Для чего нужно пламя в химии
Презентация по химии «Практическая работа. «Приёмы безопасной работы с оборудованием и веществами. Строение пламени»
«Управление общеобразовательной организацией:
новые тенденции и современные технологии»
Свидетельство и скидка на обучение каждому участнику
Описание презентации по отдельным слайдам:
Практическая работа №1. «Приёмы безопасной работы с оборудованием и веществами. Строение пламени»
Цель: Подробно ознакомиться с правилами техники безопасности в кабинете химии. Рассмотреть лабораторное оборудование, изучить его назначение, приемы обращения с ним. Оборудование: лабораторный штатив, спиртовка, держатель, пробирка, круглодонная и коническая колбы, спички.
Помни, каждый ученик, Знай, любая кроха: Безопасность – хорошо, А халатность – плохо Правила техники безопасности в кабинете химии.
Знакомство с лабораторным оборудованием
Заполните таблицу: Название опыта Рисунки. Наблюдения Уравнения реакций Объяснение наблюдений Выводы 1. Устройстволабораторногоштатива Зарисуй штатив и укреплённые на нём лапку, кольца, муфты. Подпиши их названия. 1. Для чего нужны муфты? 2. Как правильно закрепить пробирку в лапке? 3. Способы проведения нагревания с использованием штатива(на открытом пламени в чашке длявыпаривания и с помощью сетки) Для чего служит штатив? 2.Приемы работы со спиртовкой Зарисуй спиртовку и подпиши названия ее составныхчастей. 1. Для чего нуженрезервуар? 2. Для чего служит фитиль и металлическаятрубка с диском? 3. Как можно зажечьспиртовку? 4.Как можно погасить пламя спиртовки? Правила техники безопасности при работе со спиртовкой. 3.Строение пламени. Зарисуй строение пламени иотметь его составные части. 1. Какая часть пламени самая холодная? 2.Как с помощьюлучинкидоказать, гденаходится самаягорячаячасть пламени? Как нужно использоватьпламя для быстрейшего нагревания вещества? 4. Знакомствослабораторной посудой. Зарисуй образцы лабораторной посуды (пробирку,химическийстакан, воронку,колбу, чашку длявыпаривания). 1. Какие правила нужно соблюдать при перемешивании вещества в пробирке, колбе, стакане? 2.Как изготавливаетсябумажный фильтр? 3. Какие правила должны соблюдаться привыпариваниивещества? Для чего нужны пробирка,колбы, химические стаканы,фильтры, воронки?
а) Устройство лабораторного штатива Штатив служит для крепления деталей химических установок при выполнении опытов. Он состоит из массивной чугунной подставки, в которую ввинчен стержень. На стержне при помощи муфт укрепляют лапки и кольца
Почему подставка штатива изготавливается массивной? Kаково назначение муфты, лапки и кольца? Муфты с укрепленными в них лапкой и кольцами можно перемещать вдоль стержня и закреплять в нужном положении, для чего необходимо ослабить крепление муфты к стержню и, подняв ее на необходимую высоту, закрепить
Почему стержни лапок и колец располагают сверху муфты? Почему закрепленная в лапке пробирка должна сравнительно свободно проворачиваться?
Пробирку обычно зажимают около отверстия. Винт лапки сверху. На кольце устанавливают фарфоровую чашку
б) Приёмы работы со спиртовкой. Строение спиртовки.
Правила работы со спиртовкой: Зажигать только спичкой, запрещается зажигать другой спиртовкой. Перед тем, как зажечь, нужно расправить фитиль, а диск должен плотно прилегать к горлышку. Нельзя переносить спиртовку во время работы в зажжённом виде с одного стола на другой. Тушить только колпачком – не дуть!
Почему нельзя зажигать одну спиртовку от другой? K каким последствиям это может привести? С помощью чего гасят спиртовку?
Химия пламени
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.
химической реакции (в частности, взрыва); соприкосновения тока высокого напряжения с горючим материалом.
