Главная страница
qrcode

Факультатив по пиротехнике для школьников. Виталий Лосев RealChemistry


Скачать 141.5 Kb.
НазваниеВиталий Лосев RealChemistry
АнкорФакультатив по пиротехнике для школьников.doc
Дата27.09.2017
Размер141.5 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файлаФакультатив по пиротехнике для школьников.doc
ТипДокументы
#11514
Каталог

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

Занятие второе.

Красивые и, если очень хочется, громкие эффекты можно получить с помощью пиротехнических составов. Но прежде чем что-то смешивать и поджигать, надо прикинуть, какими могут быть последствия.

В прошлый раз мы уже говорили о том, что пиротехнические смеси состоят из горючего (то есть восстановителя) и окислителя. Горючим в пиротехнике могут быть самые разные вещества — от древесных опилок до порошка вольфрама. Но с очень мелкими металлическими порошками надо обращаться с особой осторожностью: ведь они часто сами по себе воспламеняются.


Порошок неизвестного металла, о котором вы знаете лишь то, что он “вот только с завода и здорово горит”, может причинить большие неприятности. Вы обязательно должны знать состав металла или сплава, с которыми собираетесь химичить. Конечно, безопаснее работать с крупными (диаметром не меньше 0,1 мм) металлическими опилками, пролежавшими несколько дней на воздухе.


Фосфор — весьма опасное горючее вещество. Лучше не использовать его в самодельных смесях. И вообще избегайте любых контактов с белым фосфором (яд)!

В качестве окислителей для пиротехнических смесей тоже годны самые разнообразные соединения — от бертолетовой соли до гипса и гексахлорэтана. Так вот, расчет по термохимическим уравнениям нужен именно для прогноза поведения окислителя в смеси. Дело в том, что некоторые окислители способны и без горючего распадаться с выделением тепла. Причем они могут не только загореться, но и сдетонировать. Смеси таких окислителей с восстановителями обладают повышенной чувствительностью к трению и удару. Конечно, чтобы точно предсказать способность смеси к детонации, надо проанализировать все кинетические параметры системы (энтропийный фактор, энергию активации, автокатализ и тому подобное). Но главное, что окислители, неспособные к экзотермическому разложению, практически не детонируют.


Уточним терминологию. При горении выделяющаяся в зоне реакции теплота передается от слоя к слою за счет теплопроводности. Поэтому зона горения распространяется со скоростью от нескольких миллиметров до нескольких метров в секунду. При детонации же химическая реакция распространяется волною сжатия (ударной волной) со скоростью до нескольких километров в секунду.
Попробуем предсказать опасность неизвестного вам окислителя на примере нитрата аммония. Это удобрение иногда взрывается, особенно если мощный детонатор действует на большую массу слежавшегося NH4NO3 и тепловые эффекты возможных реакций распада:

1. NH4N03=N20+2H20

2. NH4N03=0,5N02+0,75N2+2H20

3. NH43=N2+2H20+0,5CО2

Необходимые данные: ∆H0298 кДж/моль

NH4N03 = —365

Н20 (г) = —242

N20 = +82

СО2(г) = +34

Пример расчета первой реакции :

∆H0298 реакции = (сумма ∆H0298 продуктов) - (сумма ∆H0298 исходных веществ)

Или ∆H0298 = ( + 82 — 2 * 242) — (—365) = —37 кДж.

Аналогично, для второй реакции (2) получаем —102 кДж, для третьей (3) —119 кДж на 1 моль исходного нитрата аммония. Из расчетов видно, что чем больше в продуктах реакции кислорода и азота, тем больше тепла выделяется при разложении. Оно и понятно: ведь у простых веществ ∆H0298 по определению равно нулю, а оксиды азота эндотермичны.

А теперь давайте познакомимся с основными свойствами некоторых окислителей, тех, что чаще всего используют пиротехники (табл. 1). Для дальнейших расчетов вам поможет таблица 2.

Всем известная бертолетова соль разлагается в присутствии катализатора (Мn02). Реакция слабо экзотермична:

КСl0з = КСl+1,5 02 —389 —437 ∆H0298 = — 48 кДж.

Но смеси с хлоратом калия чувствительны к трению и удару, поэтому сейчас эту соль в пиротехнике не применяют. А вот в производстве спичек как раз и нужна механическая чувствительность смесей хлората с восстановителями.

