10); черный — ацетат кобальта (5—10) и перманганат калия (1,5–2,5); желтый — бихромат калия (5— 10) и ацетат свинца (10–20); золотисто-желтый— гипосульфит натрия (1–5) и перманганат калия (1–5); белый — ацетат свинца (1–5) и сульфат натрия (1–5); оранжевый — бихромат калия (0,5–1) и нитрат серебра (5—10).
ГАЛЬВАНОСТЕГИЯ
После анодирования алюминия естественно будет перейти к очередным электрохимическим опытам, благо под рукой есть и электролитическая ванна, и источник тока, и ключ с реостатом. В этих экспериментах мы будем извлекать металл из раствора и наносить его на поверхность. Этот процесс называют гальваностегией, а покрытия — гальваническими. Кстати, анодирование алюминия тоже относится к гальваностегии.
Сначала поучимся наносить на стальную поверхность медь. Меднение очень распространено в промышленности, и не только как самостоятельный процесс, но и (пожалуй, даже чаще) как подготовительная операция перед покрытием другими, более прочными и нарядными пленками — хромовыми, никелевыми, серебряными. Причина в том, что медь, правильно нанесенная, очень прочно держится на стали и выравнивает шероховатости и дефекты его поверхности, а другие металлы, в свою очередь, хорошо осаждаются на медной пленке. Казалось бы, все просто: обработал стальную деталь раствором медного купороса, более активное железо вытеснило медь из раствора, и она осела на поверхность. Действительно, так и будет (можете проверить, опустив чистый гвоздь в раствор CuSO4). Но слой меди на поверхности очень рыхлый — его легко стереть даже тряпкой. А при электрохимической обработке медный слой получается ровным и прочным.
Вот очень простой способ меднения. С одного конца мягкого многожильного провода снимите изоляцию и растеребите тонкие медные проволочки, чтобы получилась «кисть». Для удобства работы привяжите ее к деревянной палочке или карандашу, а другой конец провода подсоедините к положительному полюсу батарейки для карманного фонаря. Электролит — концентрированный раствор медного купороса, желательно слегка подкисленный, — налейте в широкую склянку, в которую удобно будет макать «кисть».
Подготовьте стальную пластинку или другой небольшой предмет, желательно с плоской поверхностью. Протрите его мелкой наждачной шкуркой и обезжирьте, прокипятив в растворе стиральной соды. Положите пластинку в ванночку или кювету и подсоедините ее проводом к отрицательному полюсу батарейки. Схема собрана, осталось только ввести электролит.
Обмакните «кисть» в раствор медного купороса и проведите ею вдоль пластинки, стараясь не дотрагиваться до поверхности; работайте так, чтобы между пластинкой и кистью был всегда слой электролита. Проводки все время должны быть смочены раствором. На глазах пластинка будет покрываться красным слоем металлической меди. На обработку маленькой детали уйдут считанные минуты. Если же поверхность побольше, то потребуется не только дополнительное время, но и дополнительная батарейка; соедините ее с первой параллельно. Когда покрытие нанесено, высушите деталь на воздухе и матовый слой меди натрите до блеска шерстяной или суконной тряпкой.
Кстати, этот опыт можно ставить и с алюминиевой, и с оцинкованной пластинкой. Такой процесс, при котором деталь не опускают в электролитическую ванну, а обрабатывают снаружи небольшими участками, добавляя все время электролит, порой используют и на практике, особенно в тех случаях, когда деталь настолько велика, что для нее не подберешь подходящей ванны. Например, когда надо подновить покрытие на обшивке океанского корабля…
Впрочем, если детали невелики, их обычно все же погружают в ванну с электролитом — это быстрее и удобнее. Вот как это делают при никелировании стали, или, точнее, перед никелированием, ибо без предварительного меднения в этом случае не обойтись.
Металлический предмет, который вы решили покрыть никелем (пусть это будет водопроводный кран или табличка для двери), обработайте, как обычно, наждачной бумагой, чтобы удалить оксидную пленку, протрите щеткой, как следует промойте водой, обезжирьте в горячем содовом растворе и промойте еще раз. В банку или стакан опустите на проволочках (лучше медных) две медные пластинки — аноды. Между ними на проволочке же подвесьте деталь (все эти проволочки, напоминаем, удобнее всего обмотать вокруг карандаша и положить его на края банки). Те проволочки, которые идут от медных пластинок, соедините вместе и подключите к положительному полюсу источника тока, а деталь — к отрицательному; включите в цепь реостат или радиосопротивления на 200–300 Ом, чтобы регулировать ток, и миллиамперметр (тестер). Источник постоянного тока — две-три батарейки для карманного фонаря, соединенные параллельно, или аккумулятор с напряжением не более 6 В.
