литиевые соли важнейших кислот-окислителей чрезвычайно гигроскопичны. Главный излучатель красного цвета пламени в пиротехнических смесях — монохлорид стронция SrCl. В результате термического возбуждения он испускает кванты света с длиной волны 636, 648, 661, 674, 688 нм. Оксид стронция, а также моно-, фторид и монобромид не дают интенсивного и чистого красного излучения в пламени. Теоретически монохлорид стронция можно получить в пламени по реакциям:
SrO + 1/2Cl2 + С = SrCl + CO
SrO + 1/2C2Cl6 = SrCI + CO + Cl2,
2SrO + Cl2 (изб.) = 2SrCl + O2,
2SrCl2 = 2SrCI + Cl2.
Эти равновесные процессы могут протекать только при недостатке кислорода. Оксид стронция образуется при разложении нитрата, карбоната или оксалата, используемых обычно в пиросмесях. А вот хлорид стронция (SrCl2) по гигроскопичности сравним с хлоридом кальция и в смесях не применяется. Поэтому последняя из реакций маловероятна. Источник хлора в пиросмесях — это обычно хлорат калия, перхлорат калия или аммония, а также хлорорганические соединения. Из последних наиболее доступен и безопасен (не дает летучих ядовитых паров) перхлорвинил (ПХВ,ПВХ) в виде опилок (порошка). Таким образом, составы красного огня должны содержать, кроме окислителя и горючего, соединение стронция (окислителем может быть полностью или частично нитрат стронция) и источник хлора. Пламя таких составов должно быть восстановительным, то есть смеси содержат избыток горючего. Чистота цвета пламени достигает 80 % от интенсивности всего видимого излучения пиросмеси.
Желтый излучатель наиболее доступен. Это, например, возбужденные атомы натрия, испускающие кванты света с длиной волны 589 нм. Выше 1000 °C большинство соединений натрия легко диссоциирует, и в пламени появляется линейчатый спектр излучения атомарного металла. В крупных городах улицы вечером освещают натриевые лампы, в которых пары металла возбуждаются электрическим разрядом. Желтое пламя легко получить, если использовать в качестве окислителя натриевую селитру. Менее гигроскопичными будут составы с нитратом калия, калий дает в видимой области бледно-фиолетовое пламя. Эффективным источником атомов натрия в этом случае может быть его оксалат (несколько хуже — карбонат). Чистота цвета достигает 80 %. В присутствии галогенов желтое излучение натрия ослабляется, что весьма полезно для составов красного и зеленого пламени.
Зеленое пламя. Зеленый свет испускают возбужденные атомы таллия (535 нм), соединения бора и меди. Однако наиболее эффективный излучатель — монохлорид бария ВаСl. Соединения таллия чрезвычайно ядовиты, бор дает обычно малоинтенсивную окраску, дигалогениды меди с зелеными полосами в спектре испускания достаточно гигроскопичны и несовместимы с более активными металлами, которые входят в состав горючего. Оксид бария и другие, его галогениды содержат в спектре испускания много желтых полос. Реакции получения в пламени ВаСl те же, что и в случае монохлорида стронция. Поскольку, в отличие от стронция хлорат бария малогигроскопичен, раньше были популярны составы на основе Вa(Сl3)2∙Н2O. Но они обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, поэтому сейчас их не производят. Если вы читали предыдущее занятие, то пользуясь таблицами 1 и 2, вы можете сами сравнить по степени опасности хлорат бария с бертолетовой солью. (Кстати, а любом случае необходимые константы всегда можно найти в "Справочнике химика" или каком-либо другом химическом справочнике.) Для зеленого пламени важно то же, что и для красного — в смеси необходим источник бария и хлора, недостаток окислителя. Чистота цвета составов зеленого пламени может достигать 80 %.
Синее пламя. В отличие от рассмотренных выше цветов, синее пламя имеет невысокую чистоту и интенсивность. До сих пор нет оптимальных излучателей синего спектра. Синий цвет излучают возбужденные атомы индия (451 нм), сине- зеленый цвет придают пламени соединения цинка, сине-фиолетовый — соединения рубидия и галлия. Однако индий и галлий — редкие металлы, а излучатели на основе цинка малоинтенсивны. В пиротехнике синее пламя получают, используя в качестве излучателя молекулы монохлорида меди CuCl (спектральные полосы излучения при 429, 442, 476, 485, 488 нм). Монохлорид меди испускает кванты в синей части видимого спектра при температуре не выше 1200 °C в восстановительном пламени. В современных составах синего пламени чаще всего используют смесь перхлората аммония с уротропином (избыток горючего) и добавкой нескольких процентов монохлорида меди. Чистота цвета не превышает 30 %. Ранее, чтобы получить синее пламя, брали горючую смесь хлората калия с серой и 15–20 % малахита. В такой смеси сера способствует выделению свободного хлора по реакции:
КСlO3 + S = K2SO4 + SO2 + Cl2
Добавки хлорорганических соединений позволяют обойтись без серы. При разработке составов синего пламени на основе соединений меди не забывайте, что последние реагируют с более активными металлами, особенно в присутствии влаги. Из-за невысокой спектральной чистоты синего пламени требуется тщательная очистка исходных реактивов.
ЗАНЯТИЕ № 6
Будем считать, уважаемые читатели, что вы уже достаточно хорошо освоили элементарные теоретические основы пиротехники. (См. предыдущие занятия.) Пора переходить к практическим занятиям. Их основная цель предполагается та же, что в Специализированном учебно-научном центре МГУ и в летней школе "Химера" — изготовить фейерверк самим. А для начала несколько общих замечаний.
Учтите, что даже самый простой фейерверк — это прежде всего тяжелая работа, требующая физических усилий, терпения и аккуратности. Мы, например, посчитали, что стандартная фейерверочная ракета и при налаженном производстве требует для изготовления в 300–400 раз больше времени, чем для полета. Кстати, как показывает мой опыт, молодые люди обычно не могут проделать всю работу от начала до конца. У девушек терпения больше.
Вам потребуется довольно большой ассортимент реактивов, материалов, инструментов. Поскольку вы будете накапливать запас различных пиротехнических смесей и вспомогательных изделий (стопин, звездочек и тому подобного), я категорически не советую заниматься такой работой дома. Это опасно хотя бы потому, что готовые фейерверочные изделия, полуфабрикаты и смеси совершенно недопустимо хранить в одной комнате. Оптимальный вариант — найти достаточно смелого учителя, готового предоставить школьный кабинет химии для пиротехнических экспериментов (крайний случай это сарай, лучше кирпичный, понятно почему?).
ВНИМАНИЕ! Автор не может отвечать за результаты работ, если вы колдуете дома и без помощи квалифицированного руководителя. Если вы правильно и полно ответите на вопросы, составленные в основном по темам предыдущих публикаций, то вступите в наш пироклуб. И сможете получать новости и технологии фейерверочного искусства. Конечно, вам придется порыться и в других книгах. Не запрещены консультации у грамотных химиков.
ЗАНЯТИЕ № 7. ИСТОРИЯ ПОРОХА
Давайте отвлечемся немного от химической термодинамики и поговорим о прошлом. История создания черного пороха, служившего единственным взрывчатым веществом в течение по крайней мере 600 лет, тесно переплетена с историей развития промышленного неорганического синтеза.