Торнадо, радуга и химия

Моисей, воспользовавшись помощью свыше, смог разделить воды Красного моря, а огненный столп преградил путь войскам фараона, преследовавшим евреев. Это одна из самых запоминающихся сцен классического фильма Сесила ДеМилля, снятого в 1956 году – «Десять заповедей». В этом фильме огненный столп был создан талантливыми аниматорами, но его можно сделать и весьма реалистичным с помощью химии. Я сейчас имею в виду классический эффект, известный под названием «метанолового торнадо». Но, прежде чем перейти к дальнейшему изложению, хочу повторить свою привычную мантру: «Не существует безопасных или опасных веществ, есть безопасные и опасные действия с ними». Метанол – это классический пример такого рода. Этот простой спирт не только очень легко воспламеняется, он, кроме того, очень ядовит при попадании внутрь и даже на кожу. Это, однако, не означает, что им нельзя пользоваться. Просто надо соблюдать меры предосторожности.

Для демонстрации требуется решетчатая металлическая корзина для мусора, вращающаяся платформа, плоская чашка, на дно которой надо налить несколько миллилитров метилового спирта, химикат, окрашивающий пламя и источник огня. Корзину ставят на вращающуюся платформу. На дне корзины находится чашка с метанолом. Вращение платформы после поджигания спирта позволяет получить впечатляющий столб пламени, которое можно, с помощью щепотки нитрата стронция подкрасить в ярко-красный цвет. Думается, что этот фокус лежит в основе множества киношных спецэффектов, но, как гласит старая пословица, играющий с огнем может обжечься. Именно это и случилось с восемью детьми и одним взрослым в музее науки в Рено (штат Невада).

Неизвестно, что там в точности произошло, но главная неприятность заключалась в том, что открытая бутыль с метанолом, откуда несколько миллилитров было вылито в чашку, осталась стоять на демонстрационном столе. Каким-то образом, когда был подожжен метанол в чашке, загорелись пары, выходившие из бутыли. Метанол в бутыли вспыхнул, она опрокинулась, и горящая жидкость хлынула на пол, где сидели дети. Эта демонстрация проводится во всех научных музеях мира с незапамятных времен и без всяких проблем, но здесь было допущено грубейшее нарушение техники безопасности. Бутыль с метанолом ни в коем случае не должна стоять рядом с открытым огнем.

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.