Факультатив по пиротехнике для школьников 8 и 9 занятие. Присутствуют одновременно окислитель N

Факультатив по пиротехнике для школьников. ЗАНЯТИЕ ВОСЬМОЕ Итак, мы уже говорили о том, что черный порох появился только после того, как была разработана технология производства и очистки калийной селитры. Почему именно калийной, а например, не аммиачной Нитраты (селитры) — это соли азотной кислоты. Если вы помните, мы уже упоминали об экзотермическом распаде аммиачной селитры (нитрата аммония
(1) НОН) НОН Эти реакции сопровождаются выделением тепла, соответственно 102 и 119 кДж на моль исходного нитрата аммония. Нетрудно заметить, что в молекуле NH
4
NO
3
присутствуют одновременно окислитель (N
+5
) и восстановители (N
-3
, 0
-2
). Если энергия, выделяющаяся при распаде такой молекулы, может вызвать аналогичное превращение хотя бы одной из соседних молекул, вполне возможно, что эти реакции будут протекать со взрывом. Увы, это предположение нашло не одно подтверждение. Первый серьезный эксперимент — происшествие на складе химического завода в Оппау (Германия, 1921 г. Там пытались раздробить слежавшуюся массу смеси нитрата и сульфата аммония небольшими зарядами динамита. Масса сдетонировала, в результате погибло около 1000 человек, разрушены сотни зданий. С тех пор произошло более 40 крупных аварий, связанных с детонацией нитрата аммония. На основе нитрата аммония изготовляют недорогие бризантные смеси — аммоналы избыток кислорода используется для окисления порошка алюминия) и аммотолы (смесь
“кислородоизбыточного” Ос “кислородонедостаточным” тринитротолуолом
СН
3
С
6
Н
3
(N0 2
)
3
). Аналогичные свойства проявляет другая аммониевая соль — перхлорат. Способность нитрата аммония к самопроизвольному разложению в присутствии катализатора вы уже проверяли экспериментально (см. Химию и жизнь 1993, № 9). Логично предположить, что смесь нитрата аммония с углем будет замечательно гореть по уравнению
(3) НОС НО СО
2
Сравним тепловой эффект реакции (3) с тепловым эффектом реакции (4);
(4) 2 КОС К 0 + N
2
+ 2,5 СO
2
Для реакции (3) получаем :
∆H
0 298
= [(2 * (— 242) + (0,5 * (— 394)) — (—365)]= кДж
© Виталий Лосев (RealChemistry)

Для реакции (4):
∆H
0 298
= [(—362) + (2,5. * (— 394)] — (2 * ( —495)]= —357 кДж. Но надо учесть, что первая цифра относится кг смеси, а вторая кг. На килограмм стехиометрической смеси нитрата аммония с углем получаем энтальпию — 3674 кДж, а на килограмм нитрата калия с углем —1539 кДж. Так что, если судить по уравнению (4) и термохимическому расчету, нитрат аммония — идеальный окислитель для пороховой смеси. Однако те из вас, кто видел эту соль, наверное, заметили, что в ней много влажных комков — недаром аммиачную селитру, используемую для удобрения, гранулируют. Очень высокая растворимость нитрата аммония не позволит держать порох сухим, поскольку данная соль впитывает пары воды из воздуха при относительной влажности более 67% (эта гигроскопическая точка соответствует относительной влажности воздуха над насыщенным раствором соли при 20 0
C). Пиротехники знают, что не стоит готовить смеси с солями, гигроскопическая точка которых ниже 75%. Гигроскопическая точка нитрата натрия — 77%, нитрата калия — 92,5%. В средней полосе относительная влажность воздуха часто превышает при этом смеси на основе натриевой и аммиачной селитры быстро отсыреют. А примесь влаги в горючей смеси, как вы помните из предыдущих статей, снижает скорость горения. Есть еще одна причина того, что смеси с окислителями-солями аммония горят медленно. Не только известный вам хлорид, но и практически все остальные аммониевые соли способны возгоняться. Причем при возгонке аммиачная селитра начинает разлагаться
(5) Н Н+ НО кДж. При 200 0
C давление паров над нитратом аммония составляет уже 839 Паи равновесие заметно сдвинуто вправо. При более высокой температуре начинаются реакции аммиака с азотной кислотой. Но этим экзотермическим реакциям предшествует эндотермическая стадия возгонки, охлаждающая поверхность горящей смеси. В результате смеси на основе нитрата аммония горят очень медленно, хотя и детонируют. Что ж, придется для будущих фейерверков доставать нитрат калия. В продаже встречаются удобрения — натриевая и аммиачная селитры. Их можно использовать для приготовления калиевой селитры. Для того чтобы получить нитрат калия из аммиачной селитры, удобнее всего использовать карбонат калия (поташ, который продается в фотомагазинах. Приготовьте насыщенные растворы из рассчитанных количеств солей, слейте их и кипятите под тягой или на открытом воздухе
2 НО+ К
2
СО
3
= 2 КО+ 2 НС НО Кстати, эта реакция происходила ив древних ямах-селитряницах, где органические остатки были перемешаны с золой, содержащей много поташа. Необходимые данные, для того чтобы получить нитрат калия из натриевой селитры, есть в задаче для го (теперь го класса. Попробуйте решить эту задачу самостоятельно. В вашем распоряжении есть хлорид калия, карбонат калия и нитрат натрия.

