Пирофорные свойства металлов

Фото 2
Фрагмент галитового сростка,
показанного на фото 1:
отчетливо видны каналы
в кристаллах
тая минеральная структура, ориен­
тированная по направлению силы
тяжести, — опознавательный признак
сталактита.
В нашем случае аналогичную роль
выполняло ритмическое испарение.
Повиснув под заберегом, капля на­
чинала испарять воду. На ее поверхности возникало пересыщение, и по
контуру ее основания отлагалось
микроскопическое колечко галита.
Достигнув определенной величины,
капля отрывалась, уступая место но­
вой капле, и колечко наращивалось,
постепенно превращаясь в трубоч­
ку. Капель должна быть не слишком
частой и не слишком редкой. При
чересчур частой капели капля отры­
валась бы слишком рано, не успев
испарить достаточно воды и отло­
жить кристаллический осадок. А при
слишком редкой капели диффузи­
онное перемешивание успевало бы
выровнять концентрацию в объеме
капли, и осадок либо вообще не от­
Зависимость концентрации
насыщения С от размеров
кристаллов d. Для кристаллов,
меньших d0, раствор
с концентрацией С0 недосыщен,
для больших d0 - пересыщен
ШКОЛЬНЫЙ КЛУБ
лагался бы, либо вме­
сто образования ко­
лечка происходило
бы просто наращива­
ние заберега с нижней стороны и в ко­
нечном счете закупо­
ривание
«дырки».
Кристаллы подпитывались и снаружи ра­
створом, подтекав­
шим из соседних ды­
рок, где не возникло
собственной капели.
Так внешняя поверхность трубочки при­
няла форму довольно
крупных кристаллов.
Как ни непривычен их
вид, это самые насто­
ящие
сталактиты,
только не карбонат­
ные, а соляные, галитовые. Последо­
вательность их роста поясняет рис. 2.
Великолепно отлаженный механизм
управляет ростом сталактита.
Но почему не зарастал канал?
Ведь в заполнявшем его растворе
могли возникнуть кристаллические
зародыши и, вырастая, в конце кон­
цов закупорили бы просвет канала.
Во-первых, не забудем, что в ка­
нале находился непригодный для
осаждения кристаллов насыщенный
раствор: кристаллизация могла
идти только снаружи, где возможно
испарение. Но даже если бы в ка­
нале соляного сталактита и появи­
лись «паразитные» зародыши, то
произошло бы их растворение и на­
ращивание за их счет имеющихся
кристаллов. Причина в том, что мел­
кие кристаллы обладают большей
удельной поверхностью, а значит, и
большей поверхностной энергией
на единицу массы, чем крупные. По­
этому в системе раствор — мелкие
кристаллы — крупные кристаллы
энергетически выгодно растворе­
ние мелких кристаллов с одновре­
менным наращиванием крупных.
Иными словами, насыщенный ра­
створ в канале сталактита оказы­
вается недосыщенным для мелких
кристаллов (рис. 3). По этим при­
чинам просвет канала во время ро­
ста сталактита всегда оставался
свободным.
Кандидаты химических наук
лиыбмлА
В.В.Ефремов,
П. А. Дегтярев
а
уроках химии учащиеся узнают, что многие металлы
а уроках
окисляются кислородом воздуха при обычных условиях,
а часть из них при нагревании сгорают в кислороде.
Известны школьные опыты горения натрия, алюминия,
магния, железа в кислороде. Однако большинству
учащихся неизвестно, что многие металлы
в тонкодисперсном состоянии могут самовоспламеняться
на воздухе без предварительного нагревания, то есть
обладают пирофорными свойствами.
Пирофорными называются вещества, способные
самовоспламеняться при контакте с воздухом.
49
В тонкодисперсном виде загораются на воздухе железо,
алюминий, кобальт, никель, магний, марганец и другие
металлы. Пирофорные свойства обнаружены у дифосфина,
триэтилалюминия, желтого фосфора. Принято считать, что
причина самовоспламенения — огромная общая
поверхность порошка, соприкасающаяся с кислородом
воздуха. Другая причина таких необычных свойств
металлов заключается в и с к а ж е н и и кристаллической
решетки малых частиц по сравнению с решеткой
в обычном, компактном состоянии. Механически раздробить
металл до состояния пыли трудно, а с помощью
химической реакции этот опыт получается и в школьной
л а б о р а т о р и и . Порошки металлов можно получить
восстановлением их оксидов водородом. Однако эти опыты
г р о м о з д к и , требуют сильного нагревания и небезопасны.
Интересен, на наш взгляд, опыт по получению
пирофорного железа из оксалата железа (II) и сгоранию
его при комнатной температуре. Наиболее впечатляющий
эффект можно получить, если в темном помещении
высыпать порошок пирофорного железа из п р о б и р к и .
