Изучение химических реакций в текстах алхимиков

Южное окружное управление образования

Лицей №1553 «Лицей на Донской»

Курсовая  работа по химии 
 
 

«Изучение химических реакций в текстах  алхимиков» 

Ученика 9 класса

Кузьмина  Максима

Научный руководитель

Кандидат педагогических наук Мещанинова И.А. 
 
 
 
 
 

                                         Москва 2009 
 

Содержание

1. Введение……………………………………………………………………..….3
2. Цель, задачи, методы…………………………….……………………....5
3. Сведения об алхимиках и их деятельности…………………………………..………………………..….…6
4. Алхимические рецепты получения минеральных кислот..8                                                    
5. Анализ текстов………………………………………………………..………9
6. Экспериментальная часть……………………………………….…….12
7. Сравнение алхимических рецептов с современными промышленными способами получения серной, соляной и азотной кислот………………………………………………………………18
8. Выводы………………………………………………………………………...20

Введение

       Возраст планеты Земля составляет 4,5 миллиарда лет. Ее формирование, зарождение жизни, появление первого человека – все это химические процессы. В каждый момент времени происходит  огромное количество химических реакций как на Земле, так и в живых организмах, в том числе в человеке.

  С древних  времен люди хотели понять, как устроена жизнь, из чего состоит Земля, почва, горные породы,  почему разные предметы обладают самыми разными особенностями. Но, вероятно, из-за отсутствия у первых людей  письменности и начальных знаний о предмете изучения, почти все мысли и догадки так и остались в прошлом.

  Однако потребовалось много времени с момента появления первых языков, чтобы люди начали записывать накопленные знания и анализировать их. Это  произошло примерно в V веке до н.э., а сей момент и принято считать датой зарождения алхимии.

  Что же такое  Алхимия? Слово Алхимия произошло от латинского Alchimia, Alchymia и от греческого Chemi. Согласно определению, алхимия, как «наука - общее название существующих в различных культурах систем трансформации человека, основанных на метафоре химических превращений и использующих понятия химических соединений» (БСЭ).   То есть, алхимики стремились не только достичь умения создавать вещества и трансформировать их, но и сделать человека сильнее. Так, алхимики пытались создать питьевое золото, которое, по их мнению, способно было вылечить любые болезни. Этот препарат представляет собой лишь измельченное в пыль золото. А через несколько веков ученые подтвердили факт пагубного воздействия золота и серебра на бактерии. Но впоследствии понимание термина «Алхимия» было вульгаризировано из-за многочисленных и так и не увенчавшихся успехом попыток получения алхимиками драгоценных металлов, снадобий, философского камня, универсального растворителя, того самого питьевого золота и других обладающих чудесными свойствами веществ (Рабинович, с.  , Джуа М.   , с.  ).

  Людей, занимавшихся этой наукой, называют алхимиками. Они  изучали способы получения различных веществ. Но изучить все рецепты просто невозможно. Поэтому я остановился на способах получения кислот, ведь для алхимиков была очень важна способность кислот «превращать металлы в газ». Кроме того с их помощью также получали многие соли. Я попытаюсь изучить и проанализировать фрагменты работ, а некоторые из них и объяснить с точки зрения современной химии. 

           Цель, задачи, методы работы

Цель:

Выяснить, какие химические процессы происходят в реакциях, соответствующих  алхимическим рецептам получения минеральных кислот.

Задачи:

1. Найти  способы получения минеральных кислот, записанные в трактатах алхимиков, осуществить в лаборатории и объяснить с помощью современной науки химии.
2. Изучить способы получения кислот, сравнить с способами получения их  в современной промышленности.

Методы:

1. Изучение первоисточника, литературы по истории химии,  критической литературы.
2. Проведение опытов.
3. Применение знаний современной химии для объяснения опытов и рецептов.

 Сведения об алхимиках и их деятельности.

