Занимательная химия для детей и взрослых - Илья Леенсон

Однако и в мирное время существует чёткая тенденция удешевлять монеты, по возможности не меняя их внешний облик. Причина одна: из-за инфляции стоимость металла начинает превышать номинал этих монет. В результате приходится отказываться от традиционных монетных металлов и искать им замену.

Происходит это даже в такой богатой стране, как США. Там с 1965 г. стали чеканить 10-центовые монеты – «даймы» с профилем Рузвельта не из высокопробного (90 %) серебра, а из медноникелевого сплава, очень похожего на серебро, так что внешний вид монеты практически не изменился. Прошло немного времени, и появилась необходимость экономии и на меди: чеканка самой мелкой медной монеты США (1 цент, или «пенни» с изображением Линкольна) стала нерентабельной. В результате с осени 1982 г. металл этих монет изменился. И на этот раз подмена была сделана так искусно, что простые люди это даже не заметили. Но заметили химики!

В 1983 г. американский химик Дж. М. Миллер из г. Мадисона (штат Нью-Джерси) развлекался тем, что с помощью рентгенофлуоресцентного спектрометра анализировал состав разных монет. Этот метод позволяет проводить качественный и количественный анализ металлов и их сплавов без разрушения образца. Анализ показал, что центы, выпущенные до 1982 г., изготовлены из меди с добавкой 5 % цинка. Каково же было удивление Миллера, когда, взяв новенькую монетку 1982 г., он обнаружил, что прибор показывает наличие практически чистой меди, хотя медь дороже цинка. Миллер навел справки и выяснил, что монетный двор США вовсе не работал себе в убыток. Как раз наоборот: новые центы только снаружи покрыты медью, внутри же они цинковые, а цинк дешевле меди. Внешне они не отличаются от старых, только немного легче. В результате общее содержание меди в центах снижено с 95 до 2,5 % – солидная экономия для такого массового производства. Для определения содержания меди Миллер снимал медь с монеты электрохимически. Интересно, что в 1982 г. выпускались монеты обоих типов, а с 1983 г. – только цинковые с медным покрытием.

Прошло не так уж много времени, и чеканка даже цинковых монет стала нерентабельной – стоимость металла в них, хоть и ненамного, превысила номинал. А себестоимость пятицентовых монет достигла 7 центов. Опасаясь массовой переплавки монет на металл с целью извлечения выгоды, правительство США издало закон, карающий подобную деятельность большим штрафом и тюремным заключением. Правда, пока таких «умельцев» не обнаружено. Во многих странах для экономии дорогой меди чеканят монеты из намного более дешевой стали и только сверху покрывают тонким слоем меди или медного сплава. Это позволяет использовать такие монеты для интересного химического эксперимента.

Монеты, как старые, вышедшие из употребления, так и находящиеся в обращении, могут служить прекрасной иллюстрацией законов химии. Можно провести такой забавный опыт: слегка соскоблить надфилем краешек современного американского цента и положить его в разбавленную соляную или серную кислоту. В течение нескольких дней кислота будет все дальше и дальше проникать в монету, постепенно выедая ее цинковое нутро и не затрагивая оболочку, пока не останется легкий медный чехольчик. Точное взвешивание поможет определить толщину медного по крытия (конечно, для этого нужно измерить его площадь, что не так сложно).

А можно ли поступить наоборот – снять с этих монет тонкий наружный слой меди, оставив нетронутым цинковую начинку? Казалось бы, это невозможно: цинк намного активнее меди, так что любая кислота, растворяющая медь, намного быстрее будет реагировать с цинком. И как только в каком-то месте монеты обнажится цинк, дальше будет растворяться только он. Правда, если взять монету пинцетом, погрузить ее (в вытяжном шкафу!) в концентрированную азотную кислоту и немедленно промыть водой, немного меди растворится: Cu + 4HNO3 = Cu(NO3)2 + 2NO2 + 2H2O. Операцию нужно повторить несколько раз, пока не пока жется цинк, после чего хорошо промыть монету водой и слегка отполировать ее (подойдет зубная паста). Найти реагент, избирательно действующий в этих условиях только на медь, непросто. Известно, что одновалентная медь, в отличие от цинка, образует довольно прочные комплексные йодиды, а также нерастворимый йодид. Эксперимент показал, что этим свойством меди можно воспользоваться. Для этого нужно смешать концентрированные растворы йодида калия и сульфата меди (медного купороса). Образующийся в реакции 2KI + CuSO4 = CuI2 + K2SO4 йодид меди(II) неустойчив и тут же распадается: 2CuI2 = 2CuI + I2. Белый йодид меди(I) растворяется в избытке йодида калия: CuI + 2KI = K2CuI3, а свободный йод с йодидом калия образует комплексный трийодид KI3 бурого цвета. Если каплю полученного раствора нанести равномерно на поверхность монеты, она сразу же покроется тонким белым налетом CuI, а бурый раствор обесцветится – это металлическая медь прореагировала с трийодидом калия в растворе. Монету теперь нужно промыть, протереть чистой тряпочкой и повторить весь процесс несколько раз, пока не будет снята с поверхности почти вся медь. Так как цинк тоже частично реагирует с KI3, лучше не доводить процесс до снятия всей меди.

Эти одноцентовые монеты сделаны из цинка и покрыты тонким слоем меди. На левой монете медное покрытие частично удалено химическим способом

Намного проще снять медь или медный сплав со стальных монет. Такие монеты выпускали (и сейчас продолжают выпускать) во многих странах. Покрытие наносят либо путем электролиза, либо плакированием – прокаткой стального листа между двумя тонкими листами из меди или ее сплава. Стальные монеты с латунным покрытием достоинством 1 рубль, 5 и 50 рублей чеканили в нашей стране в начале 1990-х годов (они сохранились во многих семьях). А в 2006 г. стальными стали и наши современные 10– и 50-копеечные монеты. С помощью магнита легко убедиться в том, что все эти монеты имеют стальную основу; видна сталь также на боковом ребре монеты – гурте. Это позволяет провести с такими монетами эффектный опыт: снять с них медный сплав, обнажив стальное нутро.

Положим монеты на несколько дней в плотно закрывающуюся баночку, зальем их водным раствором аммиака и добавим немного окислителя; лучше всего подходят соли пероксодисерной (надсерной) кислоты – надсульфат калия K2S2O8 или аммония (NH4)2S2O8 (перекись водорода не годится, так как в присутствии соединений меди она подвергается быстрому каталитическому разложению: 2Н2О2 = 2Н2О + О2). Довольно быстро раствор начнет окрашиваться в голубой, а потом – в красивый темно-синий цвет, что свидетельствует о растворении медного сплава: медь в присутствии окислителя и аммиака образует комплексные аммиакаты [Cu(NH3)4]2+, тогда как на сталь аммиачный раствор не действует. Когда все покрытие растворится, останутся «железные» монеты довольно необычного вида, как это видно на фотографии; на ней рядом с обработанными химически расположены монеты в их первоначальном виде. Если аммиака в растворе недостаточно, а надсульфата, наоборот, – избыток, поверхность монеты покрывается чёрным слоем оксида меди.