Окислительно-восстановительные реакции, протекающие при горении пиротехнических средств. Проблемы безопасного использования пиротехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального образования

Свердловской области

Реферат по химии

Окислительно-восстановительные реакции, протекающие при горении пиротехнических средств. Проблемы безопасного использования пиротехники

Карпинск 2007

Оглавление

Введение

1. История появления пиротехники

2. История создания черного пороха

3. Техника изготовления пороха

4. Химия горения черного (дымного) пороха

5. Свойства дымных порохов.

6. История развития порохового дела и фейерверков в России

7. Что такое фейерверки?

8. Основные части фейерверков

9. Химия горения

10. Теория окислительно-восстановительных реакций

11. Основные окислительно-восстановительные реакции, используемые в пиротехнике

12. Компоненты фейерверка

13. Теория цвета для фейерверков

14. Подбор окислителей и горючего

15. Получение искристых фейерверков

16. Производство фейерверочных изделий

17. Снаряды для фейерверка

18. Виды фейерверков

19. Бенгальские огни

20. Пиротехника и спички

21. Безопасность при производстве пиротехники

22. Почему пиротехника взрывается?

23. Безопасный фейерверк

24. Факторы опасности при запуске фейерверков

25. Российский рынок пиротехники

Заключение

Используемая литература

Приложение 1. Тезисы

1. Введение

В отдалении раздается приглушенный взрыв и в ночное небо выбрасывается сноп желто-оранжевых искр, заканчивающийся в верхней части шаровидной вспышкой из сверкающих нитей синего и зеленого цвета. Следующая вспышка рождает неровную дугу из красных лент с ливнем белых и золотистых искр. Третья образует лавину ярких белых молний и сопровождается громоподобным шумом.

Подобные зрелища в течение нескольких веков были обычным явлением во время крупных праздников. До недавнего времени, создание и составление фейерверков было скорее ремеслом, нежели наукой. Лишь в последние десятилетия исследователи начали раскрывать физические процессы, лежащие в основе ярких цветов и других специальных эффектов. В результате этих исследований появилась новая научная дисциплина -- пиротехника, или "наука о горении". Пиротехника затрагивает не только создание фейерверков, но и ряд разнообразных устройств, в которых применяются аналогичные материалы, например, сигнальные ракеты, обыкновенные спички и даже твердотопливные ускорители космического корабля.

Выбор данной темы реферата обоснован замечательной фразой «Химия - есть частный случай пиротехники».

У любого мальчишки в крови заложена тяга к огненно-взрывчатой силе. Стремление будущих «настоящих мужчин» к громким и ярким эффектам может привести их на поле войны, а может - к желанию запустить фейерверк.

Но запуск красочной ракеты, поджег бенгальского огня, любование фейерверками таит в себе обратную сторону зрелищности - опасность. Потому что крошечное воздействие высвобождает громадную силу.

Мною, в данной работе, была поставлена цель: проследить историю развития пиротехники, рассмотреть окислительно-восстановительные реакции, протекающие при горении пиротехнических средств, т.е. разобраться, в чем состоит химизм пиротехники, остановиться на причинах опасности пиротехнических изделий и обозначить позиции их безопасного применения.

1. История появления пиротехники

С чего же начиналась пиротехника - искусство управления огнем? По-видимому, основными "историческими предпосылками" были не военные потребности. Самым первым шагом к современным пиротехническим смесям были "огненные трещотки", предназначенные для отпугивания злых духов. Пучок тонких бамбуковых щепок

горит с треском. Этот треск усиливается, если щепки предварительно пропитать раствором поваренной (морской) соли. А если морскую соль, заменить "земляной", собранной, например, вблизи мест захоронений в сухих пустынях, то треск становится еще сильнее. Разумеется, такая трещотка сильнее воздействует на упомянутых духов.

Путь от бамбуковой "огненной трещотки" до современной фейерверочной ракеты с яркими разноцветными звездочками-огнями человечество проходило не менее 1500 лет.

Даже для самого простейшего фейерверка требуется смесь калиевой селитры, древесного угля и серы. Горючие свойства этой смеси, получили название "черный" или "дымный порох".

2. История создания черного пороха

История создания черного пороха, служившего единственным взрывчатым веществом в течение, по крайней мере 600 лет, прежде всего является историей развития промышленного неорганического синтеза. Два из трех компонентов - сера и древесный уголь - известны с древнейших времен. Селитра - основа пороха, его "дух", носитель его взрывчатости. Между тем мир обделён этой солью - ее месторождения почти не встречаются в природе (кроме скромных запасов в Индии). Однако многовековой опыт человечества подсказал выход из положения и позволил найти чрезвычайно своеобразный метод получения этой незаменимой части пороха.

Древний термин "sal petre"(англ.) или "nitrum" (лат.) означает белую соль, добываемую из земли,- им называли и поваренную соль, и соду. Латинский термин происходит от арабского"ntrum".

"Родиной" селитры можно, по-видимому, считать Китай. Китайцы первыми нашли, что белый налет на продуктах гниения органических отбросов есть не что иное, как селитра. В условиях жаркого климата и длинного сухого сезона, обеспечивающих достаточно быстрое разложение органических веществ и накопление кристаллического налета на почве, образование смеси нитратов - обычное явление. Однако выделение из естественной смеси достаточно чистой калиевой селитры, пригодной для приготовления горючих составов, требовало значительных химических знаний. пиротехнический горение химия

Сначала "китайский снег" добывали на всякого рода свалках, находили его на скотных дворах и даже соскребывали налет со стен деревенских хижин, построенных из глины и соломы. Позднее стали устраивать специальные селитряные кучи. В них свозили навоз, золу, землю с кладбищ, листву, ботву с огородов, солому, пищевые отбросы. Все это обильно и многократно поливалось мочой и помоями, обносилось высокими заборами для защиты от солнца, покрывалось сверху соломой и оставлялось для созревания. После созревания "селитряная земля" промывалась теплой водой, для растворения селитры. Полученный щелок упаривался в медных котлах и охлаждался в корытах. При этом на дне вырастали крупные прозрачные шестигранные кристаллы селитры. Полученную соль "литровали" - очищали повторной промывкой.