В этом случае мы увидим сноп искр, рассыпающихся
в воздухе.
Пирофорное железо получается при о с т о р о ж н о м
прокаливании оксалата Fe(COO) 2 , разлагающегося
по уравнению (при t>160°C):
Fe(COO),
2CCL + Fe.
Средний размер частиц получаемого металла составляет
около 5 мк.
Если в школьной лаборатории нет оксалата железа, его
нетрудно получить из щавелевой кислоты H 2 C 2 0 4 D2H 2 0 и
железного купороса FeS0 4 D7H 2 0:
НОА + FeS0 4 ® FeC 2 0 4 + H 2 S0 4 .
Чтобы получить небольшое количество (2 г) оксалата
железа, необходимо взять около 2 г щавелевой кислоты
и примерно в два раза больше железного купороса.
В небольшом х и м и ч е с к о м стакане растворяем щавелевую
кислоту и при перемешивании добавляем п о р о ш о к
FeS0 4 D7H 2 0. Тотчас образуется осадок желтого цвета.
Для полного взаимодействия смесь нагреваем на плитке
или спиртовке до 40-5СГС. После охлаждения о с а д о к
FeC204D2H20 отфильтровываем и высушиваем
(желательно в с у ш и л ь н о м шкафу при 6 0 - 8 0 ' С ) .
Далее в сухой пробирке (закрытой пробкой с
газоотводной т р у б к о й , конец которой опущен в баритовую
или известковую воду) нагреваем полученный оксалат
железа до полного почернения порошка. При этом
наблюдается помутнение баритовой воды вследствие
образования н е р а с т в о р и м о г о ВаС0 3 . После опыта
вынимаем газоотводную трубку, а пробирку с железом
плотно закрываем резиновой пробкой и охлаждаем
до комнатной т е м п е р а т у р ы .
Если высыпать пирофорное железо на бумагу, то оно
самовоспламеняется и сгорает красивым и с к р и с т ы м
пламенем, а бумага загорается.
Литература
Васильева З.Г., Грановская А.А., Таперова А.А. Лабора­
торные работы по общей и н е о р г а н и ч е с к о й х и м и и .
М.: Химия, 1979.
Верховский В.Н. Техника и методика химического экспе­
римента в школе, т. 2. М.: Учпедгиз, 1960.
Коттон Ф., Уилкинсон Дж. Современная неорганическая
химия, ч. 3. М.: Мир, 1969.
Некрасов Б.В. Основы общей химии. Т. 3. М.: Химия, 1970.
Химический энциклопедический словарь. М.: Советская
энциклопедия, 1983.
50
Комментарии
к заметке
«Пирофорные свойства металлов»
1. В школьных опытах обычно демонстрируют
горение в кислороде только стальной проволоки
(она сгорает, красиво разбрасывая искры), а натрий
и магний сжигают на воздухе.
2. Для доказательства выделения углекислого
газа в ходе опыта лучше использовать не бари­
товую воду (растворимые соединения бария очень
ядовиты), а известковую.
3. Оксалат железа при нагревании без досту­
па воздуха разлагается на самом деле с образо­
ванием не ж е л е з а , а п и р о ф о р н о г о оксида
железа(И): FeC204 ® FeO + СО + С0 2 . В опреде­
ленных условиях между продуктами разложения
возможны вторичные реакции. Вопрос о разло­
жении оксалата железа достаточно интересен,
имеет долгую историю и заслуживает отдельно­
го рассмотрения.
3. В слове «пирофор» — греческие корни: пир огонь и форос — несущий. Вторая часть слова
происходит от греческого «феро» — боюсь.
4. Первым из пирофоров был открыт белый
фосфор — в 1669 году немецким алхимиком
X.Брэндом. В 1794 году немецкий фармацевт и
аптекарь И.Троммсдорф обнаружил способность
мелкораздробленного самородного мышьяка вос­
пламеняться на воздухе. Если же говорить о пи­
рофорных металлах, то считается, что впервые их
описал в 1825 году ученик знаменитого Й.Берцелиуса Г.Магнус (он же первым получил комплекс­
ное соединение аммиака, известное химикам как
соль Магнуса — [Pt(NH3)4][PtCI4]). Магнус получил
пирофорные железо, кобальт и никель восстанов­
лением их оксидов. Правда, сам он ссылался на
своего учителя, который за год до этого получил
пирофорный цирконий действием металлическо­
го калия на фтороцирконат K2ZrF6 (аналогично из
TiCI4 позднее был получен пирофорный титан). В
том же году Ф.Вёлер получил пирофорную смесь
меди и свинца, восстановив смесь их оксидов во­
дородом. В 1849 году немецкий химик К.Ф.Шёнбейн, который открыл озон, получил пирофорные
металлы перегонкой их амальгам; таким образом
можно сделать пирофорными Pb, Cr, Mn, Fe, Mo, W,
U, Co, Ni, Си. Позднее были разработаны и другие,
порой весьма экзотические, методы получения пи­
рофорных металлов: дуговое распыление метал­
ла в жидком аргоне, термическое разложение карбонилов (например, Fe(CO)5, Ni(C0) 4 ), электролиз
водных растворов и расплавов (например, распла­
ва KUF5 в смеси хлоридов натрия и кальция), окис­
ление жидкого SbH3 воздухом или кислородом при
температуре -80°С, разложение ацетиленидов
(сильно пирофорная медь образуется при взрыве
ее ацетиленида в атмосфере водорода).
