Что в «перевертыше»?

Перед вами очередная заметка из серии «Как это сделано?». Раньше мы рассказывали о хемилюминесцирующих игрушках (1998 №11), о жидкокристаллическом термометре (2005 №2) и экране для рисования с магнитным «ластиком» (там же), о бруске для разжигания костра (2009 №3) и других химических объектах. На этот раз речь пойдет об известных многим «перевертышах», один из которых — на фотографии. Внутри прозрачного пластмассового сосуда, разделенного продольной прозрачной перегородкой, находится прозрачная жидкость, а на дне каждого из отсеков также — красная и синяя. Если устройство перевернуть (оно может устойчиво стоять в любом из двух положений), снизу вверх побегут
пузырьки воздуха, а им навстречу — капли окрашенных жидкостей. Известны и другие разновидности этой игрушки, например в которых падающие капли зачем-то вертят колесико. Как все это работает, понятно, а что внутри, какие вещества?

Прозрачная жидкость имела запах керосина, плотность при 20°С 0,756 (определена с помощью пикнометра на 1,5 мл), показатель преломления n_o 1,4420. Спектр поглощения чистого растворителя показал, что он прозрачен в видимой области (ну, это и без спектрофотометра было очевидно), а в ультрафиолете начинает сильно поглощать в области короче 340 нм. В спектре растворителя, десятикратно разбавленного гептаном, фиксируется полоса с максимумом при 265 нм и минимумом при 245 нм.

А что у керосина? Это смесь предельных (20—60%), нафтеновых (20—50%) и бициклических ароматических углеводородов (5—25%), содержащая в основном соединения с числом атомов углерода от С₉ до С₁₆. Предельные неразветвленные алканы близки по свойствам. Их плотность закономерно увеличивается от 0,718 для нонана (С₉) до 0,77 для гексадекана (С₁₆), а коэффициент преломления соответственно от 1,4054 до 1,4330. Никаких максимумов в рассматриваемой спектральной области у них нет. То же можно сказать и для типичного нафтена — транс-декалина (декагидронафталина); его плотность 0,8697, показатель преломления 1,4693, максимумы в области 265 нм отсутствуют. А вот простейший ароматический бицикл (нафталин) имеет сильное оптическое поглощение в области 240—300 нм с характерными максимумами при 266 и 275 нм и минимумом при 235 нм.

Но это все для высокочистых веществ. Понятно, что для игрушки брали не химические реактивы, а, скорее всего, очищенный керосин. Измеренные характеристики прозрачной жидкости (плотность, показатель преломления, УФ-спектр) керосину как раз соответствуют.

Окрашенные жидкости содержали два водорастворимых красителя. И среди таковых надо было искать наиболее распространенные и дешевые. Однако это непростая задача: спектры в видимой области, как правило, намного менее информативны, чем инфракрасные спектры. Соединения разных типов могут иметь сходные спектры. Кроме того, могли быть использованы не химически чистые, а технические красители, содержащие примеси других соединений.

Спектры разбавленных водных растворов двух красителей приведены на рисунке. Водный раствор синего красителя дает три пика: интенсивный при 630 нм, в 8,4 раза более слабый при 409 нм и примерно такой же интенсивности в УФ-области при 307,5 нм (поглощение в ультрафиолете никак не сказывается на цвете и на рисунке не показано). Близкий спектр характерен для распространенного красителя нильский голубой (он же нильский синий А сульфат), в водном растворе которого регистрируется очень интенсивная полоса, максимум которой приходится на 635 нм, в этаноле — на 627,5 нм; молярный коэффициент поглощения равен 76800 л/(моль см). Нильский голубой относится к основным оксазиновым красителям, является смесью трех веществ и используется в гистохимических исследованиях для окрашивания тканей. Сходное поглощение имеют также некоторые трифенилметановые красители.

В спектре красного красителя — основной пик при 565 нм, плечо на нем при 530 нм (его видно на спектре) и более слабый (в 18 раз) пик при 252,5 нм. Возможно, это один из родаминов или какой-нибудь другой распространенный краситель. Если среди читателей есть специалисты по химии и спектральным характеристикам красителей, было бы интересно их мнение.

Автор благодарит Светлану Юрьевну Ляшкевич и Владимира Леонидовича Иванова за возможность снятия спектров растворов