Загадки современной химии. Правда и домыслы

В то время как опыты с метаноловым торнадо практически никогда не сопровождаются подобными происшествиями, другая демонстрация – «Опыт с радужным пламенем» – нередко приводит к ожогам опять-таки из-за того, что учителя по невежеству не соблюдают технику безопасности. Тем не менее, этот эксперимент очень популярен, так как показывает ученикам, как открывать металлы по окраске пламени, которое они вызывают. Чаще всего опыт проводят следующим образом: на стол ставят ряд чашек Петри с небольшим количеством метанола на дне каждой из них. В метаноле растворены соли металлов. Когда спирт поджигают, над столом вспыхивает огненная радуга, потому что соли натрия окрашивают пламя в желтый цвет, меди – в синий, бора – в зеленый, калия в лиловый, лития – в карминовый, а стронция – в красный.

Принцип заключается в том, что жар пламени заставляет электроны металлических ионов переходить на более высокие энергетические уровни, а когда они снова возвращаются на исходные уровни, излучается квант света. Так как разница в энергиях разных уровней является специфической для атомов каждого металла, то каждый металл испускает лучи «своего» определенного цвета, другими словами, по цвету можно определить, какой металл находится в пламени. Яркие цвета фейерверков, интенсивное стронциевое пламя красного аварийного фонаря и желтое свечение натриевых светильников – все это следствие упомянутых электронных переходов.

Несчастные случаи при демонстрации огненной радуги происходят, когда воспламеняется сосуд с метанолом, который ни в коем случае не должен находиться вблизи открытого огня. Как правило, несчастье случается, когда экспериментатор пытается оживить огонь, подлив немного спирта в чашки. Пламя поднимается по струе спирта и воспламеняет содержимое бутылки. Приблизительно то же самое происходит, когда пытаются подлить жидкость для розжига в горящие угли барбекю. Человек, который это делает, рискует получить тяжелые ожоги.

Пугающее число несчастных случаев с огненной радугой привело к фактическому запрещению этой демонстрации в школах и университетах. Я бы, конечно, предпочел, чтобы преподаватели были лучше знакомы с техникой безопасности и неустанно повторяли ученикам и студентам, что бутыль с метанолом надо тщательно закрыть и убрать в шкаф после того, как спирт будет разлит по чашкам. Конечно, этот принцип можно продемонстрировать и без метанола. Для этого надо соль исследуемого металла положить на платиновую, золотую или серебряную проволочку, а затем провести ее сквозь пламя горелки Бунзена. Платина, золото и серебро не окрашивают пламя, поэтому окрашивание возникает только благодаря исследуемым образцам.

Есть и еще одна основательная причина проводить опыт с горелкой Бунзена. Студентам можно рассказать интересную историю о том, как Роберт Бунзен изобрел свою горелку для того, чтобы исследовать цвета, продуцируемые металлами, помещенными в пламя. Задолго до этого Исаак Ньютон показал, как можно использовать призму для разложения белого света в радужный спектр, а Бунзен приложил этот принцип для разделения цветов пламени на их индивидуальные компоненты. Вместе с физиком Густавом Кирхгофом он разработал спектроскоп, инструмент, который до сих пор используют для обнаружения неизвестных веществ по цветам, которые они испускают при нагревании. Состав звезд, например, исследуют при помощи спектроскопического анализа их света. Поистине, спектроскоп – это небесное изобретение.

Захватывающая химия

Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Живая демонстрация опыта стоит сотни картинок. Это особенно верно, когда речь идет о химии. Я и сегодня живо помню эпический момент на вводном занятии по физической химии, когда наш преподаватель смешал два бесцветных раствора, и в течение нескольких секунд жидкость окрасилась в темно-синий цвет. Аудитория дружно ахнула! Увы, это была единственная демонстрация, какую я наблюдал за все время пребывания в колледже. Позже я узнал, что меня потрясла классическая реакция «йодные часы», названная так, потому что реагенты можно подобрать так, что оказывается возможным точно предсказать время протекания реакции.

Суть реакции – в соединении йода с крахмалом, которое приводит к появлению темно-синего окрашивания. Многих студентов впечатляло разрезание картофелины пополам и опрыскивание разреза настойкой йода, отчего срез немедленно синел. Действительно, йод почти всегда используют для выявления в каком-либо образце вещества крахмала. Например, при созревании яблока сладость плода возрастает по мере того, как крахмал превращается в простые сахара. Благодаря этому фермеры могут проверять степень зрелости плодов, опрыскивая поверхность разреза йодом. Если это приводит к появлению интенсивного синего окрашивания, значит, плоды еще не созрели. В этом случае окраска появляется практически мгновенно. Для того чтобы оттянуть этот момент, надо использовать более тонкую химию.