  Историки химии  различают несколько периодов становления  химии: период элементов стихии( люди наблюдают за явлениями и вычленяют их), период атомистики (люди рассуждают о реакциях, делая логические умозаключения), преиод алхимии и период химии, который также состоит из нескольких периодов.(Джуа М.) До сих пор ученые ведут споры о первом алхимике. Одни утверждают, что им был римлянин Тит Лукреций Кар - (I век до н.э.). Однако, преимущественно он занимался философией, будучи учеником Эпикура. Единственный его вклад в историю всей химии – поэма «О природе вещей». В ней он рассказывает идею своего наставника о существовании пустоты и невидимых атомов, которая объясняет все многообразие явлений окружающего мира - ветры и бури, распространение запахов, испарение и конденсацию воды. Он не проводил опыты. Особенность древнегреческой философии состоит в создании мысленных экспериментов и в понимании смысла окружающего мира через логические умозаключения. 

  Следующий по исторической хронологии идет Джабир ибн Хайян. он и его ученики однозначно являлись алхимиками, так как до нас дошли многие рукописи по этой науки, приписываемые этим людям учеными.

Абу Абдаллах Джабир ибн Хайян ад-Азди ас-Суфи – знаменитый арабский алхимик, врач, фармацевт, математик и астроном. Джабир родился в 721 году в Хакасии, в местечке с названием Тус, скончался в 815 г. в Куфе, в Ираке, однако, большую часть жизни прожил в Багдаде. В Европе, где он пользовался большим авторитетом  как при жизни, так и до конца средневековья. Джабира почитают до сих пор. Его звали латинизированным именем Гебер . (БСЭ)

  Великий алхимик, как полагают, написал всего несколько  работ из сотен, подписанных его  именем. Наиболее известное его произведение – «Книга семидесяти». Джабир  вместе со своими учениками провели множество безуспешных опытов получения эликсира. Тогда считалось, что сухие испарения, конденсируясь в земле, образуют серу, мокрые – ртуть. Затем, соединяясь в разных пропорциях, они образуют металлы. Но длится это веками. Вероятно, такое представление о происхождении металлов связано со сложностью их добычи и различения. Алхимики верили, что существует Эликсир, способный ускорить этот процесс. А если узнать нужные соотношения ртути и серы и с помощью Эликсира превратить их в металл, то получится золото – благороднейший из металлов.

  Важной задачей было получение универсального растворителя, способного «превращать любые вещества в газ». То есть, кислоты.

  Джабир с  учениками изобрели методы получения серной, уксусной, крепкой (азотной) и царской( смеси 1 объема азотной и 3 объемов соляной) кислот. Однако самые совершенные способы были описаны Псевдо – Гебером, то есть так и оставшимся неизвестным ученым, подписывавшимся именем Гебера. Множество ученых затем совершенствовали рецепты по получению кислот. 
 
 
 
 
 

Алхимические  рецепты получения  минеральных кислот 

  Для изучения и анализа я взял рецепты получения трех минеральных кислот. Это серная, азотная и соляная кислоты.

  Подробного  описания метода приготовления серной кислоты написанного самим Джабиром я не нашел, но согласно энциклопедиям, алхимик получал ее перегонкой купоросов.

  Способы получения  азотной кислоты согласно рукописям :

  Альберта Великого: «Возьми один фунт кипрского купороса, полфунта селитры и четверть фунта йеменских квасцов»

  Хофера «Возьми две части селитры и одну часть жженых квасцов; хорошо измельчив и смешав, перегонять из стеклянной реторты»

  Луллия: « Получать ее необходимо перегонкой равных весовых частей купороса, киновари и селитры».

  Способ получения  царской водки, то есть, соляной кислоты: «Возьми совершенно сухого венгерского синего купороса и селитры, более фунта нашатырной соли. Сделай из этого крепкую водку в стеклянном, хорошо замазанном сосуде, снабженном стеклянной крышкой или колпаком.» (Рабинович).

                       Анализ рецептов.

