Дополнительный материал для учащихся по теме «Химия огненного искусства»

Дополнительный материал для учащихся
по теме «Химия огненного искусства»
Фейерверк как праздничное явление появился одновременно с
открытием пороха. Как известно, секрет изготовления пороха был открыт в
древнем Китае. Следует различать два основных способа праздничного
употребления пороха. Салютом называется приветствие, обозначаемое и
сопровождаемое стрельбой из боевого оружия, как правило, холостыми
зарядами. Фейерверк (нем. Feuer-Werk) – огненное творение или деяние,
«потешный огонь» – сжигание стоящих и движущихся «огненных фигур».
В качестве основных химических компонентов пороха китайцы
использовали селитру (нитрат калия KNO3), серу и уголь. Отметим, что они
использовали нитрат калия в качестве пищевой добавки и в медицинских
целях задолго до открытия пороха.
Законы
приготовления
и
использования
горючих
смесей
рассматривает пиротехника, или, в переводе с греческого, «огненное
искусство».
Для предсказания горючих свойств смеси необходимо
использовать
методы
термохимии,
химической
термодинамики
(возможность реакции, вероятные продукты и тепловой эффект) и
химической кинетики (скорость и механизм процесса).
С чего же
начиналась пиротехника – искусство управления огнем? По-видимому,
самыми первыми пиротехническими изделиями были «огненные трещотки»,
придуманные китайскими монахами и предназначенные для отпугивания
злых духов. Путь от бамбуковой огненной трещотки до современной
фейерверочной ракеты с яркими разноцветными звездочками-огнями
человечество проходило не менее 1500 лет.
Тепловой эффект химической реакции
В каждом веществе запасено определенное количество энергии. С этим
свойством веществ мы сталкиваемся уже за завтраком, обедом или ужином,
так как продукты питания позволяют нашему организму использовать
энергию самых разнообразных химических соединений, содержащихся в
пище. В организме эта энергия преобразуется в движение, работу, идет на
поддержание
постоянной
температуры
тела.
Энергия
химических
соединений сосредоточена главным образом в химических связях. Чтобы
разрушить связь между двумя атомами, требуется затратить энергию. Когда
химическая связь образуется, энергия выделяется.
Атомы не соединялись бы между собой, если бы это не вело к
«выигрышу» (то есть высвобождению) энергии. Этот выигрыш может быть
большим или малым, но он обязательно есть при образовании молекул из
атомов. Любая химическая реакция заключается в разрыве одних химических
связей и образовании других.
Когда в результате химической реакции при образовании новых связей
выделяется энергии больше, чем потребовалось для разрушения «старых»
связей в исходных веществах, то избыток энергии высвобождается в виде
тепла. Например, природный газ (метан CH4) сгорает в кислороде воздуха с
выделением большого количества теплоты. Реакция может идти с взрывом –
так много энергии заключено в этом превращении. Такие реакции
называются экзотермическими от латинского «экзо» – наружу (имея в виду
выделяющуюся энергию).
В других случаях на разрушение связей в исходных веществах
требуется энергии больше, чем может выделиться при образовании новых
связей. Такие реакции происходят только при подводе энергии извне и
называются эндотермическими (от латинского «эндо» – внутрь). Примером
является реакция взаимодействия угля и воды, которая происходит только
при нагревании.
Таким
образом,
любая
химическая
реакция
сопровождается
выделением или поглощением энергии. Чаще всего энергия выделяется или
поглощается в виде теплоты (реже – в виде световой или механической
энергии). Эту теплоту можно измерить. Результат измерения выражают в
килоджоулях (кДж) для одного моля реагента или, реже, для моля продукта
реакции. Такая величина называется тепловым эффектом реакции. Например,
тепловой эффект реакции сгорания водорода в кислороде можно выразить
уравнением:
2 H2(г) + O2(г) = 2 H2О(ж) + 484 кДж
Значки (г), (ж) обозначают газообразное и жидкое состояние веществ.