Раствор электролита — 20 г медного купороса и 2–3 мл серной кислоты на 100 мл воды — налейте в стакан, раствор должен полностью покрыть электроды. Пользуясь реостатом или подбирая сопротивления, установите ток от 10 до 15 мА на каждый квадратный сантиметр поверхности детали. Минут через двадцать выключите ток и выньте деталь — она покрыта тонким слоем меди. Электролит меднения не выливайте, он еще пригодится.
Далее — собственно никелирование. Приготовьте новый электролит (30 г сульфата никеля, 3,5 г хлорида никеля и 3 г борной кислоты на 100 мл воды) и налейте этот электролит в другой стакан. Для никелирования нужны никелевые электроды. Опустите их в электролит, соберите схему так же, как при меднении, и включите ток, вновь примерно на двадцать минут. Выньте деталь, промойте и просушите ее. Она покрыта сероватым матовым слоем никеля. Чтобы покрытие приобрело привычный блеск, его надо отполировать.
Электролит для хромирования содержит обычно хромовую кислоту. Но так как этой кислоты у вас, вероятно, нет, прибегнем к обходному маневру.
Вы уже получали зеленый хромовый пигмент. Если же вы не ставили тот опыт, то имейте в виду, что хромовый зеленый продается в магазинах. Сплавьте оксид хрома с содой на воздухе, т. е. нагрейте смесь в чистой металлической банке. Вы получили хромат натрия Na2CrO4. Растворите его в воде, профильтруйте и подкислите серной кислотой; в этом растворе можно проводить хромирование. Разумеется, если у вас есть готовый хромат натрия, готовить его излишне.
Небольшой предмет, который вы собираетесь хромировать, обработайте как обычно наждачной бумагой, обезжирьте, протравите слабым раствором кислоты и промойте. Он будет катодом, подсоедините его к отрицательному полюсу источника тока. Анод нужен инертный, например, графитовый. Разберите старую батарейку и извлеките из нее графитовый стержень.
Чтобы получить ток, достаточный для хромирования, надо взять аккумулятор либо несколько батареек для карманного фонаря. Время опыта и требуемый ток подберите самостоятельно. По окончании электролиза выньте деталь из электролита, тщательно промойте ее и отполируйте до блеска тряпочкой с зубным порошком.
ГАЛЬВАНОПЛАСТИКА
Еще один очень распространенный электрохимический процесс — гальванопластика, т. е. осаждение толстого, массивного слоя металла на поверхности какого-либо предмета, форму которого хотят воспроизвести, скопировать. Гальванопластику используют в тех случаях, когда у металлической детали очень сложная форма и обычными способами (литьем или механической обработкой) ее трудно или невозможно изготовить. Так воспроизводят иногда скульптуры по моделям (колесница Аполлона на фронтоне Большого театра сделана гальванопластикой); так же кодируют с записи-эталона металлические формы, в которых прессуют грампластинки, в точности воспроизводя тончайший рельеф бороздок.
Если у вас не осталось раствора для меднения, то приготовьте его вновь. Возьмите кусок воска или парафина, очень тщательно разгладьте его поверхность, чтобы она стала по возможности плоской. На этом гладком участке процарапайте надпись, рисунок или узор. Советуем написать свои инициалы — тогда у вас получится монограмма. Писать удобнее всего иглой, только, пожалуйста, не оставляйте слишком глубоких царапин.
Мягкой кисточкой нанесите на поверхность с рисунком электропроводящий порошок. Можно, например, растолочь в ступке грифель простого карандаша или графитовый стержень батарейки. По краям рисунка прижмите к поверхности, покрытой графитом, тонкие оголенные медные проволочки (они будут служить токоотводами) и соедините их между собой. Восковой слепок подвесьте в стакан, налейте электролит, опустите медный электрод и соберите такую же схему, как и в опытах с меднением. Но в отличие от гальваностегии тут нужен намного меньший ток, примерно 5—10 мА. Поэтому придется передвинуть движок реостата или же подобрать другое радиосопротивление.