  В современном  языке не все упоминаемые названия сохранились.  Можно выделить известные и требующие расшифровки названия:

  Устаревшее  название             Смысл термина

  Селитра…………………………….  нитраты

  Купорос……………………………кристаллогидраты сульфатов

  Кипрский/ венгерский купорос……………..медный купорос

  Киноварь………………………….сульфид ртути(II)

  Квасцы …………………………..двойные(катионы одновалентного и трехвалентного металла, например, K⁺, Al³⁺) соли, кристаллогидраты сульфатов 

  Йеменские квасцы……………………алюмокалиевые сульфаты 

  После того, как  я смог определить вещества, участвующие  в реакциях, мне необходимо было объяснить эти реакции. Среди алхимических рецептов я нашел способы приготовления серной кислоты. Алхимики советуют получать ее перегонкой купоросов. Вот и первый ключ. Далее объяснять процесс стало легче. Во всех реакциях исходным веществом для получения серной кислоты являются купоросы, то есть кристаллогидраты сульфатов. Серная кислота была первая, специально полученная сильная минеральная кислота. Ее использовали в дальнейшем для получения других минеральных кислот из известных в то время минералов, поскольку она сильная, нелетучая кислота, а также сильный окислитель. Значит, серная кислота может вступать в реакции обмена с образованием сильных летучих (соляная, азотная) или слабых кислот. А это означает только одно – серная кислота очень важна для алхимиков.

  Железный купорос( FeSO₄*7H₂O) при небольшом нагревании дегидратируется, то есть разрушается кристаллогидрат с выделением паров воды. При этом образуется серная кислота, вода  и оксид железа(II), который вследствие контакта с кислородом и при нагревании окисляется до железаIII. Таким образом, суммарный процесс можно записать следующим уравнением реакции:

   FeSO₄*7H₂O àFe₂O₃ + H₂SO₄ + 6H₂O.

  Серная кислота испаряется при температуре 279 градусов. Следовательно, при 200 °С вода испаряется, а кислота – нет. В сосуде остается только концентрированная серная кислота и оксид железа (II).

  А теперь я  попробую объяснить реакцию получения азотной кислоты. При воздействии серной кислоты на нитрат калия образуется азотная кислота и сульфат калия. H₂SO₄ + KNO₃ à HNO3 + K₂SO₄. При температуре меньше 279 °С испаряется только азотная кислота, которая при перегонке представляет собой газ NO₂ и воду H₂O. Охлаждаясь, оксид азота IV взаимодействует с водой, растворяясь в ней почти полностью, и образует азотную кислоту и оксид азота (II). Но зачем же сульфид ртути? Дело в том, что когда он взаимодействует с азотной кислотой, то образуется двуокись азота, которая растворяясь в перенасыщенном растворе азотной кислоты сообщает ей красный цвет. Помимо того киноварь сама имеет красный цвет, так что смесь после добавления киновари имеет яркий кроваво-красный оттенок. Но это имеет просто мистический смысл для алхимиков_. однако, при добавлении воды избыток диоксида азота окажется полезным для получения новой азотной кислоты.

      Азотная кислота обладает сильными окислительными свойствами, но в поисках «универсального растворителя» ученики великого Джабира сумели придумать состав, обладающий еще более сильными окислительными способностями, которому дали название «Царская водка» за способность растворять «царя металлов» - золото. В состав этой чудесной кислоты входит один объем азотной и три объема соляной кислоты. Смесь является сильнейшим окислителем благодаря выделению газа хлора и хлористого нитрозила NOCl (3HCl + HNO₃ → Cl₂ + NOCl + 2H₂O) (БСЭ). Объяснение взаимодействия царской водки с золотом состоит,  в частности, в образовании комплексного соединения H[AuCl₄]. Этот рецепт очень похож на предыдущий, только здесь в составе присутствует соляная кислота. Сначала надо получить азотную кислоту способом, описанным мною раньше. Понятно, что при воздействии HNO₃ на NH₄Cl (нашатырную соль) и образуется HCl. А реакцию можно записать следующим образом: : HNO₃ + NH₄Cl → NH₄NO₃ + HCl, так как азотная кислота летучая, то в реакции используется ее смесь с водой, но кислота смешивается с ней в любых соотношениях(Wikipedia). В данной же реакции нужен концентрированный раствор. В рецепте написано, что царскую водку надо получать в хорошо замазанном сосуде. Это условие для того, чтобы летучая азотная кислота до конца прореагировала с солью с образованием соляной кислоты. Но помимо азотной и соляной кислот в сосуде также образуется серная кислота. Чтобы отделить от смеси азотную кислоту, смесь надо нагреть чуть выше 83^оС ( температура кипения азотной кислоты) и собрать пары в другом сосуде с помощью газоотводящей трубке. Затем трубку можно опустить в полученную азотную кислоту, а смесь нагреть до 110 градусов, тогда испарится вся соляная кислота и смешается с азотной. При этом серная кислота, оксид железа и соли останутся в сосуде.