В средние века сведения о черном порохе постепенно распространились на Запад. В 1242г английский монах Роджер Бэкон раскрыл формулу взрывчатой смеси в качестве зашиты от обвинений в колдовстве. Он счел эту смесь настолько опасным веществом, что зашифровал ее состав.

Серьезное усовершенствование черного пороха сделано в 1525 г. (Франция) - вместо тонкого порошка (мякоти) начали использовать гранулированный (зерненый) порох. Тем не менее, за твердыми черными зернами, кубиками и призмами размером от 1 мм до нескольких сантиметров в поперечнике сохранилось название "порошок, пудра, порох" - "pulver"(латынь), "poudre"(Франция), "powder"(Англия). До XV века в России огненный порошок называли "зелье", как и всякие другие смеси с удивительными свойствами.

Селитра неизменно служила объектом пристального изучения лучшими химиками разных времен. В 1748 году Берлинская академия наук объявила даже специальный конкурс на лучшую работу о происхождении и составе селитры. Уведомляя об этом петербургских ученых, Леонард Эйлер писал: "Я сомневаюсь, чтобы кто-нибудь, кроме г. Ломоносова, мог написать об этом лучше, почему и прошу убедить его приняться за работу". Ломоносов охотно взял на себя этот труд. Важным вкладом в теорию пороходелия была его "Диссертация о рождении и природе селитры", написанная на латинском языке в начале 1749 года.

Формула черного пороха по существу не претерпела изменений на протяжении веков: это известная смесь нитрата калия (широко известной калиевой селитры), древесного угля и серы в отношении 75:15:10 по весу. По-видимому, черный порох остается практически единственным химическим изделием, в котором сегодня применяются такие же компоненты, в такой же пропорции и который изготавливается по такой же технологии, как и во времена Колумба. Это завидное постоянство отражает тот факт, что порох является почти идеальным пиротехническим составом. Он состоит из имеющихся в изобилии недорогих химических веществ, сравнительно неядовитых и устойчивых к воздействию внешней среды. Смесь настолько стабильна, что ее можно хранить десятилетиями, не опасаясь разложения, если содержать сухой. Черный порох легко воспламеняется при помощи малых количеств энергии, например, от искры или небольшого дистанционного взрывателя.

3. Техника изготовления пороха

Техника изготовления пороха была довольно сложна. Сначала тщательно измельчали селитру, уголь и серу в так называемых толчеях или бегунах. Бегуны - это своего рода жернова, отсюда и название пороховых заводов - мельницы. Бегуны приводились в движение лошадьми или водой, поэтому заводы, как и мельницы, чаще всего строились на реках. После измельчения составные части пороха смешивали и перетирали на тех же бегунах. Ценою бесчисленного количества жизней люди узнали, что смесь надо перетирать влажной, чтобы она не взрывалась, не пылила и чтобы порох получался в виде твердых "лепешек". Лепешку подвергали "кручению" - разбивали ее на куски. Кручение, или "зернение", пороха - очень важная операция, потому что хороший порох хоть и называется "порохом" - "порошком", но на самом деле должен состоять из твердых прочных зерен. Дело в том, что пороховая пыль - "мякоть" - сгорает слишком быстро. Высушенные зерна обычно полировали, чтобы они были гладкими, без острых углов. Для этого порох трясли некоторое время на сотах, чтобы зерна терлись друг о друга. Готовый порох укупоривался в дубовые бочки.

Так или почти так делался порох и в России и в других странах в течение многих веков. Действовали пороховые заводы обычно в "талое время" - весной, летом, осенью, так как зимой увлажненная пороховая смесь замерзала и при кручении рассыпалась в порошок, в непригодную мякоть. Работа шла только в светлое время суток, потому что об освещении лучиной или свечами в пороховом деле не могло быть и речи. Вообще, производство пороха было чрезвычайно опасным.

Чистоте и качеству исходных продуктов при выделке пороха уделялось особое внимание. Уголь чаще всего применяли крушиновый. В течение многих сотен лет считалось, что он лучше всего подходит для зелейного дела. Лишь много позднее стали обжигать ольху, липу, орешник и другие мягкие породы дерева. При этом использовались только молодые, здоровые, очищенные от коры ветви.

4. Химия горения черного (дымного) пороха

Чёрный порох представляет собой тесную смесь окислителя - KNO₃ ,горючего - древесный уголь, серы - цементатора (сера улучшает воспламеняемость и понижает гигроскопичность). Смеси такого типа были, изобретены около 100 г. до н. э. в Китае. Их взрывное действие трактовалось как результат внезапного соединения противоположных начал “ян” и “инь”, причём носителем “ян” считалась сера, а носителем “инь” селитра.

Так называемый “дымный порох” (75% KNO3, 10% S и 15% С) приблизительно отвечает составу 2 KNO3 + 3 C + S, вообще же относительные количества составных частей в отдельных сортах колеблются. Черный порох легко воспламеняется под действием искры, чувствителен к удару и трению. Температура вспышки 270- 310°С. Теплота сгорания до 2.9 МДж/кг. Реакция между твёрдыми веществами протекает очень медленно. Исследования показали, что в начальной стадии процесса воспламенения пороха происходит расплавление серы. Возникающий при этом тесный контакт жидкой серы с азотнокислым калием и органическими веществами, содержащимися в угле, приводит к увеличению скорости реакции до значений, характерных для взрывного превращения.

Формально горение происходит в 2 стадии:

1: 2KNO₃ + S + 3C= K₂SO₄ + N₂ + 2C + CO₂,

с увеличением давления увеличивается доля вступившего в реакцию угля:

2: K₂SO₄ + 2C = K₂S + 2CO₂.

Реальный состав продуктов сгорания пороха намного сложнее, частично образуются также CO, K₂CO₃ .В результате реакции горения пороха выделяются продукты сгорания, состоящие на 40% из газообразных и на 60% из твердых производных реакции горения. Ввиду наличия среди продуктов сгорания твёрдых веществ, взрыв чёрного пороха сопровождается выделением дыма. Объем продуктов сгорания для стандартного состава до 280л/кг.

