Главная страница
qrcode

Факультатив по пиротехнике для школьников 5 и 6 занятие. Виталий Лосев RealChemistry


Скачать 136.5 Kb.
НазваниеВиталий Лосев RealChemistry
АнкорФакультатив по пиротехнике для школьников 5 и 6 занятие.doc
Дата23.10.2016
Размер136.5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаFakultativ_po_pirotekhnike_dlya_shkolnikov_5_i_6_zanyatie.doc
ТипДокументы
#378
Каталог

Ф
© Виталий Лосев (RealChemistry)
акультатив по пиротехнике для школьников.

ВЗРЫВАТЬСЯ ЛУЧШЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИ!

Занятие пятое

Едва ли можно найти юного химика, ни разу ничего не взрывавшего. И самому интересно, и друзей хочется удивить. Но как сделать подобные опыты безопасными? Ясно, что запреты число несчастных случаев не уменьшат. Надо познакомить школьников с основами пиротехники.

На прошлом занятии, на примере искристой свечи мы с вами убедились, как важно правильно подобрать компоненты в пиротехнической смеси.

Причем, чтобы достичь нужного эффекта необходимо не просто стехиометрическое сочетание окислителя и восстановителя. (Напомню, для нашей искристой свечи мы использовали состав: чугунные опилки — 30% по массе, нитрат бария — 50%, алюминиевая пудра — 6%. декстрин — 14%.) Если вы попытаетесь составить уравнения реакций, соответствующие приведенному искристому составу, то обнаружите в нем избыток восстановителя. Дело в том, что частицы металла должны давать красивые искры. Поэтому сгорать им надо за счет кислорода воздуха, а не окислителя. Кстати, окислитель, кроме отдачи кислорода, отвечает за получение тугоплавкого шлака. Декстрин служит клеем, горючим и пламегасителем (поскольку выделяет воду). Алюминиевая пудра стабилизирует горение.

На первом занятии мы говорили, что пиротехнические смеси позволяют получить красивые эффекты. И самое впечатляющее из них — это, пожалуй, цветное пламя. Есть много рецептов составов цветного пламени, но если вы не понимаете физики и химии, ответственных за цвет процессов, то вам трудно выбрать нужный состав и тем более разработать его самому.

Индивидуальные вещества и смеси могут гореть, излучая в самых разных частях спектра — от ультрафиолетового (водород, сероуглерод) до инфракрасного (специальные термиты). Пламя свечи и горящего магния излучает в видимом диапазоне — в первом случае свет перед полным сгоранием испускают раскаленные частички сажи, во втором — окись магния. Оба пламени являются примерами излучателей непрерывного спектра. Глазом такое излучение воспринимается как красное при 600—900°C, оранжевое или желтое при 900— 1200°C и белое при более высоких температурах, до которых нагревается тело-излучатель (частички сажи и дыма в пиросмесях). При этом доля видимого света обычно составляет очень малую часть всего излучения (в основном инфракрасного).

Чтобы получить пламя, ярко окрашенное в один из цветов видимого спектра, необходимо использовать другие излучатели, способные испускать кванты только в узком диапазоне энергий. Ими могут быть атомы или молекулы в газовой фазе — более крупные частицы в горячей зоне пламени должны почти отсутствовать. Отсюда следует общий принцип для желающих получить цветное пламя: в составе должна быть смесь, горящая бесцветным пламенем, и добавка, выделяющая атомы или молекулы-излучатели.
Нужно, чтобы энергии горения хватило для возбуждения излучателя (на практике не менее 3,5 кДж/г смеси). Кстати, дыма при горении может быть много — главное, чтобы твердые частицы отсутствовали именно в горячей зоне пламени. Рассмотрим конкретные примеры.

Красное пламя. Возбужденные атомы лития испускают яркий красный (671 нм) и оранжевый (610 нм) свет в виде узких спектральных полое. Однако в пиротехнике литий почти не используют, из-за относительно высокой стоимости соединений: кроме того, все литиевые соли важнейших кислот-окислителей чрезвычайно гигроскопичны. Главный излучатель красного цвета пламени в пиротехнических смесях — монохлорид стронция SrCI. В результате термического возбуждения он испускает кванты света с длиной волны 636, 648, 661, 674, 688 нм. Оксид стронция, а также моно-, фторид и монобромид не дают интенсивного и чистого красного излучения в пламени. Теоретически монохлорид стронция можно получить в пламени по реакциям:

SrO + 1/2 Cl2 + CSrCl + CO

SrO + 1/2 C2Cl6SrCl + CO + Cl2

2SrO + СI2(изб.) 2SгСl + O2

2SrCI22SrCI + Cl2.

