Химия и Химики № 2 2011. "Холодное" пламя (этиловый и метиловый эфиры борной кислоты)

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Вступление

Подобно другим неорганическим и органическим кислотам борная кислота H₃BO₃ образует эфиры со спиртами. Наиболее известным из эфиров борной кислоты является триэтилборат B(OC₂H₅)₃ и триметилборат B(OCH₃)₃ (эфиры борной кислоты с этиловым C₂H₅OH и метиловым CH₃OH спиртом соответственно, другое название - борноэтиловый и борнометиловый эфир).

Строение молекул триметилбората (a) и триэтилбората (b)

Данные эфиры имеют разнообразные применения, но широкую известность они получили благодаря двум обстоятельствам.

Во-первых, эти вещества горят зеленым пламенем. Учитывая, что метиловый и этиловый эфиры борной кислоты легко образуются, их используют для демонстрационных экспериментов.

Во-вторых, среди "широкой публики" и даже среди химиков бытует убеждение, что триэтилборат горит холодным пламенем. Например, приходилось встречать утверждения:

"пламя триэтилбората имеет температуру 40 °С";

"пламя триэтилбората настолько холодное, что не поджигает бумагу, в нем можно свободно держать руку".

Довольно показательной в этом отношении является статья в Википедии о холодном пламени. Приведем дословную цитату:

"Холодный огонь (также холодное пламя, "холодное воспламенение" и "необжигающее пламя") - одна из низкотемпературных разновидностей пламени в химии. Используется также в религиозно-ритуальных целях, фейерверках и создания различных спецэффектов. Многие эфиры органических и неорганических кислот могут гореть холодным огнем. Самый известный из них - это этиловый эфир борной кислоты, который можно приготовить и в домашних условиях путем смешения в определенных пропорциях следующих веществ: сухая борная кислота, этиловый спирт, концентрированная серная или соляная кислота. Поджигается при этом лишь выделяющийся над смесью эфир, горящий очень объемным огнем зеленоватого оттенка, который не только не обжигает, но даже и не греет поднесенную руку. При горении данного эфира образуется аэрозоль борной кислоты, который не видно невооруженным глазом, но его можно обнаружить газоанализатором. После выгорания эфира может начать гореть сам этиловый спирт в смеси внизу, пламя которого высокотемпературно и действительно обжигает. Данный переход от холодного пламени к горячему близок ритуалу, получившему название "нисхождение огня" (Огонь который, который, как утверждают православные христиане, самостоятельно возгорается в центральной части храма, не обжигает первое время - приблизительно минуту). Химическую гипотезу объяснения данного явления наблюдаемого за день перед Пасхой отмечаемой Православной церковью по Юлианскому календарю. Между тем критики не приводят фактов и свидетельств, доказывающих использование данного метода. Кроме того гипотеза не согласуется с рядом наблюдаемых фактов: паломники в храме используют обычные восковые свечи, привезенные собой или купленные в лавках города, пламя по цвету не отличается от обычного, а процесс его передачи (возжигание одной свечи от уже горящей) задокументирован на видеопленку."

Большую часть этого текста с массой очевидных неточностей и явной антинаучной направленностью даже не стоит комментировать. Все-таки не удержусь от небольшой реплики: пламя триэтилбората якобы холодное, но если вы внесли в него руку и обожглись (что неприменимо произойдет, если сразу же не убрать руку) - виноват не триэтилборат, а этиловый спирт.

Приходилось также видеть демонстрацию "холодного пламени" триэтилбората. Экспериментатор внес в пламя борноэтилового эфира бумагу и сразу же убрал ее подальше. Бумага действительно не загорелась, но все было сделано настолько быстро, что если бы экспериментатор взял вместо бумаги пироксилин (бездымный порох), а вместо триэтилбората - бензин, то и пироксилин вряд ли бы успел загореться.

Меня эта тема очень заинтересовала, но скажу сразу, что я был настроен весьма скептически: если пламя светится, значит, в нем есть возбужденные частицы (атомы, молекулы, свободные радикалы). А переход в возбужденное состояние требует высокой энергии. Мерой средней кинетической энергии молекул является температура. Высокая энергия молекул означает высокую температуру.

Метиловый и этиловый эфиры борной кислоты образуются довольно легко, а чтобы наблюдать их горение, данные вещества совсем не обязательно выделять в индивидуальном состоянии. Для этого смешивают борную кислоту и соответствующий спирт, добавляют несколько миллилитров серной кислоты, хорошо перемешивают и поджигают. Смесь горит зеленым пламенем.

В практикуме Ф.П. Платонов Лекционные опыты и демонстрации по общей и неорганической химии рекомендуется более сложный вариант эксперимента:

В круглодонную колбу на 250 мл помещают 5-10 г борной кислоты, 50-100 мл метилового или этилового спирта и 5-10 мл концентрированной серной кислоты. Колбу плотно закрывают пробкой с длинной трубкой диаметром 1 см со слегка оттянутым верхним концом и укрепляют в лапке штатива. Под колбу на кольце подкладывают асбестовую сетку. Смесь нагревают до кипения. Пары спирта и борнометилового (борноэтилового) эфира поджигают у оттянутого конца трубки. Сгорая, они образуют яркое пламя, окрашенное в красивый зеленый цвет. Сверху пламени заметен белый дым оксида бора, который образуется при горении борнометилового (борноэтилового) эфира.

Получение триметилбората и триэтилбората

Эскиз установки

Борная кислота образует с метиловым спиртом борнометиловый эфир (в присутствии серной кислоты как водоотнимающего средства):

Получение борнометилового эфира

Пары борнометилового эфира горят ярко-зеленым пламенем:

2B(OCH₃)₃ + 9O₂ = B₂O₃ + 9H₂O + 6CO₂
(в случае борноэтилового эфира реакции аналогичны).

Итак, с теорией разобрались. Описание экспериментов вы найдете во второй части статьи: <"Холодное" пламя (этиловый и метиловый эфиры борной кислоты) - ч.2>