Отдельные компоненты в составе дымных порохов имеют сле-дующее назначение.

Селитра является окислителем и при нагревании легко от-дает кислород. Выделяющийся кислород окисляет серу и уголь. С увеличением содержания селитры в порохе до определенного предела (~80%) сила пороха возрастает и увеличивается ско-рость его горения. В природе много веществ, богатых кислородом, но для целей пороходелия находит применение почти исключи-тельно калиевая селитра, так как она в наибольшей степени удов-летворяет всем требованиям, предъявляемым к окислителям в со-ставе пороха (малая гигроскопичность, т.е. мало впитывает влагу из окружающей среды, что обеспечивает физическую стойкость изготовленного из неё пороха, и невысокая чувствитель-ность к детонации) .

Сера - твёрдое кристаллическое вещество светло жёлтого цвета, не растворимое в воде. Сера, с одной стороны, является цементатором, связывающим селитру с углем, а с другой,-- горючим веществом, облегчающим воспламенение пороха, так как сера воспламеняется при более низкой температуре, чем уголь. От увеличения содержания серы в порохе сила пороха и скорость горения уменьшаются. В пороходелии применяется сера только кристаллической формы с температурой плавления 114,5°.

Уголь. Для производства пороха используют древесный уголь из мягких пород дерева и содержащий около 75% углерода (бурого цвета). Такой уголь обеспечивает более быстрое сгорание пороха из-за наличия органических и неорганических веществ, служащих катализаторами горения и лучшую стабильность при хранении.

Порох воспламеняется тем легче, чем меньше степень обжига угля. Сила пороха увеличивается с увеличением степени обжига угля. Лучший древесный уголь получается из следующих сортов молодой древесины: ива, кедр, пальмовое дерево, клен, ольха. Продукты пережёга должны содержать 60% чистого углерода, 38% углеводов, 2% золы.

5.Свойства дымных порохов

Дымный порох имеет аспидно-серый цвет и матовый глянец. Его гранулы достаточно большие.

Цвет дымных порохов бывает от сине-черного до серо-черного с металлическим блеском. Интенсивно черный цвет указывает на присутствие в порохе большого количества влаги. Хороший порох сравнительно трудно раздавливается между пальцами, не пачкает рук и, при насыпании его на бумагу даже с высоты 1 м, совершенно не оставляет пыли.

Насыпанный на лист бумаги порох при зажжении должен быстро вспыхнуть и образовать вертикальный столб дыма, при этом бумага не должна загораться и на ней не должно оставаться следов копоти (обугливания).

Скорость горения пороха при нормальных атмосферных условиях равна 8-10 мм/с.

Небольшие количества пороха только вспыхивают при зажжении, а большие взрываются.

Содержание влаги в порохе должно быть в пределах 0,7--1,0%.

Плотность пороха может изменяться в пределах 1,6--1,93 г/см3. Насыпная плотность 0,8--1,0 кг/л. Дымный порох обла-дает высокой химической стойкостью.

Увеличение количества влаги оказывает значительное влияние на воспламеняемость пороха. При содержании влаги свыше 2% порох трудно воспламеняется, а при 15% влаги он совсем теряет способность к воспламенению.

По чувствительности к удару дымный порох относится к числу безопасных в обращении взрывчатых веществ, но чувствительность дымного пороха к пламени и даже к небольшой искре является причиной большой опасности при обращении с ним.

6. История развития порохового дела и фейерверков в России

Применение пороха и первые новогодние фейерверки на Руси связаны с именем Дмитрия Донского. Вначале порох привозился от иноземцев, но очень скоро его стали делать на Руси. Мощный толчок выделка пороха получила при Иване Грозном. Как и всякий русский, Иван Грозный любил огонь, но "фейерверки" грозного царя были особого рода. Взятие Казани с помощью подрывов стен, отражение пушками крымских татар, самый крупный за историю Москвы пороховой пожар - все это из-за фанатичной любви Грозного к "огненному зелью".

Но в том же XVI веке порох получает и мирное применение. Первые мастера "поджигания неба" появляются в 1545 году с учреждением Стрелецкого полка, к которому приписан особый "пороховой заведующий", обязанный придумывать и запускать "огненные потехи".

В царствование Алексея Михайловича русское пиротехническое искусство достигает больших успехов. Фейерверки теперь готовятся на "специализированных заводах" - зелейных мельницах. К этому времени русским умельцам известны "зажигательные", "светящиеся в темноте", "дымные" ядра; рецепты, "потребные ко огненным хитростям" и "потешным" стрельбам. Россия в те годы была настолько богата зельем, что его свободно продавали в лавках. Это послужило причиной очередного большого московского пожара 1660 года, во время которого погибло триста человек.

Новая эпоха русского пороходелия начинается при Петре Первом. Ведь петровское царствование - это непрестанная пушечная канонада. Окно в Европу надо было прорубать не топором, а порохом. Одной из величайших заслуг Петра является строительство государственных пороховых заводов.

Первый пороховой завод был построен в 1712 году на окраине Петербургской стороны, в районе нынешней Большой Зелениной (Зелейной) улицы. Этот завод просуществовал 90 лет. В 1802 году, когда его близость стала опасной для разросшейся столицы, завод закрыли. При Петре же был основан и значительно более крупный Охтинский завод, который на протяжении двух веков неизменно был передовым бастионом, творческой лабораторией и кузницей кадров русского пороходелия

Благодаря быстрым и решительным мерам Петра, Россия, несмотря на непрерывные войны, не знала нужды в порохе.