Включите ток и наберитесь терпения, потому что при таком токе медь будет осаждаться на графитированной поверхности по меньшей мере пять часов, если не больше, однако увеличивать ток не надо: качество работы будет гораздо хуже. Разомкните цепь и выньте из стакана восковой слепок. Осторожно опустите воск в горячую воду — он расплавится. А у вас в руках окажется тонкий медный листок с узором. Аккуратно оторвите от него проволочки-токоотводы. Точная копия рисунка получена.
Теперь можно перейти к весьма полезному делу: к изготовлению способом гальванопластики уникальных значков. Они будут только в вашей коллекции! Если же в кружке вы сделаете двадцать-тридцать сувениров, они долго будут напоминать вам и вашим товарищам о туристическом походе, о спортивных соревнованиях…
Советов художественного свойства давать не будем: эскиз придумайте сами. Не надо сложных значков: и делать труднее, и смотрятся они хуже. По эскизу вырежьте шаблон из тонкого картона — он должен повторять внешний контур значка. Положите шаблон на тонкую медную или латунную фольгу и аккуратно вырежьте по нему столько заготовок, сколько значков вы собираетесь сделать.
Ваша заготовка мягкая. Чтобы она стала жесткой, покройте ее слоем меди в гальванической ванне. В принципе вы уже умеете это делать; здесь вы найдете советы применительно к изготовлению значков.
Заготовки проткните у края иглой и пропустите в отверстие тонкую медную проволочку. Промойте заготовки, протрите бензином и зубным порошком, еще раз промойте и, держа за подвеску или с помощью пинцета, опустите на полминуты в разбавленный, примерно 5 %-ный раствор азотной кислоты. Напоследок промойте в проточной воде и подвесьте на металлический стержень. Всю подвеску опустите в стакан с двумя медными пластинками-анодами (значки будут катодами). Листочки фольги должны быть расположены на разных уровнях, чтобы они не закрывали друг друга. В стакан налейте электролит! 25 г медного купороса и 1,5 мл серной кислоты на 100 мл воды, желательно дистиллированной. Источник тока — аккумулятор; можно использовать и трансформатор с выпрямителем. Ток в цепи около 10 мА на 1 см2. Толщина медного слоя должна быть 0,5–0,8 мм.
Когда меднение закончено, промойте детали. Если вы решили сделать на значке рельефное изображение или надписи, наметьте их иглой. Ту часть поверхности, которую покрывать не надо, закройте тонким слоем клея БФ, лака или парафина, опустите заготовки в электролит и опять включите ток, чтобы открытые участки покрылись слоем меди — тогда они станут выпуклыми. После этого клей или парафин снимите.
Если сумеете, выгравируйте на значке надпись или изображение, и обязательно припаяйте с обратной стороны булавку.
Наконец, придадим значку нарядный вид. Химическая окраска и никелирование вполне пригодны. Но еще лучше выглядят значки под старое серебро.
Заготовьте 2–3 %-ный раствор нитрата серебра (можно растворить в воде аптечный ляписный карандаш). Небольшими порциями добавляйте соляную кислоту — три-четыре объема на один объем раствора. С выпавшего осадка хлорида серебра слейте раствор, осадок несколько раз промойте дистиллированной водой, сливая воду очень аккуратно, по стеклянной палочке, чтобы не терять хлорид серебра. К отмытому осадку добавьте небольшими порциями 30 %-ный раствор иодида калия до тех пор, пока осадок не растворится полностью. Долейте воду, чтобы довести объем раствора до первоначального. У вас должно быть столько же электролита для серебрения, сколько вы приготовили его для меднения.
В этот электролит погрузите значки (они вновь будут катодами). Анодами могут служить графитовые стержни, лучше из батареек, а не из карандашей, потому что их площадь должна быть немного больше площади значков. Плотность тока небольшая, около 1 мА/см2.
Так на значках образуется слой серебра и, конечно, оно выглядит как новое. Однако не такая уж хитрость почернить значки под старое серебро… Водный раствор сульфида калия примерно 0,5–1 %-ной концентрации нагрейте до 50 °C. Значки в этом растворе постепенно изменят цвет — они станут сначала серыми, потом синеватыми и, наконец, черными. Промойте значки и потрите их фетром или суконкой. Тогда выпуклые части посветлеют, остальная же поверхность останется черной, и значки будут выглядеть именно так, как изделия из старого серебра.