          Экспериментальная часть.

Проанализировав рецепты, я решил подтвердить правильность моих предположений опытами.

  Опыт №1

  Цель : понять, как при нагревании купорос образует серную кислоту.

  Порядок работы:

1. В перегонный сосуд поместили сульфат железа (II)
2. К сосуду подсоединили газоотводную трубку.
3. Перегонный сосуд поставили на спиртовку.

Наблюдения: поначалу в сосуде было видно обильное кипение жидкости, а в газоотводной трубке – образование конденсата.  А среда в жидкости оказалась кислотной. Но тут я почувствовал характерный неприятный запах диоксида серы. Значит, высший оксид серы разложился на сернистый газ и кислород. Чтобы проверить, была ли получена серная кислота, мы добавили к жидкости хлорид бария. Но предполагаемого осадка не выпало. Значит, это не серная кислота. Вероятно, кислота из-за сильной температуры просто разложилась на воду, сернистый ангидрид и кислород.

Я обратился за помощью к справочникам, где выяснил, что температура разложения серной кислоты = 338^о С.

Поэтому мне необходимо было провести еще один эксперимент, но с более низкой температурой 

Опыт №2

Цель: получить серную кислоту путем перегонки железного  купороса.

Порядок работы:

1. В колбу для перегонки мы положили железный купорос,

(к сосуду присоединили  газоотводную трубку).

2. Проверили температуру плитки, она была в пределах 338 градусов, но не меньше 279. Дело в том, что при температуре больше 338⁰ кислота разлагается на воду, диоксид серы и кислород, а температуре меньше, чем 279⁰ кислота просто не испаряется.

 После проверки  температуры мы также проверили  герметичность соединения трубки с сосудом.  Все готово. Начинаем эксперимент.

Поначалу из сосуда выделялась жидкость, являющаяся нейтральной  – вода. А затем в приемном сосуде среда сменилась на кислотную. Согласно предположению о процессе, протекающем в реакции, сформулированному  мной перед этим, жидкость должна была являться серной кислотой.       

4. Чтобы проверить  это, мы добавили к ней раствор  хлорида бария. Как и предполагалось, выпал осадок – сульфат бария.  Значит, это действительно серная  кислота. 

  Так я смог получить одну из самых важных кислот. Помимо метода получения серной кислоты из сульфатов, известен факт получения ее из квасцов. Однако вследствие того, что они были труднодоступными, чаще все – таки использовался способ, описанный мною.

  Опыт № 3

  Цель: получить азотную кислоту.

  Порядок работы:

  1.В сосуд  для перегонки мы поместили  калийную селитру и железный  купорос, к склянке прикрепили  газоотводящую трубку.

  2. Затем проверили  температуру плитки (она должна  быть не меньше 100 градусов и  не больше 279, чтобы могли испаряться  только вода и азотная кислота, а серная кислота – оставаться в сосуде). Температура была 239 градусов, что нас вполне удовлетворило.. Удостоверившись в правильности условий, мы начали процесс перегонки.