К концу XVII века фейерверки особенно входят в моду. Ими увлекаются вельможи и князья - Голицын, Шереметев, Долгорукий, Ромодановский. Но немного можно было найти в России людей, знавших и любивших "огневое искусство" лучше царя Петра. Петр превратит "потешные огни" в непременный атрибут празднования Рождества, Нового года, масленицы, воинских побед и придворных торжеств. Именно он приведет искусство фейерверка к небывалому расцвету. Пороха на это не жалели. Фейерверки устраивались обычно с большой пышностью. С помощью разноцветных огней показывались различные аллегорические изображения, поражавшие и восхищавшие гостей. Подготовка таких фейерверков требовала большого искусства как в техническом отношении (изготовление различных разноцветных огней, ракет, шутих, колес, свеч), так и в художественном. Поэтому их организация поручалась крупным специалистам.

С 1752 по 1755 год в подготовке иллюминаций и фейерверков активное участие принимал Михаил Васильевич Ломоносов. Нельзя сказать, чтобы Ломоносов занимался устройством фейерверков "и писанием стихов к ним" очень охотно. В отличие, например, от академика Штелина, который специально занимался одними только фейерверками, посвятив им полвека труда.

В начале девятнадцатого века появляются новые имена мастеров фейерверочного искусства. Прежде всего, следует отметить Ф. Челеева, который в 1824 году опубликовал интересную книгу под названием "Полное и подробное наставление о составлении увеселительных огней". Еще раньше, в 1820 году, появилась книга А. Демидова "О происхождении увеселительных огней", которую можно считать первой историей русских фейерверков. Кроме Челеева и Демидова, библиография по организации фейерверков насчитывает много других имен. Талантливый русский изобретатель Иван Кулибин изобрел так называемый "оптический бездымный несгораемый фейерверк". Он же автор работ "О ракетах верховых", "О двойном фонтанном колесе", "О зеленом огне" и других. Любил фейерверки известный композитор и химик А. Бородин, который в свободное время сам занимался их составлением и запуском.

Во второй половине XIX столетия появился ряд руководств по изготовлению и запуску фейерверков, лучшими из которых считаются обширные труды П. С. Цытовича и Ф. В. Степанова. В них показано, что фейерверки всегда служат лучшим украшением общественных праздников. «А общественные празднества поднимают дух народа, - писал П. С. Цытович, - и развивают патриотические чувства»

20 век. Последний фейерверк в России устроен в 1915 году в честь взятия русскими войсками Перемышля. Большевикам фейерверки оказались не нужны. Лишь во время Великой Отечественной войны они начинают возрождаться в виде салютов. Разве забыть первый военный салют 5 августа 1943 года, которым наша страна отметила одну из своих первых крупных побед в Великой Отечественной войне - освобождение Орла и Белгорода?! Разве забыть все военные салюты -- их было 354 --в годы тяжелейшего испытания, выпавшего на нашу долю?! Грандиозным салютом (30 залпов из 1 000 орудий) советский народ отметил 9 мая 1945 года -- День Победы.

В военные и первые послевоенные годы для салютов использовались осветительные и сигнальные огни, применяемые в военном деле патроны белого, красного, зеленого и желтого цвета огней. Единственным исключением был салют-сигнал красного и зеленого огней, который выпускался специально для салютов.

Впервые разработкой современных фейерверочных изделий в нашей стране начали заниматься в 1957 году, накануне VI Всемирного фестиваля молодежи. И грандиозные фейерверки, украсившие фестивальную Москву, свидетельствовали об их успешном завершении.

Советские пиротехники стремились обогатить салюты и фейерверки широкой гаммой цветов, новыми зрелищными эффектами, расширить производство и применение. Разработка новых изделий предусматривала прежде всего безотказность действия и безопасность применения фейерверков: не надо забывать, что художественность зрелища и его безопасность раньше всегда находились в обратной зависимости.

В мирное советское время салюты были строго канонизированы. Проводились они исключительно три раза в год - 1 и 9 мая, а также 7 ноября. В газетах и по радио появлялись расписания: где, когда и сколько залпов прозвучит.

21 век приносит новые задачи для организации фейерверков. Люди вновь заинтересованы фейерверками. Ослабли официальные запреты, коммерческие организации устраивают фейерверки для оформления эстрадных шоу, рекламных праздников. Конверсия также способствует развитию "огненного искусства", так как фейерверочные наборы стали почти основной реализуемой продукцией многих оборонных заводов. Да плюс еще разные импортные штучки... Таким образом, можно говорить о возрождении и развитии забытого искусства, призванного нести в нашу жизнь яркие огненные праздники.

Отдельно от всех видов фейерверков стоит дневной фейерверк. Данное сочетание слов звучит достаточно странно, но все же фейерверк действительно можно наблюдать днем. Для пуска такого фейерверка используют специальные дневные пиротехнические изделия. Они, как привило, создают различные композиции из разноцветного дыма и звуковых эффектов на высоте от 1 до 300 м. Кроме того, в дневном фейерверке активно используются конфетти и серпантин, как обычного - маленького так и гигантского размера. Дневной фейерверк особенно актуален на мероприятиях, которые проходят летом и заканчиваются задолго до наступления темноты. Также дневной фейерверк необходим для северных районов нашего края в периоды полярного дня. А именно на эти периоды, как правило, выпадает большинство общественных праздников, будь то Дни городов или День металлургов.

7. Что такое фейерверки?

Что же все-таки такое эти цветные огни, внезапно вспыхивающие в ночном небе, эти сверкающие звезды, что дарят зрителям яркие мгновения и гаснут, едва приближаясь к земле? Короче, что же такое современный фейерверк?

Прежде всего это пусковые устройства, которые поднимают пиротехническое изделие на высоту нескольких сотен метров от земли. Это автоматические пульты управления, подающие ток на электровоспламенители по строго рассчитанной программе. Это рации, которые осуществляют единую команду для всех салютных установок города. Это, наконец, звездки, загорающиеся красным или желтым, медленно гаснущим, или мерцающим огнем -- так, как это было угодно задумать человеку.

Современный фейерверк--это исследования многих лабораторий на уровне новейших достижений химии, это работа мощной химической промышленности, поставляющей новые материалы, это сложнейшее, в некотором смысле ювелирное производство самих "огненных изделий".