БЛАГОРОДНАЯ ПАТИНА
Благородную чернь на серебре вы уже научились делать экспресс-методом. Сейчас поучимся почти столь же быстро получать благородную патину.
Медные и бронзовые предметы во влажном воздухе постепенно покрываются зеленым налетом; зеленеют и темнеют старинные подсвечники и дверные ручки, каминные часы и бронзовые статуи на площадях. Образовавшийся на них налет — так называемая благородная, или античная, патина — весьма ценится любителями искусства.
Чтобы образовалась патина, необходимо длительное, в течение многих лет, воздействие воздуха, содержащего влагу и диоксид углерода (углекислый газ). В присутствии этих двух веществ образуется пленка основного карбоната меди, по составу близкая к широко известному минералу малахиту. Получить искусственно минерал нам не удастся — невозможно воспроизвести его плотную кристаллическую структуру. А вот на создание античной патины у нас уйдут не годы, а считанные минуты, ну, в крайнем случае, час-другой.
К небольшому медному предмету (а для прикидочного опыта еще лучше — к пластинке или куску медной фольги) присоедините проводок с зачищенными концами. Протрите поверхность, как вы поступали не раз, мелкой наждачной бумагой, положите предмет в горячий раствор стиральной соды, промойте водой и погрузите его в слабый раствор уксуса — это поможет избежать преждевременного окисления.
Тем временем займитесь приготовлением электролита: две чайные ложки хлорида аммония (нашатыря) на стакан воды. Не касаясь медного предмета руками, выньте его пинцетом (или за проводок) из уксусного раствора, промойте под краном и опустите в раствор нашатыря. Подключите проводок к положительному полюсу батарейки, а отрицательный ее полюс соедините с медным электродом — с любой медной пластинкой, которую можно не очищать столь тщательно. Вскоре катод, т. е. предмет, на который мы наносим патину, покроется красным матовым слоем. Но позвольте, мы рассчитывали на зеленый!
Не будем, однако, спешить. Минут через десять выньте предмет, не дотрагиваясь до него руками, и положите так, чтобы с него стекала вода, но поверхность при этом не поцарапалась; можно подвесить его за проводок. Пройдет какой-нибудь час, и красный слой станет зеленым. Это красная патина на меди превратилась в зеленую, схожую с малахитом.
Еще большего эффекта можно достичь, если взять в качестве электролита раствор аммиака концентрацией около 25 %, но в этом случае надо работать под тягой или на свежем воздухе, так как у концентрированного раствора аммиака очень резкий запах. Подвесьте предмет так, чтобы часть его оказалась над электролитом. Тогда та часть, которая находится в растворе, останется красной, а та, что на воздухе, покроется за час с небольшим зелено-синей пленкой, очень похожей на настоящую благородную патину.
Не нужно спешить, ставя этот опыт, и увеличивать ток: чем медленнее идет процесс, тем прочнее слой основного карбоната меди. Но все равно, часы — это не годы, и по прочности нашей пленке далеко до естественной патины (хотя она и не менее красива). Чтобы сохранить ее, покройте зеленое покрытие каким-нибудь бесцветным лаком.
СТЕКЛО И ЭМАЛЬ
Значки, броши, различные украшения и многие предметы обихода покрывают эмалью — стеклом, нанесенным на металл. Вот и мы попробуем приготовить стекло. Для этих опытов необходима специальная печь. Уже по этой причине изготовлением стекла нельзя заниматься дома. Но, кроме того, нужны и навыки в работе с горячими расплавами, так что опыты, безусловно, надо проводить в присутствии старших.
На заводах и в химических лабораториях стекла получают из шихты — тщательно перемешанной сухой смеси порошкообразных солей, оксидов и других соединений. При нагревании в печах до очень высокой температуры, нередко выше 1500 °C, соли разлагаются до оксидов, которые, взаимодействуя между собой, образуют силикаты, бораты, фосфаты и другие устойчивые при высоких температурах соединения. Вместе они и составляют стекло.
Мы будем готовить так называемые легкоплавкие стекла, для которых достаточно лабораторной электрической печи с температурой нагрева до 1000 °C. Еще понадобятся тигли, тигельные щипцы (чтобы не обжечься) и небольшая ровная плита, стальная или чугунная. Сначала мы сварим стекло, а потом найдем ему применение.
