Сделай рубин сам

Кислородное пламя

Это не шутка — мы получим искусственный рубин в домашних условиях. А для этого нужно расплавить оксид алюминия с примесью хрома. В нашем опыте получается рубиновый «слиток» — капли диаметром 2—3 мм, состоящие из мелких кристалликов рубина.

Кристаллическое строение можно увидеть в сильную лупу или в микроскоп c боковой подсветкой. Обычно школьные микроскопы используют проходящий свет, в качестве импровизированной боковой подсветки возьмите светодиодный фонарик, желательно с фокусирующей линзой. Однако получить большие кристаллики рубина не удастся — мощность нашей простейшей горелки слишком мала.

Если получится достаточно крупный рубиновый слиточек, им можно легко поцарапать стекло, чтобы убедиться в высокой твердости рубина (9 по шкале Мооса). Проще всего взять два куска стекла, положить между ними крупинку слитка и, осторожно нажимая, двигать стекла. Рубин очень красиво светится насыщенно-красным светом в мягком ультрафиолете 365—400 нм (источник — ультрафиолетовый светодиод, светодиодный фонарик для проверки банкнот, люминесцентная лампа ультрафиолетового излучения — лампа Вуда или «blacklight»). Обратите внимание на одно интересное свойство: горячий рубин бесцветен и лишь при охлаждении приобретает красный цвет. Он будет краснеть прямо на наших глазах!

Проблема в том, что оксид алюминия плавится при 2044°С. Есть три доступных способа получить эту температуру: высокотемпературное кислородное пламя, электрическая дуга и реакция с участием термита. Последние два способа сложнее и опаснее. Поэтому используем высокотемпературное пламя, и прибор будет максимально прост — это вариация паяльной трубки. Кислородом наполняем воздушный шарик или резиновую камеру от баскетбольного мяча, к нему присоединяем кран (лабораторный стеклянный или аквариумный) и на конце гибкой резиновой трубки закрепляем стальную иглу от шприца. Точной регулировки потока газа в нашем случае не требуется, игла сама задает необходимый расход. Поэтому вместо крана можно обойтись зажимом (прищепкой для белья) на резиновой трубке. Кислорода нужно немного: обычно после одного опыта диаметр камеры уменьшается с 15 до 10—11 см. Я наполняю камеру из баллона с кислородом; если же баллона нет, кислород можно получить разложением перекиси водорода.

Вводим иглу в пламя спиртовки или кусочка сухого горючего и плавно открываем кран (или отпускаем зажим). Саму камеру/шар рекомендуется слегка сжимать рукой, чтобы поток кислорода был равномерным. Получается вытянутое узкое пламя. Наибольшая температура — вблизи кончика стальной иглы, примерно в 3—5 мм от нее («синий язычок»). Область наивысшей температуры легко определяется по моментальному ослепительному свечению накаливаемого объекта. ВНИМАНИЕ! Смотреть на раскаленные предметы только через темный светофильтр, например, для электросварки.

Если внести в эту область стальную проволоку от скрепки диаметром 1—2 мм, она быстро оплавляется и начинает гореть, разбрасывая искры. ВНИМАНИЕ! Защитные очки обязательны! Следует заранее положить на стол кусок жести, старый металлический поднос и т. п. для защиты от возможного падения раскаленных капелек железа и искр!

С нашей высокотемпературной микрогорелкой можно провести опыт разложения кусочка мела. При этом будет наблюдаться ослепительно-белый «друммондов свет» (кандолюминесценция). Полученную известь можно погасить водой и проверить pH-индикатором.

Друммондов свет

История «друммондова света» весьма интересна, поэтому сделаем небольшое историческое отступление. Многие ученые обращали внимание на факт чрезвычайно яркого свечения некоторых оксидов в кислородном пламени. В 1826 году Томас Друммонд сконструировал простой и мощный источник света, основанный на этом принципе: цилиндр из извести (оксида кальция) накаливался в кислородно-водородном пламени. Долгое время это был единственный мощный и компактный источник света, лампы накаливания тогда светили слабо. А электрическую дугу получали только в лабораториях, горение ее было неустойчивым, да и сами источники электричества были маломощны и дороги. В основном использовали гальванические элементы, динамомашина появилась только в 1867 году.