8. Основные части фейерверков

Пиротехнические изделия для фейерверков выпускаются самых разнообразных конструкций, однако почти всегда их можно разобрать на следующие основные части.

Корпус, выполненный, как правило, из какого-либо легкого материала--картона, бумаги, алюминия, различных пластмасс.

Вышибной и воспламенительно - разрывной заряд из дымных ружейных порохов, бездымных порохов или других спец.составов. Эти заряды выстреливают фейерверки -- из мортир или специальных пусковых устройств--на нужную высоту, разрывают корпус, воспламеняют пиротехническую начинку, "выбрасывают" ее в воздух -- пучком, сферой или в другом виде, задуманном ранее конструктором.

И, наконец, сами пиротехнические элементы -- звездки, факелы, таблетки, изготовленные из разнообразнейших огневых, дымовых, звуковых составов.

Кроме того, непременными атрибутами фейерверка служат пороховые замедлители, обеспечивающие их срабатывание на заданной высоте, и средства воспламенения -- бикфордов шнур, электровоспламенители, стопиновые огнепроводные нити.

Однако если вы спросите у любого пиротехника, что же в фейерверке самое главное и трудное, он, не задумываясь, ответит: создание чистого, красивого цветного пламени.

9. Химия горения

Известно, что горение-это окислительно-восстановительная реакция, в которой одни (горючие) вещества окисляются, то есть соединяются с кислородом, а другие (окислители) -- восстанавливаются. В форме горения могут протекать только высоко экзотермичные реакции, те, что сопровождаются выделением большого количества тепла. В большинстве случаев (и фейерверки -- одни из них) горение сопровождается пламенем. О самом горении судят прежде всего по подвижной зоне реакции. Это зона высокой температуры -- от 1 000 до 3 000 градусов, которая отделяет еще не прореагировавшие вещества от продуктов реакции. Пиротехнические составы сгорают отнюдь не мгновенно, а слоями, в которых подготовка к горению идет постепенно, путем теплопередачи из зоны пламени: местное повышение температуры в каждом слое вызывает его загорание.

Сам процесс горения и его теория чрезвычайно сложны. Множество факторов -- выбор компонентов состава, их количественное соотношение, температура воздуха и другие -- влияет на эффект горения фейерверка. Однако в первую очередь он зависит от пиротехнического состава.

В состав пиротехнической смеси входят источник кислорода (окислитель) и горючее вещество (восстановитель). Они представляют собой обычно отдельные твердые химические реагенты, которые должны быть механически смешаны. При нагревании происходит реакция с обменом электронами, или, иначе, окислительно-восстановительная реакция.

В ходе ее атомы горючего теряют электроны, которые переходят к атомам окислителя. Атомы горючего связываются с освобождающимися окислителем атомами кислорода, образуя стабильные продукты реакции. Поскольку новые химические связи характеризуются более высокой стабильностью, в ходе реакции выделяется энергия в форме тепла; аналогичный процесс имеет место при горении. Однако в этом случае кислород поступает из воздуха. Пиротехническая же смесь содержит кислород в себе самой, поэтому выделение тепла строго ограничено.

Пока пиротехническая смесь остается холодной и сухой, она, как правило, очень стабильна. Твердая смесь реагирует очень медленно по поверхности, причем скорость реакции определяется диффузией. При воспламенении смесь начинает переходить в жидкое и затем, в газообразное состояние в пиротехническом пламени, в результате чего горючее и окислитель перемешиваются. Такое смешение двух указанных компонентов ускоряет реакцию и в свою очередь еще сильнее усиливает процесс выделения энергии.

10. Теория окислительно-восстановительных реакций

Окислительно-восстановительными называются такие реакции, в результате которых изменяется степень окисления одного или нескольких элементов, входящих в состав реагирующих веществ. Отдача атомом электронов, сопровождающаяся повышением его степени окисления, называется окислением; присоединение атомом электронов, приводящее к понижению его степени окисления, называется восстановлением.

Вещество, в состав которого входит окисляющийся элемент, называется восстановителем; вещество, содержащее восстанавливающийся элемент, называется окислителем.

Так, в реакции горения активных металлов

2Mg +O₂ = 2MgO

2Mg⁰ -4e^- = 2Mg²⁺ - реакция окисления

O⁰₂ +4е^- = 2O^2- - реакция восстановления

Магний повышает степень окисления от 0 до +2 и служит восстановителем; в результате реакции свободный магний окисляется и превращается в окисленную форму (магний в степени окисления +2). Кислород в этой реакции понижает степень окисления от 0 до -2 и служит окислителем; в результате реакции окисленная форма кислорода ( свободный кислород) восстанавливается и превращается в сопряженную с ней восстановленную форму (кислород в степени окисления -2). Оба процесса - окисление и восстановление - протекают одновременно. При этом общее число электронов, отданных восстановителем, рано общему числу электронов, принятых окислителем. В рассмотренной реакции взаимодействуют два вещества, одно из которых служит окислителем (кислород), а другое - восстановителем (магний). Такие реакции относятся к реакциям межмолекулярного окисления-восстановления.

Реакция разложения бертолетовой соли

4KCl⁺⁵O₃ = 3KCl⁺⁷O₄ + KCl^-1 (400° C)

3Cl⁺⁵ -6е^- = 3Cl⁺⁷ -реакция окисления

Cl⁺⁵ +6е^{- =} Cl^-1 - реакция восстановления

служит примером реакций самоокисления-самовосстановления (диспропорционирования), в которых одновременно образуются соединения, содержащие данный элемент в более окисленном и в более восстановленном состоянии по сравнению с исходным; при этом исходное вещество проявляет функции как окислителя, так и восстановителя. Бертолетова соль (степень окисления хлора +5) выступает одновременно в роли окислителя, причем хлор восстанавливается до степени окисления -1 (KCl), и в роли восстановителя, причем хлор окисляется до степени окисления +7 (KClO₄). Подобные реакции возможны, если соответствующий элемент находится в исходном соединении в промежуточной степени окисления; так, в рассмотренном примере степень окисления хлора в исходном соединении (+5) имеет промежуточное значение между возможными максимальной (+7) и минимальной (-1) степенями окисления этого элемента.