Перемешайте шпателем на листе бумаги 10 г тетрабората натрия (буры), 20 г оксида свинца и 1,5 г оксида кобальта, просеянных через сито. Это и есть наша шихта. Пересыпьте ее в небольшой тигель и уплотните шпателем так, чтобы получился конус с вершиной в центре тигля. Уплотненная шихта должна занять в тигле не более трех четвертей объема, тогда стекло не будет проливаться. Щипцами поставьте тигель в электропечь (тигельную или муфельную), нагретую до 800–900 °C, и подождите, пока шихта не сплавится. Об этом судят по выделению пузырьков: как только оно прекратилось, стекло готово. Достаньте тигель щипцами из печи и сразу же вылейте расплавленное стекло на стальную или чугунную плиту с чистой поверхностью. Остывая на плите, стекло образует слиток сине-фиолетового цвета.
Чтобы получить стекла других цветов, замените оксид кобальта другими окрашивающими оксидами. Оксид железа(ПI) (1–1,5 г) окрасит стекло в коричневый, оксид меди(П) (0,5–1 г) — в зеленый, смесь 0,3 г оксида меди с 1 г оксида кобальта и 1 г оксида железа (III) — в черный цвет. Если же взять только борную кислоту и оксид свинца, то стекло останется бесцветным и прозрачным. Поэкспериментируйте сами с другими оксидами, например, хрома, марганца, никеля, олова.
Стекло измельчите пестиком в фарфоровой ступке, Чтобы не пораниться осколками, обязательно обмотайте руку полотенцем, а ступку с пестиком прикройте чистой тряпкой.
Ссыпьте мелкий стеклянный порошок на толстое стекло, добавьте немного воды и разотрите до сметанообразного состояния курантом — стеклянным или фарфоровым диском с ручкой. Вместо куранта можно взять маленькую плоскодонную ступку или полированный кусок гранита — так поступали старые мастера, когда растирали краски. Полученную массу называют шликером. Его мы будем наносить на поверхность алюминия примерно так же, как это делают, изготовляя украшения.
Очистите поверхность алюминия наждачной бумагой и обезжирьте кипячением в содовом растворе. На чистой поверхности прочертите скальпелем или иглой контур рисунка. Поверхность с помощью обычной кисточки покройте шликером, просушите над пламенем, а потом нагревайте в том же пламени до тех пор, пока стекло не наплавится на металл. У вас получится эмаль. Если значок невелик, его можно покрывать слоем стекла и нагревать в пламени целиком. Если же изделие более крупное (скажем, табличка с надписью), то надо разбить его на участки и наносить стекло на них поочередно. Чтобы цвет эмали был более интенсивным, нанесите стекло повторно. Таким способом можно получать не только украшения, но и надежные эмалевые покрытия для защиты алюминиевых деталей во всевозможных приборах и моделях. Так как в этом случае эмаль несет дополнительную нагрузку, металлическую поверхность после обезжиривания и промывки желательно покрыть плотной оксидной пленкой; для этого достаточно подержать деталь 5—10 мин в печи с температурой чуть ниже 600 °C.
Разумеется, на большую деталь шликер удобнее наносить не кисточкой, а из пульверизатора или просто поливом (но слой должен быть тонким). Подсушите деталь в сушильном шкафу при 50–60 °C, а затем перенесите в электропечь, нагретую до 700–800 °C.
А еще из легкоплавких стекол можно приготовить окрашенные пластинки для мозаичных работ. Куски битой фарфоровой посуды (их вам всегда дадут в посудном магазине) облейте тонким слоем шликера, просушите при комнатной температуре или в сушильном шкафу и наплавьте стекло на пластинки, выдерживая их в электропечи при температуре не ниже 700 °C.
Освоив работу со стеклом, вы можете помочь своим коллегам из биологического кружка: там нередко изготовляют чучела животных, а для чучел нужны разноцветные глаза…
В стальной плите толщиной около 1,5 см высверлите несколько углублений разных размеров с коническим или сферическим дном. Тем же способом, что и прежде, сплавьте разноцветные стекла. Гаммы, пожалуй, хватит, а чтобы изменить интенсивность, чуть увеличьте или уменьшите содержание окрашивающей добавки.
Небольшую каплю яркого расплавленного стекла поместите в углубление стальной плиты, затем налейте стекло цвета радужной оболочки. Капля войдет в основную массу, но не смешается с ней, — так будут воспроизведены и зрачок, и радужная оболочка. Охлаждайте изделия медленно, не допуская резких перепадов температур. Для этого затвердевшие, но еще горячие «глаза» достаньте из формы подогретым пинцетом, положите в рыхлый асбест и уже в нем охладите до комнатной температуры.