Встречаются также обозначения (тв) или (к) – твердое, кристаллическое
вещество, (в) – растворенное в воде вещество и т.д.
Уравнения химических реакций, в которых вместе с реагентами и
продуктами
записан
и
тепловой
эффект
реакции,
называются
термохимическими уравнениями.
Большое положительное значение теплового эффекта указывает на
возможность самопроизвольного протекания этой реакции. Из практики
известно, что устойчивое горение обычно возможно в смеси веществ,
способной выделять при реакции на 1г исходной смеси не менее 1,5 кДж.
Рассмотрим следующий пример:
2KClO3 + 3C = 2 KCl + 3 CO2 + 1278 кДж
Масса исходной смеси m = 281 г
Значение теплового эффекта на 1 г исходной смеси = 1278/281 = 4,55 кДж
указывает на самопроизвольное протекание реакции бертолетовой соли и
угля (KClO3 + C)
Отрицательное значение теплового эффекта в эндотермических
реакциях говорит о том, что для осуществления этой реакции к реагентам
необходимо подводить энергию.
Раздел химии, занимающийся изучением превращения энергии в
химических реакциях, называется термохимией.
Устройство фейерверочной ракеты
Самая простая фейерверочная ракета состоит из шести частей:
1. Основной фитиль – обеспечивает запуск всей конструкции и подводит
огонь к взрывному и поднимающему заряду.
2. Корпус – контейнер из плотной бумаги или картона, объединяющий
всю
конструкцию в
единое
целое.
Служит
транспортом
для
поднимающегося заряда.
3. Задерживающий фитиль – создает задержку перед возгоранием
основного заряда, пока тот не будет доставлен на необходимую высоту.
4. Шары (звездки) – небольшие контейнеры, содержащие четыре
основных компонента: окислитель, топливо (горючую смесь), соли
щелочных
и
щелочноземельных
металлов,
которые
придают
определенную окраску фейерверку и связующий компонент, который
держит вместе химические ингредиенты смеси.
5. Взрывающий заряд – предназначен для разброса и запала шаров вокруг
заданной области в воздухе. Он создает также
звуковую волну в
воздухе, с которой связан громкий хлопок от фейерверка.
6. Поднимающий заряд – служит для доставки всей конструкции на
определенную высоту с поверхности Земли.
Принцип работы фейерверочной ракеты:
- подожженный фитиль дает задержку перед стартом снаряда для того, чтобы
можно было покинуть опасную зону и подводит пламя к задерживающему
фитилю и поднимающему заряду;
- после воспламенения поднимающего заряда вся конструкция под действием
реактивной силы поднимается на заданную высоту, при этом объем топлива,
заложенный в поднимающий заряд, определяет высоту взрыва всей
конструкции;
- пока вся конструкция поднимается вверх, задерживающий фитиль
постепенно тлеет; его длина рассчитывается так, чтобы к моменту его
прогорания снаряд уже поднялся на заданную высоту;
- взрывающий заряд разбрасывает шары (звездки) в определенной области
пространства, одновременно поджигая их.
Топливо (горючая смесь) может содержать очень многие вещества –
от древесных опилок до порошка тугоплавкого металла вольфрама.
Основные требования к горючей смеси: она должна давать газообразные
продукты сгорания и высокую температуру при горении.
Газообразные продукты образуются при горении угля и серы:
C + O2 = CO2
S + O2 = SO2
Порошки алюминия и магния не дают при горении газообразных
продуктов, но обеспечивают высокую температуру горения. Формально
горение наиболее распространенного порохового состава может быть
описано уравнением:
2КNО3 + S + ЗС = K2S + ЗСО2 + N2.
Окислитель должен сравнительно легко разлагаться, «предоставляя»
кислород (в отдельных случаях – галоген) для окисления горючего.
Существует много окислителей (источников связанного кислорода). Так,
например, бертолетова соль (хлорат калия) в присутствии катализатора
(диоксида марганца MnO2) легко разлагается (экзотермическая реакция):
KClO3 = KCl + 1,5 O2.