Огонь является основной фазой процесса горения и имеет свойство к самораспространению по затронутым им другим горючим материалам. Хотя среди процессов горения химических веществ бывают и исключения, когда вещество сгорает без пламени. Собственная температура огня зависит от источника, вызвавшего реакцию воспламенения, от материалов, участвующих в реакции горения и давления воздуха. Собственный цвет зависит от горящего материала и чистоты топлива (например, огонь от костра или свечи, в котором присутствует значительная доля углекислого газа, горит оранжевым цветом, относительно чистый от примесей — красным, самый чистый — голубым).
Для возникновения и существования огня требуются два компонента — топливо, которое горит, и окислитель, который даёт протекать этому процессу. Чаще, газом, который является окислителем, является кислород. При отсутствии топлива горение может продолжаться лишь в виде искр, и притом весьма непродолжительное время. При нагревании тела до температуры, при которой данное тело воспламеняется, в полном вакууме, тело не может загореться — оно может лишь раскалиться, пусть и до такой температуры, что при соприкосновении с нагретым топливом можно получить серьёзные ожоги любой степени. При нагревании таким образом дерева происходит разделение его на древесный уголь и смолу.
Химические вещества сгорают, окрашивая огонь отдельными своими атомами или ионами, которые высвобождаются под воздействием высокой температуры.
Разнообразие цвета пламени (в скобках указано сгораемое вещество):Голубой (углерод, природный газ)Жёлто-оранжевый (соли натрия)Зелёный (медь, молибден, фосфор, барий, сурьма)Сине-зелёный (бор)Синий (селен)Красный (литий, кальций)Фиолетовый (калий)
Все вещества относительно огня подразделяются на четыре категории:
Вещества, которые при нагревании до определённой точки при обычных условиях воспламеняется (дерево, сера);
Вещества, воспламеняющиеся лишь при определённых обстоятельствах, например, измельчении (железо, кремень);
Вещества, не способные гореть в атмосфере воздуха вообще (вода, платина); (В атмосфере фтора горят даже вода и платина)
Вещества, горящие лишь при присутствии другого вещества рядом, выступающего в роли катализатора (сахар и пепел).
История[править | править исходный текст]
Основная статья: Зажигание огня
В первобытном обществе использовали следующие способы добычи огня:
Трение. Этот способ заключался в трении твёрдого дерева о более мягкое. Быстрее, если твёрдый кусок тереть в желобке мягкого.
Значение в быту огня
Из-за чрезвычайно важного значения огня различные способы его добывания изобрели ещё первобытные люди, использовавшие его для освещения, согревания, приготовления пищи, защиты от диких животных и подачи условных сигналов. Первым способом, по-видимому, стал метод получения из произвольного источника нагревания, такого как молния (хотя молнии, учитывая различные природные условия и погоду, ударяли в деревья достаточно редко). Повышающая трение, но малоэффективная палочка, вращающаяся в куске дерева, была заменена на трут, который делали из грибных наростов на дубе или ясене. В некоторых районах для разжигания огня стали использовать кремни, которые при ударе друг об друга высекали искру. Затем появилось огниво. Традиционной формой поддержания огня тогда и ныне, при прохождении курса выживания, был костёр.
Первым химическим способом получения огня стал катализ, открытый немецким химиком Дёберейнером. На основании своего открытия он создал не предназначенный для бытового употребления прибор под названием «водородное огниво», усовершенствованной разновидностью которого является так называемый аппарат Киппа.
В дальнейшем появились спички и, сначала, бензиновые, а потом — газовые зажигалки.
Для чего нужно пламя в химии
Ц ель работы: Изучить лабораторное оборудование и приёмы обращения с ним
 |
Необходим для безопасного нагревания пробирки при проведении химической реакции
Для приготовления растворов, проведения реакций
ФАРФОРОВАЯ ЧАШКА
для выпаривания (кристаллизации)
МЕРНЫЙ ЦИЛИНДР
ПРОБИРКА
ШТАТИВ для пробирок
ХИМИЧЕСКИЙ СТАКАН
Ф АРФОРОВАЯ СТУПКА С ПЕСТИКОМ
Правила работы в химической лаборатории
(источник http://foxford.ru/lessons/3518/conspects/2)
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»