Конечно, легкоплавким стеклам можно найти и другие применения. Но не лучше ли будет, если вы поищете их сами?
И в завершение опытов со стеклом, пользуясь все той же электропечью, попытаемся превратить обыкновенное стекло в цветное. Естественный вопрос: нельзя ли таким способом сделать солнечные очки? Можно, но вряд ли это удастся вам с первого раза, потому что процесс капризен и требует некоторых навыков. Поэтому беритесь за очки только после того, как потренируетесь на кусочках стекла и убедитесь, что результат соответствует ожиданиям.
Основой краски для стекла будет канифоль. Из резинатов, солей кислот, входящих в состав канифоли, вы ранее готовили сиккативы для масляных красок. Вновь обратимся к резинатам, потому что они способны образовывать на стекле тонкую ровную пленку и служить носителями красящего вещества,
В растворе едкого натра концентрацией около 20 % растворяйте при помешивании и помня, конечно, об осторожности, кусочки канифоли до тех пор, пока жидкость не станет темно-желтой. Отфильтровав, добавьте немного раствора хлорида железа FeCl3 или другой соли трехвалентного железа. Имейте в виду, что концентрация раствора должна быть небольшой, соль нельзя брать в избытке — осадок гидроксида железа, который в этом случае образуется, нам помешает. Если же концентрация соли невелика, то образуется красный осадок резината железа — он-то там и нужен.
Отфильтруйте красный осадок и высушите его па воздухе, а затем растворите до насыщения в чистом бензине (не автомобильном, а бензине-растворителе) еще лучше было бы взять гексан или петролейный эфир. Кисточкой или пульверизатором окрасьте поверхность стекла тонким слоем, дайте подсохнуть и положите на 5—10 мин в печь, нагретую примерно до 600 °C. Но канифоль относится к органическим веществам, а им такую температуру не выдержать! Правильно, но именно это и нужно — пусть органическая основа выгорит. Тогда на стекле останется тончайшая пленка оксида железа, хорошо сцепленная с поверхностью. И хотя оксид в общем-то непрозрачен, в столь тонком слое он пропускает часть световых лучей, т. е. может служить светофильтром.
Возможно, светозащитный слой покажется вам слишком темным или, напротив, излишне светлым. В таком случае поварьируйте условия опыта — чуть увеличьте или уменьшите концентрацию раствора канифоли, измените время и температуру обжига. Если же вас не устраивает цвет, в который скрашено стекло, замените хлорид железа хлоридом другого металла, но непременно такого, оксид которого ярко окрашен, например хлоридом меди или кобальта.
А когда технология тщательно отработана на кусочках стекла, можно без особого риска совершить превращение обычных очков в солнечные. Не забудьте только вынуть стекла из оправы — пластмассовая оправа не выдержит нагревания в печи точно так же, как канифольная основа…
САМОДЕЛЬНЫЙ ПЛАСТИЛИН
Конечно, пластилин можно купить в магазине. Ну и что из этого? Радиоприемник тоже купить можно, однако сколько людей корпят над радиосхемами!
Для самодельного пластилина единственным дефицитным сырьем окажется, видимо, олеиновая кислота С17Н33СООН. Впрочем, она есть, наверное, в школьной лаборатории (и вообще это очень распространенная кислота, входящая в состав почти всех жиров). Из нее мы получим цинковую соль — олеат цинка. К 35 частям (по массе) нагретой олеиновой кислоты прибавьте небольшими порциями 5 частей сухих цинковых белил (можно взять самодельный пигмент). Каждую новую порцию белил вносите лишь после того, как исчезнет пена от прибавления предыдущей. Если цинковых белил у вас не оказалось, можно заменить их обычным мелом — тогда у вас получится олеат кальция. Правда, качество пластилина будет несколько хуже.
К полученному сиропообразному олеату прибавьте при постоянном перемешивании 18 частей смеси равных количеств масла и воска. Чтобы ее приготовить, расплавьте воск и добавьте к нему, энергично перемешивая, жидкое масло, например вазелиновое. Еще раз подчеркиваем — все компоненты надо тщательно перемешивать, от этого во многом зависит качество готового пластилина. Что касается воска, то лучше бы взять природный, пчелиный, но в крайнем случае его можно заменить стеарином (только не парафином). Стеарин же можно без труда приготовить из хозяйственного мыла, как было описано в разделе «Первые опыты».
