Школьная химическая лаборатория оборудована самым простым оборудованием и наиболее безопасными реактивами, поэтому в качестве основных и самых необходимых правил поведения можно выделить следующие.
ПОМНИТЕ: ПРЕНЕБРЕЖЕНИЕ ПРАВИЛАМИ БЕЗОПАСНОСТИ И НЕАККУРАТНОСТЬ В ХИМИЧЕСКОЙ ЛАБОРАТОРИИ МОГУТ ПРИВЕСТИ К РЕАЛЬНЫМ ТРАВМАМ!
Опыт №1. Изучение устройства лабораторного штатива и приёмов обращения с ним
Практическая работа №2 «Устройство спиртовки и изучение строения пламени»
Устройство спиртовки
Проведите небольшой домашний эксперимент, с помощью которого изучим строение пламени.
Зажгите свечу и внимательно рассмотрите пламя. Вы заметите, что оно неоднородно по цвету. Пламя имеет три зоны (рис. )
Чтобы убедиться, что различные зоны пламени имеют разную температуру, можно провести такой опыт. Поместите спичку в пламя так, чтобы она пересекала все три зоны. Вы увидите, что лучинка сильнее обуглилась там, где она попала в зоны 2 и 3. Значит, пламя там более горячее.
Несмотря на то, что язычки пламени в каждом случае отличаются формой, размерами и даже окраской, все они имеют одинаковое строение – те же три зоны: внутреннюю темную (самую холодную), среднюю светящуюся (горячую) и внешнюю бесцветную (самую горячую).
Следовательно, выводом из проведенного эксперимента может быть утверждение о том, что строение любого пламени одинаково. Практическое значение этого вывода состоит в следующем: для того чтобы нагреть в пламени какой-либо предмет, его надо вносить в самую горячую, т.е. в верхнюю, часть пламени.
Сегодня у нас на занятии будет работать несколько химических лабораторий по изучению самой древней химической реакции. (Учащиеся делятся на несколько групп)
-Что называют химической реакцией?
— Как вы думаете, какая реакция была самой первой, которую провёл человек?
По всей видимости этой реакцией была реакция горения. Этот процесс считают одним из главных факторов в становлении и развитии человека.
-Когда и почему древний человек построил своё первое жилище?
Свое первое жилище человек построил для сохранения огня, после открытия реакции горения, поскольку он еще не научился добывать огонь.
Сегодня реакция горения известна, наверное, всем.
Любой человек зажигал спички.
Все мы наблюдали горящий костёр.
Когда готовят пищу на газовой плите, её нагревают пламенем горящего природного газа.
Красочные фейерверки украшают праздники.
-Что же такое горение? Каковы признаки этой реакции?
(Каждая группа высказывает свои предположения)
Горение – химическая реакция, протекающая с выделением большого количества энергии в виде тепла и света.
Давайте проведём короткий диспут: «О вреде и пользе горения»
Горение приносит человечеству не только пользу, но и вред, примеров тому известно немало. Вот почему так важно знать не только что такое горение, но и как им можно управлять. Предлагаю каждой лаборатории выявить условия возникновения горения.
Демонстрация опыта «несгораемый платок».
Вопрос: почему не сгорел платок?
Теплота, выделяющаяся при горении спирта, расходуется на испарение воды, и температура воспламенения ткани не достигается.
Опыт. Тление и возгорание угля. Возьмите тигельными щипцами кусок угля. Нагрейте его в пламени. Понаблюдайте за тем, что происходит с раскалённым углём вне пламени. Осторожно подуйте на светящуюся часть угля. Что наблюдаете? Остывающий уголь положите на керамическую подложку.
Каждая группа представляет результаты своих наблюдений и выводы.
Условия возникновения горения:
А) Нагревание вещества до определенной температуры, при которой оно воспламеняется;
Б) Доступ кислорода
Стихотворение балкарского поэта Б. Гуртуева
Огонь смеялся над котлом с водой
Грозя воде неслыханной бедой
«С тобой покончу я одним ударом,
Вот захочу, и сразу станешь паром!»
Вода вздохнула: «Уважаю власть:»
Вскипела и на пламя пролилась,
И в тот же миг, наказанный судьбою,
Погас огонь, что был так горд собою.
Что нужно сделать, чтобы прекратить горение?
Опыт. Зажгите свечу. Накройте пламя стеклянным стаканом. Что наблюдаете? Что нужно сделать чтобы прекратить горение?
Учащиеся делают вывод: Чтобы прекратить горение, нужно избавиться хотя бы от одной из причин возникновения горения. Понизить температуру и прекратить доступ кислорода. Так, например, гаснет вынутое из костра полено. Роль воды при тушении пожаров состоит в охлаждении горящих материалов, а применение песка, пены прекращает доступ кислорода.