Но горючие смеси с хлоратом калия чувствительны к трению и удару,
поэтому эта соль сейчас почти не применяется в пиротехнике, за
исключением производства спичек.
Аммиачная селитра (нитрат аммония) – еще один твердый окислитель,
доступный древним пиротехникам. При температуре выше 1100С аммиачная
селитра начинает разлагаться (реакция экзотермическая):
NH4NO3 = NH3 + HNO3
Но у аммиачной селитры есть одно нежелательное свойство – очень высокая
гигроскопичность нитрата аммония.
Не используется при производстве фейерверков и другой известный
окислитель – перманганат калия. Реакция разложения этой соли также
представляет экзотермическую реакцию:
2 KMnO4 = K2MnO4 + MnO2 + O2.
Но в данном случае решающее значение имеет автокатализ –
ускорение реакции продуктами распада. Поэтому горючие смеси с
перманганатом калия горят неустойчиво и во многих случаях способны к
самовоспламенению.
Поэтому в современных фейерверках используют калийную селитру
(KNO3).
Получение калийной селитры
Древний термин «salpetre» или «nitrum» (лат.) означает белую соль,
добываемую из земли. Латинский термин «nitrum» происходит от арабского
«ntrum». В условиях жаркого климата и длинного сухого сезона,
обеспечивающих достаточно быстрое разложение органических веществ и
накопление кристаллического налета на почве, образование смеси нитратов.
Селитра получается при разложении животных и растительных
остатков.
При
гниении
образуется
аммиак,
который
в
процессе
нитрификации (с помощью бактерий) превращается вначале в азотистую,
затем в азотную кислоту.
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + Н20
2HNO2 + О2 = 2HNO3
Азотная кислота, взаимодействуя с CaCO3, дает Ca(NO3)2.
Добавка древесной золы (состоящей в основном из K2CO3) приводит к
осаждению CaCO3 и получению раствора KNO3 .
Ca(NO3)2 + K2CO3 = 2KNO3 + CaCO3
Однако выделение из естественной смеси достаточно чистой калийной
селитры, пригодной для приготовления горючих составов, требовало
значительных химических знаний. Наиболее подходящий для накопления
"селитряной земли" климат был в Южном Китае, Северной Африке, Сирии и
Индии. Научные знания китайцев в то время позволили им организовать
производство довольно чистой селитры. С XIII века технология была
перенята арабами.
Откуда берется цветное пламя фейерверка?
Цвет пламени образуется в результате двух процессов: теплового и
люминесцентного свечения.
Тепловое свечение возникает при нагревании вещества. Так, например,
лампа накаливания излучает энергию в очень широком диапазоне длин волн,
причем большая часть излучения приходится на тепловые (инфракрасные
волны). Спектр излучения нагретого твердого тела является непрерывным.
Электромагнитное излучение, дающее видимый свет находится в границах от
400 до 700 нм (1нм = 10-9 м).
Коротковолновый
предел
соответствует
фиолетовому
цвету,
длинноволновый – красному.
Для получения пламени, ярко окрашенного в один из цветов видимого
спектра,
необходимо
использовать
излучение
атомов
или
молекул,
способных испускать кванты только в узких областях спектра. Состав
цветного пламени должен представлять сочетание смеси, горящей в видимом
диапазоне бесцветным пламенем, и добавки, выделяющей при данной
температуре атомы или молекулы-излучатели. Энергия горения должна быть
достаточной для возбуждения излучателя (на практике не менее 3,5 кДж/г
смеси).
Способы получения конкретных цветов пламени
Красное и оранжевое пламя. Возбужденные атомы лития испускают
яркий красный (652 нм) и оранжевый (628 нм) свет в виде узких
спектральных полос. Однако в пиротехнике литий практически не
используется из-за высокой стоимости его соединений, кроме того, все
литиевые соли чрезвычайно гигроскопичны.
