В опытах, которые так похожи на фокусы, бесцветные растворы окрашивались то в один, то в другой цвет, и происходило это сразу же, как по мановению волшебной палочки. И действительно, химические реакции идут очень быстро и, как правило, начинаются сразу же после смешения реагентов. Однако из этого правила есть исключения. Реакционная смесь может оставаться какое-то время бесцветной, а затем мгновенно окраситься. Хотите — через пять секунд, хотите — через десять; вы сами можете поставить «химические часы» на требуемое время.
Приготовьте два раствора. Состав первого: 3,9 г йодата калия KIO3 на литр воды. Состав второго: 1 г сульфита натрия Na2SO3, 0,94 г концентрированной серной кислоты (осторожно!) и немного — несколько миллилитров крахмального клейстера — тоже на литр воды. Оба раствора бесцветны и прозрачны.
Отмерьте по 100 мл обоих растворов и быстро, лучше при перемешивании, прилейте второй к первому. Опыт удобнее ставить вдвоем — пусть ваш товарищ сразу же начнет отсчет времени по секундомеру или по часам с секундной стрелкой. Через шесть-восемь секунд (точное время зависит от температуры) жидкость мгновенно окрасится в темно-синий, почти черный цвет.
Теперь отмерьте вновь 100 мл второго раствора, а 50 мл первого разбавьте водой ровно вдвое. С секундомером в руках вы убедитесь, что время, прошедшее с момента сливания растворов до их окрашивания, тоже увеличится в два раза.
Наконец, смешайте 100 мл второго раствора с 25 мл первого, разбавленного водой вчетверо, т. е. до тех же 100 мл. «Химические часы» будут работать в четыре раза дольше, чем в первом опыте.
Этот опыт демонстрирует один из фундаментальных химических законов — закон действия масс, согласно которому скорость реакции пропорциональна концентрациям реагирующих веществ. Но вот в чем вопрос: почему растворы окрашиваются мгновенно после паузы, а не равномерно и постепенно, как этого следует ожидать?
Серная кислота в растворе вытесняет йодат- и сульфит-ионы из их солей. При этом в растворе образуется йодоводородная кислота HI, но живет она недолго и тут же вступает во взаимодействие с йодноватой кислотой HIO3. В результате выделяется свободный йод. Он-то и дает цветную реакцию с крахмалом.
Если бы все шло именно так, то раствор и темнел бы постепенно, по мере выделения иода. Однако параллельно идет еще один процесс: сернистая кислота Н2SO3 реагирует со свободным иодом и вновь образуется иодоводородная кислота. Эта реакция идет быстрее предыдущей, и йод, не успев окрасить крахмал, снова восстанавливается до JO3—-.
Выходит, что окраска не должна появиться вовсе? Обратите внимание: в ходе реакции сернистая кислота непрерывно расходуется, и как только вся она превратится в серную, иоду ничто уже не будет мешать реагировать с крахмалом. И тогда раствор мгновенно окрасится по всему объему.
Разбавляя раствор вдвое и вчетверо, вы уменьшали концентрацию иодата калия, и скорость реакции уменьшалась пропорционально.
Объяснение, кажется, заняло больше времени, чем сам опыт с часами…