5. Стандартный способ получения пирофорных
металлов — восстановление их оксидов, нитра­
тов, сульфатов, карбонатов, солей органических
кислот (щавелевой, лимонной, винной и других)
путем нагревания в токе водорода при темпера­
туре 300-450°С. Если в ходе восстановления по­
рошок перемешивать, пирофорность металла ис­
чезает. То же происходит, если вести реакцию
при более высоких температурах. Иногда, впро­
чем, пирофорность исчезает лишь отчасти: поро­
шок металла вспыхивает на воздухе не при ком­
натной температуре, а после подогрева. Одна из
причин частичной или полной потери пирофорности — спекание мелких частиц порошка. Его
можно избежать, если подвергнуть вос­
становлению оксид металла, смешанно­
го с оксидом алюминия. Так, железо,
восстановленное из Fe 2 0 3 при темпе­
ратуре выше 540°С, не будет пирофор­
ным, а смесь Fe 2 0 3 с 20% AI 2 0 3 дает
пирофорный порошок и при темпера­
туре 70СГС. Пирофорным может быть не
только порошок, но и стружка металла
(этим свойством обладают, например,
плутоний, титан). Когда в 1875 году
впервые получили металлический це­
рий, обнаружилось, что если его поскре­
сти ножом, то образующиеся мельчай­
шие крупинки самовоспламеняются на
воздухе. Церий сгорает с ослепитель­
ным светом, превосходя по яркости го­
рящий магний. Похожими свойствами
обладает и уран.
6. Пирофорными бывают не только
химически активные металлы. В 1978
году пирофорность была обнаружена у
меди, в 1880-м — у хрома. Пирофорным
можно сделать даже серебро, если вос­
становить его магнием из насыщенно­
го раствора AgN0 3 . Здесь совместно
действуют два фактора: образование
серебра в виде очень тонкого порошка
и его нагрев в ходе реакции восстанов­
ления. Этим же объясняется и самовос­
пламенение пасты из цинковой пыли и
10%-ного раствора NaOH — щелочь
очищает поверхность цинка от его ок­
сида и гидроксида.
7. Пирофорными могут быть не толь­
ко чистые металлы, но и их сплавы. На­
пример, сплавы церия с лантаном, же­
лезом и небольшим количеством дру­
гих металлов очень хрупкие и при уда­
ре дают целый сноп пирофорных час­
тиц (сходными свойствами обладают и
сплавы марганца с сурьмой). Это свой­
ство и с п о л ь з у ю т для и з г о т о в л е н и я
кремней для зажигалок. Аналогичный
сплав на основе церия используется и
в трассирующих пулях и снарядах. Спе­
циальная насадка из пирофорного спла­
ва надета на снаряд снаружи; при боль­
ших скоростях трение насадки о воздух
заставляет снаряд искрить, в результа­
те чего ночью легко проследить его
путь. Один из самых пирофорных сплав 75% церия и 25% платины практического значения не имеет. Всем
химикам-органикам хорошо знаком так
называемый скелетный никель (никель
Ренея) — катализатор реакций гидри­
рования. Его получают из сплава нике­
ля с алюминием путем растворения
алюминия в щелочи, а используют его в
виде суспензии в органическом раство­
рителе. Если такую суспензию случай­
но пролить, то после высыхания раство­
рителя катализатор загорится. Послед­
ствия могут быть довольно неприятны­
ми, о чем в свое время рассказал М.Батарцев в статье «Береги штаны — пирофоры!» («Химия и жизнь», 1969, № 3).
8. Пирофорными могут быть амаль­
гамы (сплавы с ртутью некоторых ред­
коземельных металлов), карбиды (на­
пример, карбиды урана UC, U2C3, UC2),
оксиды (например, FeO, CrO, U0 2 ), суль­
фиды (еще в 1828 году Гей-Люссак по­
лучил пирофорный сульфид калия, про­
каливая алюмокалиевые квасцы с уг­
лем, а пирофор Гомберга получается в
похожем опыте при замене угля саха­
ром), многие гидриды (кремния, бора,
фосфора, лантанидов и актинидов).