Растворимость солей (г соли наг воды) при разных температурах приведена в таблице г в100г воды 0
C
60 0
C
100 0
C
КСI
34,4 45,8 56,0
К
2
СО
3 111,0 125,7 155,8
NаNО
3 87,6 124,7 176,0
KNO
3 31,6 110,1 245,0
NaCl
35,9 37,2 39,4
Na
2
CO
3 21,8 46,4 На основании имеющихся данных по растворимости солей предложите, и обоснуйте расчетами а) способ получения нитрата калия с максимальным выходом по нитрату б) способ получения максимально чистого нитрата калия в одну стадию в) способ получения максимально чистого и дешевого нитрата калия г) оцените максимально возможный выход по нитрату в пунктах а, б, в. При оценке стоимости продукта используйте ваши знания о способах синтеза и добычи исходных веществ. Взаимным влиянием растворимости солей можно пренебречь.

ЗАНЯТИЕ ДЕВЯТОЕ В прошлый раз мы рассказали о том, как выбрать окислитель для черного пороха. Но кроме окислителя вам понадобятся два восстановителя — древесный уголь и сера. Для производства пороха нужен хорошо прокаленный, активированный уголь непригоден, уж больно важны органические и минеральные примеси, которые содержатся в недожженном угле, они служат катализаторами протекающих реакций. Чтобы приготовить древесный уголь, вам потребуется древесина лиственных пород (ветки ольхи, липы, ивы, тополя, наломанные весной. Одна или несколько высоких жестяных не алюминиевых) консервных банок с отогнутыми, ноне оторванными крышками и, разумеется, костер. Заполните банки плотно ветками без коры и прикройте крышками, оставив очень небольшие щели. Поставьте банки в середину хорошо прогоревшего костра, в котором много тлеющих углей. Допустимый нагрев банки — до еле заметного красного каления стенок. После того как перестанут гореть газы и пары, выходящие из щели, банку можно вынимать из костра. Скорее всего, у вас получится бурый уголь (см. таблицу. Сорта древесного угля :
Сорт
Содержание углерода, % по массе
Температура обжига,
0
C Черный
80—85 350—450 Бурый
70—75 280—320 Шоколадный
52—54 140—175 После второй-третьей попытки у вас будет получаться равномерно обожженный уголь достаточно высокого качества. В прошлом веке, используя древесный уголь с невысокой степенью обжига шоколадный, производили двухкомпонентный порох, состоящий из калиевой селитры и древесного угля. Состав его определяется формальным уравнением горения
2 КОС К 0 + N
2
+ З СО + С На самом деле реакция гораздо сложнее. Более ранние и более традиционные, в том числе использующиеся сегодня черные пороха содержат легколетучее горючее с достаточно высокой теплотой сгорания — серу. Элементарная сера плавится прикипит при 444,6 0
C, а уже при 260 0
C давление ее паров составляет 10 мм.рт.ст.
Большинство горючих соединений вспыхивает от внешнего пламени, если давления их паров соответствуют 10—30
мм.рт.ст. Следовательно, в смеси серы, калиевой селитры и угля температура вспышки серы достигается до плавления селитры (336 0
C).

Температура воспламенения такой смеси будет меньше зависеть от степени обжига угля. Чтобы получить хорошо хранящуюся горючую смесь, пользуйтесь только крупнокристаллической серой. Мелкие порошки (серный цвет, коллоидная сера) обычно загрязнены серной кислотой.
Эксперимент Но вначале давайте повторим правила техники безопасности:
Пользуйтесь только фарфоровыми ступками. Следите, чтобы ступки были чистыми. Не растирайте окислители вместе с восстановителями (кроме специально оговоренных случаев. Надписывайте банки, в которых храните реактивы и смеси. Не проводите эксперименты ближе двух метров от горючих материалов. Поджигайте только небольшие
(0,1 г) образцы смеси.
Итак, добавьте к смеси нитрата калия с углем (в соотношении 4:1) предварительно растертую серу (около 10 % от массы смеси. Затем предельно осторожно разотрите смесь с серой, не допуская ударов (иначе возможен взрыв. Попробуйте теперь сжечь стандартный (0,1 г) образец.
ОСТОРОЖНО!
Если смесь растерта тщательно, она сгорает очень быстро можно сжечь щепотку на куске бумаги, и бумага почти не обуглится. Ну вот, вы и изобрели классический черный порох Материал взят с сайта https://www.pirotek.info