Главный излучатель красного цвета пламени в пиротехнике –
монохлорид стронция SrCI или SrCO3. Оранжевое пламя дает хлорид
кальция CaCl2.
Желтое пламя. Возбужденные атомы натрия испускают кванты света
с длиной волны 589 нм. Выше 10000С большинство соединений натрия легко
диссоциирует, и в пламени появляется линейчатый спектр излучения
атомарного металла. Основное соединение для получения желтого пламени –
хлорид натрия NaCl.
Зеленое пламя. Зеленый цвет испускают возбужденные атомы таллия,
соединения бария, бора и меди. Однако соединения таллия чрезвычайно
ядовиты, бор дает малоинтенсивную окраску. Наиболее часто для получения
зеленого пламени используют хлорид бария BaCl2.
Синее пламя. Синий цвет (505-535 нм) излучают возбужденные атомы
индия, сине-зеленый цвет придают пламени соединения цинка. Также
используют монохлорид меди CuCl. Но соединения меди реагируют с более
активными металлами, особенно в присутствии влаги. В составах синего
пламени не применяют порошки магния и алюминия.
Фиолетовое пламя. Для получения фиолетового цвета (420-460нм)
используют смесь монохлорида меди CuCl и монохлорида стронция SrCl.
Пламя серебристого цвета получают при горении алюминия, титана
или магния.
Чтобы
получить
белую
сигнальную
ракету,
нужно,
чтобы
пиротехническая смесь содержала активный металл (например, магний).
При окислении такого металла образуется его оксид, частицы которого,
нагреваясь при температуре более 3 тысяч градусов до «белого каления»,
дают белый свет. А вот яркую вспышку того же белого цвета получают
иначе – используя смесь перхлората калия и мелкого алюминиевого
(магниевого) порошка. С помощью такой смеси получают, как их называют
специалисты, «вспышки с грохотом» или «фотовспышки», которые
используются при ночной фотосъемке (когда нужно мгновенное освещение),
для создания особых световых эффектов на концертах, для изготовления
традиционных шутих. Чтобы получить искры белого цвета можно в
однородный порошок металла добавить более крупные его частицы, они,
оставаясь горячими дольше, горят за счет кислорода воздуха. Чем крупнее
частицы, тем дольше будут светиться искры. Искры золотистого цвета дают
частицы железа или древесного угля.
Круговорот азота в биосфере
Очень важную функцию связывания атмосферного азота выполняют
азотфиксирующие бактерии.
Азотфиксирующие бактерии или клубеньковые живут в корневой
системе бобовых растений: гороха, фасоли, люпина, клевера, люцерны. Эти
бактерии из атмосферного азота синтезируют нитраты. В растворенном виде
эти соединения из почвы поступают в растения и используются для
построения белков. Это свойство
азотфиксирующих бактерий широко
применяется в севообороте сельскохозяйственных культур и в приусадебных
хозяйствах.
Деятельность этих бактерий упрощенно дается по схеме:
3H2 +N2 = 2NH3 + 92 кДж.
Центральное место в круговороте азота в биосфере занимают
нитрифицирующие бактерии. Их интенсивность свидетельствует о степени
завершенности
процессов
минерализации
в
экосистемах.
Конечным
продуктом деятельности нитрифицирующих бактерий является азотная
кислота, которая усваивается растениями в виде солей – нитратов.
Нитрифицирующие бактерии окисляют аммиак до азотной кислоты в
две стадии. Первую стадию осуществляют бактерии рода нитрозомонас:
2NH3 +3О2 = 2НNО2 + H2О + 660 кДж.
Азотистую кислоту окисляют до азотной бактерии рода нитробактер:
2HNО2 + О2 = 2НNО3 + 158 кДж.
В организме человека избыток нитратов, попавших с пищей, приводит
к отравлению. Это обусловлено высокой токсичностью нитритов, которые
образуются из нитратов с участием кишечной палочки.
Условно молекулярное уравнение этого процесса выглядит так:
HNO3 + Н2 = HNO2 + H2O + Q.