Замечательно яркий «друммондов свет» сразу нашел много применений — в маяках, прожекторах, проекционных и киноаппаратах. В 1837 году друммондов свет появился в театре — с его помощью имитировали солнечный луч, лунную дорожку, свет из окна, эффект ручья, морскую зыбь и т. п. В ослепительном свете «друммондова прожектора» актеры чрезвычайно ярко выделялись на фоне декораций, отбрасывая резкие тени. Этим и объясняется устойчивое английское выражение «to be in the limelight» — «быть в центре внимания».

Осветительный прибор был переносным. Горелку и известковый цилиндр помещали в кожух с линзой, прообраз прожектора. Театральный осветитель крепил его на груди, а два баллона, с водородом и кислородом, — на спине. Работа была опасной и сложной, приходилось перемещаться по галереям и переходным мостикам, одновременно регулируя силу горелки и периодически вращая известковый цилиндр — он испарялся в пламени. Вот что пишет словарь Брокгауза—Ефрона: «Друммондов свет является в высшей степени удобным источником света для фонарей, но требует умелого и осторожного обращения с горелками; при неумелом обращении возможно образование гремучей смеси и взрыв ее».

Упростить друммондов свет удалось российскому военному инженеру и изобретателю Александру Ильичу Шпаковскому. Как военный, он понимал, что военным необходим мощный и надежный полевой источник света. Друммондов свет был слишком сложен для военного применения, поэтому Шпаковский создает упрощенный друммондов свет. В его системе водород не применялся, а кислород тонкой струей пропускали через пламя простой спиртовой горелки. Свечение получалось не таким ярким, как при использовании водорода, но зато устройство было безопаснее и проще.

Позже электрические источники света быстро вытеснили друммондов свет и его аналоги — калильный свет Ауэра. Однако их потомков можно и сегодня встретить в крупном туристическом или рыболовном магазине. Эти источники света с калильным колпачком из смеси редкоземельных элементов, не содержащей тория, работают на бутановой горелке. О них можно прочесть в статьях И.А. Леенсона «Нефть, уголь, «газовый свет»» (см. «Химию и жизнь», 2011, 3) и «Ауэр фон Вельсбах: редкие земли и яркий свет» (там же, 2013, 10). Нам же пора вернуться к рубинам.

Квасцы, паста ГОИ и рубины

Посмотрим, из чего может состоять шихта, то есть смесь для плавки, и заодно расскажем, как впервые был получен искусственный рубин. В книге Денниса Элуэлла «Искусственные драгоценные камни» читаем: «В 1837 году французский химик Марк Годен, сплавив две соли — квасцы (сульфат калия и алюминия) и хромат калия, получил кристаллы рубина весом примерно в 1 карат (0,2 г)». В книге П.Н. Чирвинского «Избранные труды. Искусственное получение минералов в XIX столетии» есть описание экспериментов Марка Годена: «Корунд в кристаллах до 1 мм в поперечнике и 1/3 мм в толщину удавалось получать при накаливании смеси калиевых квасцов с сернокалиевой солью (сульфат алюминия) и сажей. Накаливание производилось в течение нескольких часов в сравнительно небольшом горне. Корунд также получается, если накаливать Al₂O₃ c К₂S. Очертания кристаллов под микроскопом вполне резкие; особенно заметен базис в виде равносторонних треугольников».

В 1869 году Годен сообщил Французской академии наук, что расплавленный в гремучем газе (смеси водорода с кислородом) глинозем (оксид алюминия) стягивается в шарик, а на его поверхности появляются фасетки — следы кристаллического сложения. Твердость этого шарика равняется твердости корунда. Шарик можно окрасить в цвет рубина.

В книге Н.Н. Любавина «Техническая химия» (том 2, «Легкие металлы»), изданной в 1899 году, читаем следующее: «Эбельмен получил кристаллический глинозем, нагревая в фарфорообжигательной печи смесь аморфного глинозема с бурою; бура улетучивается, и остаются кристаллы Al₂O₃. Если прибавить немного окиси хрома, то получаются кристаллы рубина». Чирвинский указывает, что наилучшие результаты давала «смесь из 1 весовой части сплавленной буры и 1 ч. оксида алюминия. Рубиновая окраска достигалась прибавкой Cr₂O₃». Точное количество оксида хрома он не указывает. Эдмон Фреми с сотрудниками в 1891 году использовали соотношение 3—4 вес. ч. дихромата калия на 10 вес. ч. оксида алюминия.