Не все горящие вещества можно тушить водой. Нельзя тушить водой горящие бензин, керосин, загоревшееся на сковородке масло, так как они легче воды и вода будет только способствовать увеличению очага пожара.
Горение – это экзотермический процесс. Выделяется теплота. Возможны три случая.
Теплота выделяется быстрее, чем рассеивается. Происходит врыв. Так происходит реакция в смеси воздуха с метаном, водородом, паров бензина, мучной и сахарной пыли.
Этот способ реализуется в производстве различных видов энергии при сжигании топлива.
Продолжим наши исследования.
Опыт. Наберите в пробирку железные опилки. (0,5 см) Зажгите спиртовку. Железные опилки высыпайте на пламя. Что наблюдаете?
Непрозрачные раскалённые тела светятся. Чем сильнее нагреты, тем ярче.
Опыт. Возьмите тигельными щипцами булавку и внесите в верхнюю часть пламени. До какого цвета она нагрелась? Какова её примерная температура?
Воспользуйтесь таблицей «Цвета свечения раскалённого тела при разных температурах»
Остывающее железо положите на керамическую плитку.
Опыт. Возьмите тигельными щипцами кусочек магния и внесите в пламя спиртовки. Когда магний загорится, его надо держать над керамической плиткой. Обратите внимание на яркость и цвет пламени.
Мы видим пламя из – за свечения нагретых продуктов сгорания, которые могут быть твёрдыми, жидкими или газообразными.
Рассмотрим строение пламени.
Опыт. Зажгите свечу. Сколько зон пламени вы наблюдаете? Внесите одновременно в тёмную внутреннюю зону пламени и в самую яркую среднюю головки двух спичек. В какой зоне температура пламени выше?
Внесите в яркую часть пламени холодную стеклянную пластинку. Что вы наблюдаете?
Пластинка покрылась сажей, представляющей собой почти чистый углерод. Из этого можно сделать вывод, что в яркой части пламени происходит разложение сложных веществ. А во внешней части пламени происходит полное сгорание. Эта часть пламени самая горячая, поэтому нагрев стараются осуществлять именно этой частью пламени.
Попробуйте применить знания, полученные во время экспериментальной части нашего урока ответив на следующие вопросы:
1.Почему угольный порошок, распылённый в воздухе, может взорваться, а каменный уголь сгорает в печке без взрыва?
Ответ: Частицы угольной пыли соприкасаются с кислородом воздуха всей своей поверхностью. Поверхность порошка огромна, поэтому угольная пыль взрывается. В куске каменного угля c кислородом соприкасаются только те атомы, которые находятся на поверхности.
2.Магниевая лента ярко сгорает на воздухе с выделением большого количества тепла. При погружении в воду горящего магния интенсивность горения увеличивается, и наблюдается вспышка. Объясните происходящие явления.
Ответ: Энергии, выделяющейся при горении магния достаточно, чтобы вызвать разложение воды: 2 H 2 O = 2 H 2 + O 2. При этом выделяется кислород, поэтому интенсивность горения магния увеличивается. Водород также сгорает со взрывом.
Домашнее задание. Раз в четыре года в мире происходит событие, сопровождающееся переносом «живого» огня. Это бывает в годы проведения олимпийских игр. Каждая олимпиада открывается торжественным зажжением олимпийского огня. Перед началом олимпийских игр в городе Сочи, факел с олимпийским огнём пронесли по всей нашей стране. Попробуйте узнать, как устроен факел, реакция горения какого вещества происходит в нём.
Чем проклинать тьму, лучше зажечь хотя бы одну маленькую свечу. Конфуций
В начале
Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.
Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее — такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ — бертолетова соль (хлорат калия KClO3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения — калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N2O4 — компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор — один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.
Цепные реакции
Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H2 + Cl2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул — так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:
Cl + H2 → HCl + H, H + Cl2 → HCl + Cl и т. д.
На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl2. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.
Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона — это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О2 = О3, которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.
Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами — водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом — зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.
Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.
Что надо для начала
Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.
Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде — 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость — субнитрид углерода С4N2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.
Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С8Н18 + 25О2 = 16СО2 + 18Н2О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно — так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.
Внутри пламени
Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц — осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н2 + О2 = 2Н2О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О2, Н2, О3, Н2О2, Н2О, активных частиц Н, О, ОН, НО2. Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом — первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».
Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).
Откуда все берется
Основное топливо современной промышленности — углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода — метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С8Н18 → С2Н5 + С6Н13. Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С2Н2 + О → СН2 + СО, СН2 + О2 → СО2 + Н + Н.
Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С2Н2, С2Н, С2. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С2Н + С2Н2 → С4Н2 + Н, С2Н + С4Н2 → С6Н2 + Н и т. д.
ХИМИЧЕСКИЙ СТАКАН