Когда смесь олеата, масла и воска (или стеарина) будет готова, добавьте к ней 23 части серы, измельченной в тонкую пудру (можно взять аптечный препарат), 15 частей сухой мелкой глины, просеянной через сито, и еще 4 части какой-либо минеральной краски. Можно, например, взять мумию (оксид железа Fe2O3) — вы уже умеете готовить это вещество (не забудьте об интенсивном и постоянном перемешивании). Еще раз тщательно размешайте готовую смесь и раскатайте скалкой на листе фанеры или жести. Пластилин готов.
Вот только какая неприятность: у олеата цинка запах не из лучших. Но его можно заглушить отдушкой. Смешивая исходные продукты, добавьте немного (несколько капель) приятно пахнущего вещества, например розового или лавандового масла, или хотя бы одеколона.
ПОСЕРЕБРИМ ЗЕРКАЛО!
Возможно ли это? Зеркала серебрят на специальных фабриках, в зеркальных мастерских. Ремесло это древнее, с традициями и профессиональными секретами — нелегко изготовить хорошее зеркало. И все же — попробуем!
Конечно, зеркальную поверхность можно приготовить без труда, — реакцию «серебряного зеркала» ставят в школе на уроках. Но хорошего зеркала не получится, поблестит немного — и все. Нет, тут речь пойдет о настоящем зеркале. И оно у вас непременно получится, если вы будете работать аккуратно и не пренебрегать мелочами.
Важное предупреждение: работайте только с дистиллированной водой. Порошок «крокус» — специально приготовленный оксид железа(III) — просейте через мелкое сито и полученную пыль разведите дистиллированной водой. Если у вас нет «крокуса», можно взять какую-либо готовую полировальную жидкость, они продаются в хозяйственных магазинах. Ровное стекло, которое вы собираетесь сделать зеркальным, положите на стол. Проверьте уровнем, горизонтальна ли поверхность стола, и если нет, подложите под ножки сложенные листки бумаги, чтобы выровнять поверхность. Не берите большое стекло, начинать лучше с малого. Чтобы случайно не раздавить его, положите на стол, например, старое одеяло.
Налейте полировальную жидкость на стекло и тщательно протирайте его круговыми движениями с помощью войлока, фетра (можно взять старую шляпу) либо куска мягкой кожи. Потрите стекло марлей, смоченной взвесью тонко размолотой и просеянной пемзы в воде, еще раз промойте дистиллированной водой, протрите влажной губкой, а затем марлевым тампоном, смоченным в 0,15 %-ном растворе хлорида олова (IV), опять промойте и протрите отжатым тампоном. Подготовка стекла закончена. Это очень важная процедура. От того, насколько тщательно вы ее выполнили, зависит качество будущего зеркала.
Обработанную поверхность надо сразу же серебрить. Если вы почему-либо не успели приготовить раствор для серебрения, то опустите стекло в теплую дистиллированную воду и не вынимайте из нее, пока все не будет готово. Кстати, такая операция полезна во всех случаях: хорошо, если стекло градусов на 8—10 теплее, чем раствор для серебрения.
Этот раствор необходимо готовить только в резиновых перчатках. Его получают, смешивая два раствора, каждый из которых готовят отдельно. Мы укажем количества веществ на литр раствора, а вы прикиньте сами, сколько раствора вам требуется.
Первый раствор: 4 г нитрата серебра, 10 мл 25 %-ного раствора аммиака, 4 г едкого натра. Порядок приготовления раствора не совсем обычен. Весь нитрат серебра растворите в 300 мл воды, 9/10 раствора отлейте в чистый стакан и добавьте по каплям раствор аммиака, все время перемешивая жидкость стеклянной палочкой. Мутная жидкость будет становиться все более прозрачной, и, наконец, окраска исчезнет. Прибавьте немного раствора нитрата серебра — раствор вновь станет мутным. Добавьте раствор едкого натра, тогда раствор примет светло-коричневый оттенок. Вновь по каплям прибавляйте раствор аммиака, и раствор опять посветлеет, теперь он кажется слегка синеватым. Влейте оставшийся раствор нитрата серебра и аммиак, как следует размешайте и долейте дистиллированную воду до литра.