В реакции 2KClO^2- ₃ = 2KCl + 3O⁰₂ (150 - 300°C кат. MnO₂)

Cl⁺⁵ +6е^{- =} Cl^-1 - реакция восстановления

3O^2- -6е^- = 3O⁰₂ - реакция окисления

Окисляется кислород, повышающий степень окисления от -2 до 0, а восстанавливается хлор, понижающий степень окисления от +5 до -1. Оба эти элемента входят в состав одного и того же исходного вещества. Реакции такого типа называются реакциями внутримолекулярного окисления-восстановления.

Окислители и восстановители.

Элементы, находящиеся в высшей степени окисления, могут только восстанавливаться, так как их атомы способны лишь принимать электроны: азот +5 (KNO₃), кислород 0 ( газообразный O⁰₂), углерод 0 ( уголь C⁰) .

Напротив, элементы, находящиеся в низшей степени, могут только окисляться: металлический магний 0, алюминий 0, кислород -2 (KClO₃). Вещества, содержащие элементы в промежуточных степенях окисления, обладают окислительно-восстановительной двойственностью. Такие вещества способны и принимать и отдавать электроны, в зависимости от партнера, с которыми они взаимодействуют, и от условий проведения реакций: хлор +5, сера 0.

11. Основные окислительно-восстановительные реакции, используемые в пиротехнике

1. Реакция горения чёрного пороха:

2 KN⁺⁵O₃ + 3 C⁰ + S⁰ = N⁰₂ + 3 C⁺⁴ O₂ + K₂S^2-

Принимают электроны, т.е. восстанавливаются нитрат калия и сера. Они - окислители

2N⁺⁵ +10е^- = N⁰₂

S⁰ +2 е^- = S^2- .

Отдает электроны, т.е. окисляется углерод. Он - горючее, он - восстановитель.

3C⁰ - 12 е^- = 3C⁺⁴

2. Реакция самоокисления-самовосстановления бертолетовой соли:

4KCl⁺⁵O₃ = 3KCl⁺⁷O₄ + KCl^-1 (400° C)

3Cl⁺⁵ -6е^- = 3Cl⁺⁷ -реакция окисления

Cl⁺⁵ +6е^{- =} Cl^-1 - реакция восстановления

3. Реакция внутримолекулярного окисления-восстановления бертолетовой соли с выделением кислорода:

2KClO^2- ₃ = 2KCl + 3O⁰₂ (150 - 300°C кат. MnO₂).

Cl⁺⁵ +6е^{- =} Cl^-1 - реакция восстановления

3O^2- -6е^- = 3O⁰₂ - реакция окисления

4. Реакция горения активных металлов

2Mg +O₂ = 2MgO

Mg⁰ -2e^- = Mg²⁺ - реакция окисления

O⁰₂ +4е^- = 2O^2- - реакция восстановления

4Al + 3O₂ = 2Al₂O₃

4Al⁰ - 12e^- = 4Al³⁺ - реакция окисления

3O⁰₂ +12е^- = 6O^2- - реакция восстановления

12. Компоненты фейерверка

Его основные компоненты--горючее и окислитель. В пиротехнике применяются различные горючие вещества. В состав многих смесей входят органические углеродсодержащие материалы, такие, как древесный уголь (используемый в снарядах для фейерверков и в дымном порохе) и сахар (в дымовых гранатах). Прочие широко распространенные горючие вещества содержат неметаллические элементы, такие, как сера, кремний и бор. При окислении кремния и бора выделяется большое количество тепла и не образуются газообразные продукты. Эти вещества применяются во взрывателях замедленного действия для поджига других составов в заданное время. Химически активные металлы, чаще всего алюминий, магний и титан, горят при высоких температурах, испуская яркий свет. Они начали применяться в фейерверках в XIX в. и заметно улучшили их зрелищность.

Окислители -- вещества, способные выделять при нагревании кислород, хлор или фтор. Таковыми могут быть нитраты, хлораты, перхлораты, хлор и фторорганические соединения. В фейерверочные составы обязательно входят связующие вещества -- цементаторы. В этом качестве используются идитол, шеллак, канифоль, олифа, стеарин, жидкие синтетические смолы.

Дабы предотвращать преждевременное загорание (и сгорание) фейерверка, в его состав вводят так называемые флегматизаторы и стабилизаторы, а для регулирования скорости горения -- катализаторы.

Итак, пиротехнический состав--это несколько тонко измельченных и механически смешанных компонентов, это нечто среднее между газовыми смесями и обычным твердым топливом. Элементарный пиротехнический состав состоит из двух компонентов. Вот один из примеров такого рецепта:

Sг(NО₃)₂ -- 60% + Mg (магниевый порошок)--40%.

А вот пример трехкомпонентной системы, дающей при горении белое пламя:

Ba(NO₃)₂--75%+Mg--21% + С₁₃Н₁₂О₂ (идитол)--4%.

Все реакции, протекающие при горении этой смеси, проследить очень сложно, однако суммарно происходящий процесс горения состава можно описать уравнением:

13,9Ba(NO₃)₂+ 39,5Mg+C₁₃H₁₂O₂=13,9BaO + 13,9N2+39,5MgO+13CO₂+6H₂0.

13. Теория цвета для фейерверков

Наиболее известным пиротехническим эффектом фейерверка являются "брызги" света. Их цвет зависит от длины волны излучения. Видимый свет представляет собой электромагнитное излучение в диапазоне длин волн от 380 до 780 нм (1 нм = 10-9 м). Свет с наибольшей длиной волны воспринимается глазом как красный, а свет с наименьшей длиной волны -- как фиолетовый. Светящийся объект виден как белый, если излучает во всем видимом спектре. Если большая часть световой энергии излучается в пределах узкой полосы длин волн, то цвет такого излучения будет соответствующим данному участку спектра.