Смесь, которую мы будем использовать, не должна рассыпаться при прокаливании, она должна сохранять прочность и давать при разложении оксид алюминия с примесью хрома, но без примеси железа. Опыты легко удаются без точной дозировки компонентов, поэтому можно обойтись без взвешивания. Меняя содержание хрома в смеси, можно получить широкую гамму цветов рубина — от бесцветного до черно-красного. Какую смесь мы бы ни использовали, целевой результат одинаков — в месте контакта смеси с областью наивысшей температуры получается небольшая капелька (2—3 мм диаметром) красного цвета (оттенок и насыщенность цвета могут варьировать). Она состоит из мельчайших кристалликов рубина.

Проще всего использовать готовые алюмокалиевые квасцы по способу Годена. Квасцы есть в школьной лаборатории, их используют для опытов по выращиванию кристаллов, также они входят в состав косметических средств (растворов, спреев). В крайнем случае, можно выпарить такой раствор. В качестве источника хрома подходят дихромат калия или оксид хрома. Дихромат калия не используется в быту, однако может быть в школьной лаборатории, зато доступен оксид хрома Cr₂O₃. Это кристаллическое вещество зеленого цвета с твердостью, близкой к корунду, — основной компонент полировочной пасты ГОИ. Чтобы извлечь его из пасты, положим небольшой кусочек пасты (размером с фасоль) на толстую алюминиевую фольгу или алюминиевую ложку и прокалим на плитке или пламени. Железные поверхности использовать не рекомендуется, поскольку можно загрязнить получаемое вещество железом, которое испортит цвет рубинов, и они будут плохо светиться в ультрафиолете. При нагреве паста ГОИ вспыхивает, связующие компоненты выгорают, получается зеленый порошок оксида хрома.

Если алюмокалиевых квасцов нет, то можно приготовить сульфат алюминия. Учитель химии без труда его синтезирует, он же поможет в подборе примеси хрома и консультациях. Сульфат алюминия при выпаривании дает сиропообразную вязкую массу, которая достаточно прочна для наших целей. Она подобно сахарному сиропу дает нити, которые при охлаждении застывают. Заранее добавив в раствор сульфата алюминия источник хрома (удобнее взять дихромат калия), можно вносить такую нить или застывший кусочек в высокотемпературное пламя.

Если есть готовый оксид алюминия, его тоже можно использовать в смеси с бурой или борной кислотой (как связующее) и добавкой источника хрома для окраски.  Смесь растираем в ступке, помещаем на алюминиевую поверхность и осторожно прокаливаем на плитке или пламени, пока не перестанет выделяться вода. Получается хрупкая пористая масса.

Эти эксперименты может использовать учитель химии — организовать школьный научный проект, сделать внеклассное мероприятие, открытый урок и т. п. Можно не сомневаться в интересе учеников и ярких впечатлениях всех участников. Если не хочется возиться с подбором количеств реагентов, то вот два примера.

Нам потребуется 2,0 г алюмокалиевых квасцов. Если нет весов, можно использовать медицинский шприц в качестве мерного цилиндра: насыпьте в цилиндр порошок алюминиевых квасцов и просто отмерьте 2 мл. Оксида хрома нам потребуется 0,2 г — кучка размером с фасоль. После спекания смеси этих двух веществ на фольге получится хрупкая зеленая масса, легко разламывающаяся на кусочки. Кусочек смеси помещаем на шпатель из жести и вносим в кислородное пламя. Стараемся держать смесь в области наибольшей температуры. После прокаливания получаем спекшийся кусок с мелкими рубиновыми капельками размером 2 мм. Другой вариант смеси — 3,0 г алюмокалиевых квасцов и 0,15 г дихромата калия.

Не думаю, что читателям «Химии и жизни» надо напоминать о технике безопасности. И все же напомню. Все эксперименты желательно проводить в школьной лаборатории вместе с учителем, если речь идет о школьниках, или на открытом воздухе в защитных очках и перчатках. Для защиты от возможных искр и капелек металла на стол необходимо положить лист жести или, в крайнем случае, старый металлический поднос, кусок стеклоткани и т. п. Накаливаемые объекты в кислородном пламени дают точечный источник ослепительно яркого света. Смотреть на него можно только через светофильтр, например, для электросварки.