Эти равновесные процессы могут протекать только при недостатке кислорода. Оксид стронция образуется при разложении нитрата, карбоната или оксалата, используемых обычно в пиросмесях. А вот хлорид стронция (SrCI2) по гигроскопичности сравним с хлоридом кальция и в смесях не применяется. Поэтому последняя из реакций маловероятна. Источник хлора в пиросмесях — это обычно хлорат калия, перхлорат калия или аммония, а также хлорорганические соединения. Из последних наиболее доступен и безопасен (не дает летучих ядовитых паров) перхлорвинил (ПХВ, ПВХ) в виде опилок (порошка). Таким образом, составы красного огня должны содержать, кроме окислителя и горючего, соединение стронция (окислителем может быть полностью или частично нитрат стронция) и источник хлора. Пламя таких составов должно быть восстановительным, то есть смеси содержат избыток горючего. Чистота цвета пламени достигает 80% от интенсивности всего видимого излучения пиросмеси.

Желтое пламя. Желтый излучатель наиболее доступен. Это, например, возбужденные атомы натрия, испускающие кванты света с длиной волны 589 нм. Выше 1000°C большинство соединений натрия легко диссоциирует, и в пламени появляется линейчатый спектр излучения атомарного металла. В крупных городах улицы вечером освещают натриевые лампы, в которых пары металла возбуждаются электрическим разрядом. Желтое пламя легко получить, если использовать в качестве окислителя натриевую селитру. Менее гигроскопичными будут составы с нитратом калия, калий дает в видимой области бледно-фиолетовое пламя. Эффективным источником атомов натрия в этом случае может быть его оксалат (несколько хуже — карбонат). Чистота цвета достигает 80%. В присутствии галогенов желтое излучение натрия ослабляется, что весьма полезно для составов красного и зеленого пламени.

Зеленое пламя. Зеленый свет испускают возбужденные атомы таллия (535 нм), соединения бора и меди. Однако наиболее эффективный излучатель — монохлорид бария BaCI. Соединения таллия чрезвычайно ядовиты, бор дает обычно малоинтенсивную окраску, дигалогениды меди с зелеными полосами в спектре испускания достаточно гигроскопичны и несовместимы с более активными металлами, которые входят в состав горючего. Оксид бария и другие, его галогениды содержат в спектре испускания много желтых полос. Реакции получения в пламени BaCl те же, что и в случае монохлорида стронция. Поскольку, в отличие от стронция хлорат бария малогигроскопичен, раньше были популярны составы на основе Ва(СlO3)2*H2O. Но они обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, поэтому сейчас их не производят. Если вы читали предыдущее занятие, то пользуясь таблицами 1 и 2, вы можете сами сравнить по степени опасности хлорат бария с бертолетовой солью. (Кстати, а любом случае необходимые константы всегда можно найти в “Справочнике химика” или каком-либо другом химическом справочнике.) Для зеленого пламени важно то же, что и для красного — в смеси необходим источник бария и хлора, недостаток окислителя. Чистота цвета составов зеленого пламени может достигать 80%.

Синее пламя. В отличие от рассмотренных выше цветов, синее пламя имеет невысокую чистоту и интенсивность. До сих пор нет оптимальных излучателей синего спектра. Синий цвет излучают возбужденные атомы индия (451 нм), сине-зеленый цвет придают пламени соединения цинка, сине-фиолетовый — соединения рубидия и галлия. Однако индий и галлий — редкие металлы, а излучатели на основе цинка малоинтенсивны. В пиротехнике синее пламя получают, используя в качестве излучателя молекулы монохлорида меди CuCI (спектральные полосы излучения при 429, 442, 476, 485, 488 нм). Монохлорид меди испускает кванты в синей части видимого спектра при температуре не выше 1200°C в восстановительном пламени. В современных составах синего пламени чаще всего используют смесь перхлората аммония с уротропином (избыток горючего) и добавкой нескольких процентов монохлорида меди. Чистота цвета не превышает 30%. Ранее, чтобы получить синее пламя, брали горючую смесь хлората калия с серой и 15—20% малахита. В такой смеси сера способствует выделению свободного хлора по реакции:

КСI03 + S K2S04+S02+Cl2

Добавки хлорорганических соединений позволяют обойтись без серы. При разработке составов синего пламени на основе соединений меди не забывайте, что последние реагируют с более активными металлами, особенно в присутствии влаги. Из-за невысокой спектральной чистоты синего пламени требуется тщательная очистка исходных реактивов.

Занятие шестое, зачетное

Будем считать, уважаемые читатели, что вы уже достаточно хорошо освоили элементарные теоретические основы пиротехники. (См. предыдущие занятия).
Учтите, что даже самый простой фейерверк — это прежде всего тяжелая работа, требующая физических усилий, терпения и аккуратности. Мы, например, посчитали, что стандартная фейерверочная ракета и при налаженном производстве требует для изготовления в 300—400 раз больше времени, чем для полета. Кстати, как показывает мой опыт, молодые люди обычно не могут проделать всю работу от начала до конца. У девушек терпения больше.

Вам потребуется довольно большой ассортимент реактивов, материалов, инструментов. Поскольку вы будете накапливать запас различных пиротехнических смесей и вспомогательных изделий (стопин, звездочек и тому подобного), я категорически не советую заниматься такой работой дома. Это опасно хотя бы потому, что готовые фейерверочные изделия, полуфабрикаты и смеси совершенно недопустимо хранить в одной комнате. Оптимальный вариант — найти достаточно смелого учителя, готового предоставить школьный кабинет химии для пиротехнических экспериментов (крайний случай это сарай, лучше кирпичный, понятно почему ?).

ВНИМАНИЕ! Автор не может отвечать за результаты работ, если вы колдуете дома и без помощи квалифицированного руководителя. Если вы правильно и полно ответите на вопросы, составленные в основном по темам предыдущих публикаций., то вступите в наш пироклуб. И сможете получать новости и технологии фейерверочного искусства. Конечно, вам придется порыться и в других книгах. Не запрещены консультации у грамотных химиков.

Зачетные задачи

Отвечайте на задания последовательно (от № 1 к 2, 3...). Каждое решение отделяйте от предыдущего горизонтальной чертой. Если вы присылаете ответы то укажите свою фамилию и город в котором живёте, возраст и круг интересов .

1. Определите энтальпию реакции на 1 моль окислителя:

а) Мn02 + Аl

б) N2O + Fe


2. Какие из предложенных смесей могут гореть без доступа воздуха?

Ответ подтвердите уравнениями и расчетами:

а) Мg + МgО

б) Ва + ВаО2

в) Сu20 + AI

г) К2СОз + Мg

д) Fe + BaS04

е) С + С02

3. Какое из ВВ может выделить при взрыве (без доступа воздуха) наибольшую энергию на 1 кг массы:







Ответ подтвердите расчетом.

4. У какой из стехиометрических смесей хлората калия наименьшая температура воспламенения:

а) с углем;

б) с сахаром;

в) с нафталином.

Ответ обоснуйте.

5. После взрыва на воздухе смеси перманганата калия (KMnO4) с порошком магния (1,6:1 по массе) обнаружены только твердые продукты реакции: МgО,К2О, МnО, Мn304, MnO2 

Как объяснить фугасное действие исходной смеси? Оцените объем при взрыве 10 г. смеси при 1365°C.

6. Почему смесь на основе кристаллогидрата хлорида бария и нитрата калия дает при горении менее яркую зеленую окраску пламени, чем смесь на основе хлората калия и карбоната бария? Ответ обоснуйте, приведите уравнения реакций.

7
Материал взят с сайта: http://www.pirotek.info

. Какая из стехиометрических смесей будет гореть быстрее: аммиачная селитра с углем или калиевая селитра с углем? Какая из этих смесей является взрывоопасной? Ответ обоснуйте.
перейти в каталог файлов


связь с админом