Если придется хранить этот раствор, то перелейте его в бутылку или склянку с хорошо подогнанной пробкой. В открытой посуде раствор хранить нельзя! Второй раствор: на литр раствора—100 г сахара-рафинада и 10 мл разбавленной (примерно 10 %-ной) серной или азотной кислоты. Сахар заранее растворите в дистиллированной воде, добавьте кислоту, покипятите четверть часа и долейте воду до расчетного объема.
Смешайте оба раствора: на один миллилитр второго раствора (с сахаром) возьмите примерно 100 мл первого раствора (с нитратом серебра). Точное соотношение придется подобрать на опыте. Если будет избыток сахарного раствора, то при серебрении начнут выпадать хлопья; если же, напротив, этот раствор в недостатке, то серебрение пойдет слишком медленно. Полученную смесь быстро и тщательно размешайте; сначала она станет оранжево-красной, а затем почернеет. Это сигнал: пора приступать к серебрению. Не упустите момент!
Сразу вылейте смесь на стекло. Она растечется по всей поверхности, и стекло станет темным, но потом быстро начнет светлеть, на нем образуется слой металлического серебра, которое восстанавливается из нитрата. Через 5—10 мин осторожно сгоните смесь со стекла с помощью марли (а еще лучше — кусочка замши), смоченной в дистиллированной воде, вновь налейте смесь и подержите ее еще четверть часа. Уже посеребренную поверхность промойте дистиллированной водой. Если на стекле окажутся темные пятна, их надо протереть тампоном со смесью пемзы, затем раствором хлорида олова (IV), снова налить на эти места смесь и промыть водой.
Чтобы проверить, достаточно ли осадилось серебра на стекле, посмотрите сквозь зеркало на лампу мощностью 60 Вт — она должна быть едва видна сквозь посеребренное стекло.
Серебряный слой еще недостаточно прочно держится на стекле. Чтобы укрепить его, поставьте зеркало в вертикальном положении на час-другой нагреваться при температуре 100–150 °C. Воспользуйтесь сушильным шкафом, в крайнем случае — несильно нагретой духовкой. Когда зеркало остынет, покройте серебряную пленку водостойким прозрачным лаком из пульверизатора (кисть может ее повредить). После высыхания нанесите поверх лака толстый слой непрозрачной краски или черного битумного лака. Водите кистью или направляйте струю из пульверизатора только в одном направлении: либо сверху вниз, либо слева направо.
Зеркало почти готово. Осталось лишь привести в порядок его лицевую, непосеребренную сторону. На ней могут оказаться затеки серебра; удалите их тампоном, смоченным слабым раствором соляной кислоты. Если вы запачкали руки, то удалите пятна слегка подогретым раствором гипосульфита и хорошенько вымойте руки теплой водой.
Много ли серебра пошло на изготовление зеркала? И сколько серебра в настоящем зеркале? Вопросы вроде бы нехитрые, но ответить на них не так-то легко. Пленка серебра настолько тонка, что даже будь у вас микрометр, ее не измерить…
Чтобы не портить хорошее зеркало, возьмите какой-нибудь осколок, удалите слой лака и краски ватой, смоченной ацетоном, и положите на посеребренную поверхность небольшой кристаллик йода. Уже при комнатной температуре йод довольно быстро испаряется, его пары растекаются по стеклу, потому что они намного тяжелее воздуха. Чтобы их не разогнал случайный сквозняк, накройте кристаллик перевернутым стаканом.
При взаимодействии йода с серебром образуется иодид серебра, и возле кристаллика медленно расплывается прозрачное пятно: иодид в тонком слое прозрачен. А у краев прозрачного пятна серебряная пленка не исчезает, но становится тоньше. И в результате на зеркале появляются окрашенные кольца, которые видно особенно хорошо в отраженном свете.
Кольца кажутся цветными по той же причине, по которой нам кажутся радужными мыльные пузыри и масляные пятна на воде. Явление это называется интерференцией света в тонких пленках, его изучают в курсе физики. Для нас самое важное вот что: чем больше колец, тем толще серебряная пленка. Если их два, то толщина пленки около 0,03 мкм, три кольца соответствуют 0,06 мкм, четыре — 0,09, пять — 0,12, шесть — 0,15, семь — 0,21 мкм.
Зная толщину серебряного слоя, легко подсчитать и количество серебра: надо лишь умножить толщину на площадь зеркала и полученный объем еще раз умножить на плотность серебра (10,5 г/см3).
Вот ориентир для проверки расчета: зеркало площадью около квадратного метра содержит чуть больше грамма серебра.