Пиротехнические составы излучают свет при трех основных процессах: температурном свечении (тепловое излучение абсолютно черного тела), атомарном излучении и молекулярном излучении. Температурное свечение имеет место в случае с нагреванием в пламени твердых тел или жидких частиц до высоких температур. Горячие частицы излучают в широком спектре, освобождаясь при этом от избыточной энергии. Чем выше температура, тем короче длина волны излучаемого света.

Белые сигнальные ракеты содержат в своем составе в качестве горючего химически активный металл типа магния. Твердые частицы оксида, образующиеся при окислении металла, нагреваются до температуры более 3000°С -- до "белого каления". Смесь перхлората калия и мелкого алюминиевого или магниевого порошка обеспечивает получение яркой вспышки белого света. Более крупные частицы металла продолжают оставаться горячими дольше, чем частицы порошка, и способны гореть за счет кислорода воздуха. Такие частицы образуют искры белого света, мгновенных вспышек они не дают. Чем крупнее частица, тем дольше длится искра. Частицы железа и древесного угля не нагреваются так сильно, как частицы активных металлов; они могут быть нагреты только до 1500°С, вследствие чего образуют менее яркие золотистые искры.

Яркие краски современных фейерверков обусловлены атомами или молекулами веществ, присутствующих в пиротехническом пламени в газообразной форме. Входящие в состав атома электроны возбуждаются за счет тепла пламени и переходят с обычной, основной орбиты на орбиту с более высоким уровнем энергии. Затем электрон быстро возвращается в основное состояние с излучением избыточной энергии в виде фотона (элементарной частицы, или единицы излучения) определенной длины волны.

Натрий является одним из наиболее мощных атомарных светоизлучателей. Нагретые до температуры выше 1800°С атомы натрия испускают желто-оранжевый свет длиной волны 589 нм. Этот процесс характеризуется такой эффективностью, что способен затмить любые другие атомарные или молекулярные источники света в пиротехническом пламени. Даже незначительное количество натрийсодержащих примесей способно свести на нет усилия по получению пламени любого другого цвета.

В иных случаях мощное натриевое свечение может оказаться полезным. Окислитель из нитрата натрия в смеси с магниевым горючим является основным составом, который применяется для освещения местности при проведении ночных операций. При воспламенении смеси происходит окисление магния нитратом натрия; образующиеся в результате частицы оксида магния, нагретые до высоких температур, светятся ярким белым светом.

Получение пламени другого цвета основано на свечении не атомов, а молекул. Молекулярное излучение более "нежное", чем атомарное: оно не терпит слишком высокой температуры (более 1000--1500 градусов). Если температура слишком высока, молекулы диссоциируют (распадаются) и цвет пламени ухудшается. Красное пламя, например, становится бледно-розовым.

Красное пламя создается на основе летучих соединений стронция. В процессе горения стремятся получить SrCl₂, который в пламени диссоциирует с образованием монохлорида: 2SrCI₂ = 2SrCl + Cl₂. Последний и сообщает пламени красную окраску. Аналогично получают зеленый огонь. Для этого в пламени должно быть достаточное количество паров монохлорида бария -- BaCl.

Наиболее сложной задачей для пиротехника является получение яркого синего цвета. Наилучший найденный до настоящего времени синий излучатель -- это монохлорид меди (CuCl), который нестабилен при высоких температурах, необходимых для получения интенсивного света. Если температура пламени превышает необходимую для оптимального молекулярного излучения, молекулы быстро распадаются. По указанной причине для получения при фейерверке отчетливого синего свечения необходимо особенно точно регулировать относительный состав и размеры частиц требуемых химических веществ. То же самое остается справедливым в отношении лилового и фиолетового цветов, которые получаются при совместном свечении хлорида стронция и хлорида меди, образующихся в пламени.

Цветосоздающие соединения в сочетании с соответствующими горючими компонентами и окислителями способны создавать специальные эффекты. Каскады красных искр обязаны своим цветом присутствию в смеси карбоната стронция (излучающего красный свет) и гранул алюминия (создающих искры) Другое соединение стронция--(нитрат стронция)-- смешивается с перхлоратом калия (окислителем и источником хлора) и с различными горючими компонентами с целью получения отчетливого красного свечения в сигнальных ракетах.

14. Подбор окислителей и горючего

Наиболее подходящий способ применения конкретной пиротехнической смеси определяется химической активностью входящих в ее состав окислителя и горючего. Химическая активность горючего напрямую связана с количеством тепловой энергии (теплотой сгорания), выделяемой в процессе соединения с кислородом. Металлы выделяют при окислении большое количество тепловой энергии; сахар выделяет сравнительно меньше. Древесный уголь и натуральные вещества, например красный каучук (сок, особой породы деревьев) производит достаточное количество тепла для активизации цветосоздающих составов.

Химическая активность окислителя зависит от двух основных факторов: температуры и теплоты разложения. При температуре разложения окислитель начинает выделять с заметной скоростью кислород. Теплотой разложения, как подразумевается самим названием, является количество теплоты, необходимое для разложения окислителя, в процессе которого собственно и выделяется кислород. Данное количество может быть положительным (эндотермическая реакция), тогда тепло поглощается в процессе разложения, или отрицательным (экзотермическая реакция), тогда тепло выделяется.

Так реакция разложения хлората калия протекает при довольно низкой температуре (360°С) и является экзотермической.

Компоненты состава необходимо подбирать так, чтобы в пламени не возникали вещества с побочным нежелательным излучением. Известно, что из солей металлов наиболее слабые излучения дают при горении соли калия. Поэтому их (КСlO3, КСlO4, а иногда и KNO3) и используют в качестве окислителей. В качестве окислителей можно также использовать соли аммония, например, перхлорат аммония-(NH₄CIO₄). Цвет пламени у таких составов очень хороший, дыма при горении меньше, чем при использовании солей калия. Но приходится быть осмотрительным: хлоратные и перхлоратные составы требуют осторожности в обращении (содержащие КСlO3, чувствительны к трению, многие из них сильно взрывчаты, а если присутствует сера, склонны к самовоспламенению).

В составах красного и зеленого огней роль окислителей могут выполнять соответственно нитраты стронция Sr(NO₃)₂ и бария Ba(NO₃)₂.

