Перлы буры. Borax bead tests - Химия и Химики № 1 2017

Перлы буры: ванадий. Borax bead tests: vanadium

Перлы буры: ванадий (окислительное пламя). Borax bead tests: vanadium (oxidizing flame)

Перлы буры с ванадием. Ванадий - последний металл, с которым я провел эксперименты по получению перлов буры. Дело в том, что с ванадием я почти не работал: ни когда занимался наукой, ни когда снимал эксперименты по химии. Навскидку могу вспомнить разве что поэтапное восстановление ванадата атомарным водородом в среде соляной кислоты (соляная кислота и гранулы цинка) [1]. Данный опыт замечателен тем, что раствор многократно меняет окраску по мере восстановления ванадия до все более низких степеней окисления, примерно так:

VO₃^- => VO²⁺ => V³⁺ => V²⁺

Именно за необычайное многообразие цветов ванадий и получил свое название: элемент был назван в честь Ванадис (Фрейи) - древнескандинавской богини красоты. Кстати, бихромат при действии соляной кислоты и цинка (т.е. атомарного водорода) тоже многократно меняет окраску, хотя элемент хром и не назвали в честь богини красоты.

Мне работать с ванадием почти не пришлось: раньше я занимался фосфатами и арсенатами, зато мой товарищ занялся как раз ванадатами, причем в водных растворах. Оказалось, что ванадаты - исключительно сложный и неблагодарный объект для химика-синтетика. Ион фосфата существует в водных растворах в форме аниона PO₄^3-, который может присоединить один HPO₄^2- или два H₂PO₄^- протона (если он присоединит три протона, это будет уже недиссоциированная молекула кислоты H₃PO₄). Полимерные формы фосфатов существуют: дифосфат (пирофосфат) P₂O₇^4-, трифосфат (триполифосфат) P₃O₁₀^5- и т.д., но в водном растворе они нестабильны и гидролизуют, переходя в фосфат (в кислой среде - быстро, в щелочной - медленно). Зато в случае ванадатов полимерные формы анионов стабильны именно в водном растворе, причем в зависимости от условий, они легко переходят друг в друга. Это примерно, как обратимое превращение хромат <=> бихромат <=> трихромат, только в случае ванадия возможных анионов гораздо больше (производные кислот H₃VO₄, HVO₃, H₄V₂O₇, H₆V₁₀O₂₈, H₂V₁₂O₃₁ и др). Поэтому синтезировать ванадат стехиометрического состава с двух- или трехвалентным катионом оказалось непросто.

Кстати, и с боратами не все так просто, как кажется: вспомните, что борная кислота (точнее, ортоборная - H₃BO₃) дает при взаимодействии с едким натром не ортоборат натрия состава "Na₃BO₃", а тетраборат натрия Na₂B₄O₇ (он же - бура). Бура, в свою очередь, при реакции с соляной кислотой дает не тетраборную кислоту "H₂B₄O₇", а осадок ортоборной кислоты H₃BO₃.

Но мы немного отклонились от темы.

Итак, перлы буры с ванадием. Какой должна быть окраска? В очередной раз заглянем в таблицы: Окраска перлов буры различными элементами [ссылка] и Table of Reactions Obtained with Borax [ссылка]. Остывший перл, окислительное пламя: зеленовато-желтый (первая таблица) и желтовато-зеленый, почти бесцветный (вторая таблица). Остывший перл, восстановительное пламя: зеленый (обе таблицы).

В качестве источника ванадия использовал ванадат аммония. Твердое вещество поместил в выпарную чашку и добавил немного воды. Для начала провел эксперименты в окислительном пламени, взял польскую пропан-бутановую горелку. Сначала приготовил прозрачный перл из чистой буры, потом его снова нагрел и погрузил в раствор над осадком ванадата аммония NH₄VO₃. Растворимость ванадата аммония (метаванадата) в воде низкая - порядка полграмма на 100 мл воды, но этого для окрашивания перлов должно хватить? Оказывается - нет. Снова внес перл в пламя, прокалил. Держал все время в окислительной зоне - подальше от восстановительного конуса. Перл так и остался бесцветным. Кстати, оказалось, что я случайно забыл включить видеосъемку, но такая оплошность сошла с рук, т.к. снимать оказалось нечего. Слил раствор с осадка ванадата, во второй и последующий разы прикасался перлом к влажной кашице метаванадата аммония. Частички ванадата, которые прилипли к буре, стали в пламени черными. Хорошо прогрел перл в окислительном пламени. Получился зеленый перл, похожий на бутылочное стекло. Желтый оттенок был, но я его едва заметил (уже на фото, а не при наблюдении вживую). Удалось достичь довольно интенсивной окраски, но для этого пришлось "внедрить" в перл большое количество ванадия. Перл с эквивалентным содержанием кобальта был бы не синим, а угольно-черным (можете не сомневаться). Поэтому характеристика "зеленый, почти бесцветный" (см. вторую таблицу) подтвердилась.

__________________________________________________
¹ Восстановление ванадата аммония атомарным водородом. Reduction of Ammonium Vanadate by Nascent Hydrogen [ссылка]

Borax bead tests: vanadium (oxidizing flame)

Download the Video / Скачать Видео (101 Мб, .avi )