  Поначалу было видно активное выделение жидкости, судя по реакции на нее индикаторной бумажки, а точнее, по отсутствию таковой можно было определить, что это – вода. Однако, вскоре из газоотводной трубки начал выделяться бурый газ, а индикатор показал кислотную среду. Это определенно двуокись азота. При контакте с накопившейся в приемном сосуде водой, цвет терялся, а среда в жидкости оказалась кислотной. Реакцию можно записать следующей формулой: H₂O + NO₂à HNO₃ + NO. Таким образом я описал метод, который, вероятнее всего, изобрел Джабир более 1200 лет назад. Кислота является сильной. Поэтому мы решили проверить, действительно ли это азотная кислота следующим образом. В полученную жидкость мы опустили медную проволоку. Сразу же на ней начали образовываться пузыри бесцветного газа. Это был оксид азота (II)( А раствор приобрел синий оттенок нитрата меди. Значит, это была азотная кислота. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Получение кислот в современной        промышленности.

  В современной  химической промышленности получение  кислот занимает особое место. Сейчас обществу необходимы огромные запасы кислот для самых разных целей. Конечно, современные способы их получения сильно отличаются от тех, с помощью которых получали кислоты алхимики. Производство занимает огромные масштабы, потому и себестоимость чистого продукта ниже. Но алхимикам важно было не количество и стоимость готового продукта, а он сам. Но чтобы понять, как шагнуло вперед производство, я сравню современные методы получения кислот с методами алхимиков.

  Серную кислоту  в промышленности получают двумя способами. Но чаще всего используют контактный способ получения серной кислоты. На первой стадии получают диоксид серы окислением пирита или самородной серы. Вторая стадия – окисление сернистого газа до оксида серы(VI) в присутствии катализатора – оксида ванадия. Полученный высший оксид растворяют в воде, точнее, в концентрированной серной кислоте. При этом получается раствор оксида серы (VI) в серной кислоте – олеум. Это экзотермическая реакция.          Второй способ – окисление пирита с образованием диоксида серы и последующим окислением до оксида серы (II) 4FeS₂ +11O₂ = 2Fe₂O₃ + 8SO₂. Второй способ дешевле, так как минерал пирит встречается чаще, чем сера в чистом виде.

  Теперь  хорошо видно, что в современной  промышленности для получения серной кислоты  серу окисляют до нужной степени окисления. А в рецептах алхимиков сера в высшей степени окисления уже имеется в исходных веществах.

  Современной способ производства азотной кислоты основан на каталитическом окислении синтетического аммиака на платино -родиевых катализаторах ( по методу Габера) до смеси оксидов азота (нитрозных газов), с дальнейшим поглощением их водой. И опять же в рецептах алхимиков в отличии от современных рецептов, азот в нужной степени окисления присутствует в исходных продуктах.

  Соляную кислоту  сейчас получают сжиганием водорода в хлоре.  
 
 
 
 
 

                                Выводы.

  Итак, я проанализировал рецепты алхимиков, химические реакции в них, затем сравнил их с современными методами получения кислот. Я выяснил, что для получения кислот из нескольких способов алхимики выбирали те, в которых исходные вещества наиболее доступны. Так,  для получения серной кислоты, алхимики брали сульфат железа, но не квасцы. Это связано с распространенностью первых в отличии от квасцов. Так же я обнаружил, что во всех рецептах алхимиков изначальные вещества уже содержали элементы со степенью окисления готовых продуктов.

  Сейчас способы алхимиков применяются только в лабораториях с учебной целью, чтобы показать пример реакций замещения. В промышленности же используют более сложные, но более дешевые в связи с массовым производством способы. Так же в большинстве из них не остается побочных продуктов (солей), так как современные способы получения кислот основаны на окислительно – восстановительных реакциях при горении водорода в хлоре (способ получения соляной кислоты) или при горении серы в кислороде ( серная кислота). И такие способы позволяют существенно экономить ресурсы Земли, так как минералы, задействованные в алхимических рецептах, важны и для других целей помимо получения кислот. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Лит -ра