Температура самовоспламенения неко­
торых гидридов может быть значитель­
но ниже комнатной (для SiH4 она равна
-200°С). Гидриды некоторых металлов
получить очень просто. Например, лан­
тан реагирует с водородом уже при
атмосферном давлении (реакция почти
термонейтральна), образуя черный по­
рошок, который вспыхивает на воздухе
и бурно реагирует с водой. Пирофор­
ный гидрид урана UH3 (он ферромагнитен) используют для получения по­
рошка и различных соединений урана.
Пирофорны многие металлоорганические соединения. Так, используемые в
органическом синтезе LiAIH 4 , LiCH 3 ,
Zn(CH3)2, B(CH3)3, AI(CH3)3 на воздухе са­
мовоспламеняются. Чтобы работать с
подобными веществами, химики ис­
пользуют либо вакуумные установки,
либо заполняют реакционные сосуды
инертным газом. С пирофорными со­
единениями приходится иметь дело и
в химической промышленности. Приме­
ром может служить этилат алюминия,
широко используемый в качестве ката­
лизатора.
9. Пирофорные металлы обладают
повышенной реакционной способнос­
тью не только по отношению к кисло­
роду. Например, железо и марганец уже
при комнатной температуре разлагают
воду с выделением водорода, хром ре­
агирует с аммиаком с образованием
нитрида.
10. Пирофорность вызывают несколь­
ко причин. Вещество должно обладать
химической активностью по отношению
к кислороду. Важна и большая поверх­
ность (оцените поверхность 1 г желе­
за, составленного из частиц размером
1 мкм). Третий фактор — изменение
параметров кристаллической решетки
металла (как и предполагал Магнус).
Межатомное расстояние у пирофорно­
го железа на 2% больше нормального.
Помимо этого, находящиеся на поверх­
ности атомы всегда обладают повышен­
ной реакционной способностью (тепло­
та растворения пирофорного железа в
серной кислоте на 6 кДж/моль больше,
чем обычного). Потеря пирофорности
при повышенных температурах и при
перемешивании порошка объясняется
его рекристаллизацией с образовани­
ем нормальной кристаллической решет­
ки. Четвертый фактор — малая скорость
теплоотвода из зоны реакции. Д.И.Мен­
делеев писал: «Сплошные массы желе­
за от того негорючи, что передача ими
тепла очень велика, а поверхность при­
косновения (где идет окисление) мала».
При окислении массивного куска ме­
талла теплота реакции уходит в глубь
ШКОЛЬНЫЙ КЛУБ
металла, а при окислении маленькой
частицы теплота идет на ее нагрева­
ние, так как воздух обладает низкой
теплопроводностью (пирофорное же­
лезо вспыхивает даже при температу­
ре -78°С). Роль теплоотвода была на­
глядно продемонстрирована в экспе­
риментах с тонкими (0,15 мкм) плен­
ками железа, которые получали осаж­
дением паров железа в вакууме на стек­
ло. После формирования пленки плас­
тинки выносили из вакуумной камеры
на воздух. Теплопроводность стекла не­
велика, поэтому почти вся теплота, вы­
деляющаяся в ходе реакции, расходо­
валась на нагрев металлической плен­
ки. В результате окисление железа про­
ходило с очень высокой скоростью:
фронт перехода металла в оксид рас­
пространялся по пленке со скоростью
1 см/с.
11. Пирофоры получаются при разло­
жении не только оксалата железа, но и
других солей органических кислот. На­
пример, если нагреть в вакууме до 480°С
соль винной кислоты — тартрат свинца,
то получится порошок, самопроизволь­
но раскаляющийся на воздухе, хотя сви­
нец намного менее активный металл,
чем железо. Если окисление идет мед­
ленно, то теплота успевает рассеяться
и металл превращается в РЬО; при сво­
бодном же доступе кислорода реакция
идет так быстро, что порошок очень
сильно нагревается и в конце концов
бурно сгорает.
И.А.Леенсон
Примечание редактора
Мне довелось наблюдать два нео­
бычных случая пирофорности. В
некотором эксперименте по поме­
щению разлетелись мелкие и, воз­
можно, горячие частицы молибде­
на. Они сгорали в полете, превра­
щаясь в легкие нити окиси молиб­
дена. Помещение наполнилось па­
рящими в воздухе белыми нитя­
ми... Во втором случае в сушиль­
ный шкаф поставили для просуш­
ки порошок вольфрама дисперс­
ностью 2-7 мкм. Когда его вынули,
по поверхности медленно, со ско­
ростью около 0,5 см/с, ползало
светло-красное пятно диаметром
около 1 см, оставляющее за собой
полоску спеченных частиц.
51