Органические горючие выбирают с наименьшим возможным содержанием углерода. Это снижает образование сажи, излучение которой портит все цвета пламени, кроме желтого. Хорошая окраска пламени получается при использовании некоторых азотистых органических соединений, например, уротропина.

15. Получение искристых фейерверков

Вслед за созданием чистого пламени -- того или иного цвета, а иногда и букета цветов -- пиротехники задумываются над формой салюта или фейерверка, над теми эффектами, которые его сопровождают. Вот, например, так называемые "мерцающие звездки", их пламя то гаснет, то возникает вновь. Мерцающие вспышки пламени наблюдаются, когда в зоне реакции горения нарушается тепловое равновесие.

Мерцающие составы, дающие пламя практически любого цвета, впервые разработаны советскими пиротехниками.

Основа искристо-форсовых составов -- термические смеси, развивающие при горении высокую температуру, при которой основное излучение дает уже газовая фаза вещества. Эта же температура раскаляет частички искрообразователей (древесного угля, порошков алюминия и магния, их сплавов, титана, меди), а поток газа выбрасывает их в воздух из зоны горения.

Их основа -- термические смеси из перхлората аммония, азотнокислого аммония, уротропина, стабилизаторов и каталитических добавок. Цвет искр зависит от металлических порошков -- стальных или чугунных опилок, порошков алюминия или его сплавов с магнием и других, самых разных.

16. Производство фейерверочных изделий

Итак, мы знаем, как получить смесь, которая, сгорая, вспыхнет в небе яркой звездой или рассыплется мириадами огненных искр. Но между реакцией, осуществленной в лаборатории, и торжеством праздничного фейерверка лежит длинный путь, слагающийся из необходимости решения целой цепочки технических задач.

К производству фейерверочных изделий предъявляется много требований -- и к качеству продукции, и к соблюдению особых мер предосторожности. Все это усложняет и без того непростой технологический процесс.

Все опасные операции здесь механизированы и выполняются в отдельных бронированных кабинах без присутствия людей. Управление процессами осуществляется дистанционно по заранее заданной программе в соответствии с требованиями технологии. На отдельных операциях, где необходимо визуальное наблюдение за их ходом, используют системы промышленного телевидения.

В общем виде технологический процесс изготовления фейерверочных изделий состоит из следующих этапов:

1 - 3 - подготовка исходных веществ для приготовления составов (1-сушка, 2-измельчение, 3-просеивание);

4 - приготовление составов (дозирование компонентов в нужном процентном соотношении, смешивание компонентов, грануляция -- получение прочных зерен-гранул, устраняющих пыление составов и обеспечивающих возможность механизированного дозирования при последующих операциях);

5 - прессование составов для получения пиротехнических звездок и факелов в виде прочных шариков или цилиндриков.

Отдельно изготовляются корпуса изделий, а затем производится сборка.

В пиротехническом производстве качество полуфабрикатов контролируется после каждой операции, а готовые изделия испытывают на соответствие техническим требованиям, условиям безопасности хранения, транспортировки и применения.

17. Снаряды для фейерверка

Фейерверк является произведением инженерно-пиротехнической мысли.

Но в состав всех снарядов для фейерверка входят черный порох(3), для выстреливания из пусковой трубы и поджигающий его огнепроводный шнур(2). Взрыватель замедленного действия(1) поджигает разрывной снаряд высоко над землей. Различают снаряды европейского, восточного (хризантемного) типа и многократного разрыва.

Цилиндрические снаряды европейской конструкции, обычно от 7 до 30 см в диаметре, выстреливаются из металлических, картонных или пластмассовых мортир. Содержащийся в основании снаряда черный порох(3) воспламеняется и, сгорая, выбрасывает его на несколько сот метров вверх. Взрыватель замедленного действия(1) загорается в момент выстреливания снаряда; через несколько секунд, когда снаряд находится высоко над землей, заряд черного пороха(5) разрывает снаряд и поджигает зерна цветосоздающего состава (4) (так называемые "звезды"), которые беспорядочно набиты в снаряд. Звезды разлетаются в разные стороны, образуя случайную световую и цветовую композицию.

Круглые снаряды "хризантемного" типа имеют примерно такой же диаметр, как и европейские снаряды, и также выстреливаются из мортир. В снарядах хризантемного типа звезды распределены в виде сферической оболочки, окружающей центральный разрывной заряд из черного пороха. Когда заряд взрывается, он поджигает многочисленные звезды и разбрасывает их симметрично в разные стороны. В зависимости от размеров и химического состава звезд можно добиться получения мгновенной вспышки или протяженных нитей. Светящаяся нить способна даже изменяться в цвете, если звезда содержит более одного слоя цветосоздающего состава.

Снаряды многократного разрыва состоят из нескольких отсеков, в каждом из которых содержится определенный разрывной заряд и звезды (или порох для получения вспышки с грохотом). Когда разрывается один отсек, происходит поджег взрывателя замедленного действия, ведущего к следующему отсеку. В результате один снаряд обеспечивает получение нескольких разрывов. Невероятным представляется факт изготовления защитных перегородок между отдельными разрывными отсеками из обыкновенного картона.

18. Виды фейерверков

Сегодня в арсенале пиротехника--десятки видов современных изделий. Чтобы хотя бы приблизительно представить себе все это многообразие, предлагаем их краткое описание, условно классифицируя в зависимости от предназначения и характера действия.

Изделия пиротехнических фигур наземного действия служат для различных фигур и композиций, например, для "водопадов", "фонтанов", "мозаик", эмблем, призывов, лозунгов. С помощью пиротехнических свечей получают контуры различных картин в виде множества цветных точек, напоминающих горение мигающих электрических лампочек разных цветов. Красота картины зависит не только от сюжета, но и от правильного подбора свечей, сочетания цветов пламени. Сами свечи монтируются на деревянных или металлических каркасах с помощью простейших зажимов. Наиболее распространены "пиротехнические свечи", "фонтаны", "форсы".

...