Вы, наверное, заметили, что в таблицах не упоминается любимый “дворовыми пиротехниками” перманганат калия. Распад этой соли также экзотермичен:

2 KMn04 = K2Mn04 + MnО2 + 02

∆H0298 = 2* (—834) —1180 —522 = — 34 кДж

Но на скорость реакции влияет автокатализ — ускорение реакции продуктами распада. Поэтому смеси с перманганатом горят неустойчиво, часто самовоспламеняются. Не используйте “марганцовку” в самодельных смесях, а если уже намешали, не храните эти смеси долго!

Пользуясь таблицами 1 и 2, вы сами можете определить тепловые эффекты реакций окислителей с различными горючими. Из перечисленных окислителей наиболее опасны нитрат и перхлорат аммония. Интересно, что смеси с аммониевыми солями обычно горят медленнее, чем аналогичные с солями калия и натрия.

Таблица 1. Свойства окислителей


Вещество

М.M

p,г/см3

tпл,°C

tразл., °C

Энтальпия образования .кДж/моль

% актив. 02

Растворимость в воде г/100 г при температуре:

KNO3

101

2,1

336

400

—495

40

38 (25)

245 (100)

NaN03

85

2,2

308

380

—468

47

91 (25)

176 (100)

NH4NO3

80

1,7

169

210

—365

20

180(25)

600 (80)

Ва(NO3)2

261

3,2

592

600

—979

30

9 (20)

34 (100)

Sr(NO3)2

212

2,9

645

600

—984

38

70 (20)




ВаО2

169

5,0




700

—623

9







KCIO4

139

2,5

525

530

—427

46

2,5 (25)

22 (100)

LiCIO4

106

2,4

247

430

—375

61

60 (25)

123 (80)

NaCl04

122

2,5

480

480

—378

52

211(25)

330 (100)

NH4CIO4

117

1,95




270

—289

27

25 (25)

43 (85)

КСlO3 c кат

123

2,3

360

250

—389

39

7,3 (20)

56 (100)

Ba(CIO3)2*Н2О

322

3,2

414

250

—1048

30

26 (15)

105 (100)



Примечания:

а) указана минимальная из найденных в справочниках температура разложения;

б) процентное содержание активного кислорода указано для реакции с малоактивными горючими;

в) температура, при которой измерена растворимость, указана над ее значением.

Таблица 2. Стандартные энтальпии образования

N2O3

- 82

K2S

387

NO

- 90

К2СО3

1153

NO2

- 34

CaSO4

1436

Al2O3

1676

MgO

602

BaO

548

Na2O

415

BaCl2

844

NaCI

411

BaS

456

Na2S

359

BaSO4

1459

Мg2СO3

1129

H20 (газ)

242

S02

297

203

822

CO

110

K20

362

C02

394

KCI

437

СrСI2

834


Термохимический расчет показывает, что для таких горючих, как Мg или АI, окислителями могут быть почти любые соли кислородсодержащих кислот или оксиды:



BaS04 + 4Mg = BaS + 4 MgO

∆H0298 = — 1405 кДж

203 + 2 АI=АI203 + 2 Fе

∆H0298 = — 854 кДж.

Кроме того, поскольку образование 1 моль оксида магния энергетически более выгодно, чем 1 моль оксида натрия или калия, смесь нитрата щелочного металла с избытком магния должна давать при горении пары щелочного металла:

K2O + Mg = MgO + 2 K

∆H0298 = — 240 кДж

КNО3 + 3 Мg = К + 0,5N2 + 3 МgО

∆H0298 = —1311 кДж.

Значит, чтобы правильно рассчитать состав новой пиротехнической смеси, необходима элементарная термохимическая проверка уравнения реакции, положенного в основу расчета. На основании табличных данных легко показать, что для смесей нитратов натрия и калия с магнием в правой части уравнения нужно записывать свободные щелочные металлы. Если же в качестве окислителей вы возьмете перхлораты, то процесс разложения остановится на хлоридах щелочных металлов.

Итак, уважаемые читатели, у нас появилась возможность предсказать для еще не приготовленной смеси, загорится ли она. Можно даже оценить, насколько горячим будет наше теоретическое пламя. Между тем, термохимический расчет не поможет оценить скорость реакции горения. Однако это часто необходимо.


перейти в каталог файлов


связь с админом