Пиротехнические смеси, почему вещества горят, взрываются

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Пиротехнические смеси, почему вещества горят, взрываются

Введение

пиротехника энтальпия пламя горение

Пиротехника - наука о свойствах горючих смесей и изделий из них, способах их изготовления и применения[1]. Пиротехнические составы широко используются в военном деле и промышленности. Но в этом реферате я буду рассматривать пиротехнику в более узком смысле - как науку, знание которой необходимо для создания произведений фейерверочного искусства.

Цели этого реферата - расширить представления о процессе горения на примере пиротехнических смесей, доступным показать, как можно определить будет ли смесь гореть и взрываться.

Задачи этого реферата - 1) рассмотреть историю развития пиротехники, 2) рассмотреть процесс горения с количественной стороны, 3) оценить возможность протекания реакции горения пиротехнической смеси по энтальпии, 4) рассмотреть основные принципы разработки смеси с разным цветом пламени.

Актуальность реферата заключается в том, что любой человек, решивший попробовать себя в пиротехнической сфере, изучив основные принципы предсказания возможности протекания реакции, будет тратить меньше времени и реактивов на приготовление не эффективных смесей.

Самым полезным источником при написании этого реферата служила книга В.В. Загорского «Огни потешные» [2], так как в ней в наиболее доступной форме рассмотрены вопросы, связанные с темой моего. Значения энтальпий образования неорганических веществ, для расчетов по предсказанию процессов реакций, я взял из справочника[3].

1. История пиротехники

Ещё в древние времена человек придавал огню большое значение. Его использовали как средство коммуникации, как предупреждение об опасности и для оформления различных ритуалов, священнодействий. У многих народов существуют традиции, связанные с использованием костров (в России - это Масленица, праздник Ивана Купалы), свечей, факелов и т.п. Это были прообразы первых фейерверков.

В современных снарядах для фейерверков продолжает использоваться старейший пиротехнический состав - черный порох. Формула черного пороха не перетерпела изменений на протяжении веков: это смесь нитрата калия, древесного угля и серы в отношении 75:15:10 по массе. Горючие свойства этой смеси известны человечеству не менее полутора тысяч лет. Несколько меньший срок люди знакомы с метательным действием и взрывчатыми свойствами данной смеси, получившей название «черный» или «дымный порох». История создания черного пороха, служившего единственным взрывчатым веществом в течение 600 лет, прежде всего, является историей развития промышленного неорганического синтеза.

Два из трёх компонентов черного пороха - сера и древесный уголь - известны с древнейших времен. Но только разработка методов получения и очистки легко разлагающегося окислителя - калиевой селитры - позволила человеку осуществить горение без доступа воздуха.

«Родиной» селитры можно считать Китай, так как первое описание состава и рецепта приготовления горючей смеси из селитры, серы и угля связывают с именем лаосского алхимика. Приводимый состав смеси (40 частей селитры, 20 частей серы и 5 частей угля) соответствует медленно горящему ракетному топливу, но не взрывчатому пороху. Фейерверки на основе горючих смесей были известны в Китае и раньше.

Ключевую роль в распространении фейерверка сыграл Марко Поло, который после долгих странствий привез на родину порох из Китая и уже к XV веку, каждая европейская страна имела свою версию фейерверка. В Италии и Германии даже сформировались пиротехнические школы.

В начале XIX века развитие фейерверка вступило в новую стадию. Теперь пиротехники задумались не только над технической стороной, но и над варьированием цвета фейерверка. Палитра значительно расширилась, также появились новые спецэффекты.

В России первый фейерверк был устроен в городе Устюг в 1674 году. При Петре I фейерверки становятся частью увеселений, устраиваемых на различных торжествах. Последний фейерверк в дореволюционной России был в августе 1915 года в честь взятия русскими войсками Перемышля. Возрождаться у нас фейерверки стали со времен Великой Отечественной Войны. В День Победы над фашистской Германией, 9 Мая 1945 года, был дан салют 30 залпами из 1.000 орудий. Впечатляющими выглядели и фейерверк, сопровождавший эти залпы, и световой шатер над центром Москвы, образованный лучами 160 прожекторов.

2. Горение

Ни одна пиротехническая реакция не обходится без горения и выделения тепла.

Горение - процесс, при котором происходит превращение вещества или смеси веществ, сопровождающееся интенсивным выделением энергии и теплообменом с окружающей средой[2]. Данное определение относится не только к химическим реакциям. В активной зоне атомных электростанций происходит именно горение ядерного топлива. Горение основано на способности некоторых превращений протекать с самоускорением за счёт выделяющегося тепла или накопления активных частиц (атомов и радикалов в химических реакциях, нейтронов в ядерных реакциях).

При горении световое излучение может почти отсутствовать, но тепло выделяется всегда. Реакции горения, протекающие в пиротехнических смесях, используются для получения световых эффектов, а также для совершения механической работы - выбрасывания искр и звёздочек, полета ракет и т.п. Очевидно, что движение ракеты связанно не только с выделением тепла, но и с образование газов в результате горения.

Одного понятия «теплоты» характеристики таких реакций не достаточно.

Следовательно, полное изменение энергии в результате горения пиротехнической смеси с образованием газообразных продуктов выражается суммой внутренней энергии ?U и энергии расширения газов P?V, где P - давление, а ?V - изменение объема. В химической термодинамики эту сумму называют изменением энтальпии ?H:

?H=?U+P?V.

Энтальпия - теплота, поглощенная системой в реакции, в сумме с механической работой, совершенной внешними силами над системой[2]. Так как при горении теплота и газы не поглощаются, а выделяются, энтальпия реакций всегда отрицательна. Вычислить изменение энтальпии реакции можно, не проводя саму реакцию, поскольку имеются табличные данные по стандартным энтальпиям образования химических соединений [3, c. 44-121].

Значение энтальпии для простых веществ в наиболее устойчивой форме равно нулю. Например, элемент кислород существует в виде двух простых веществ - газа кислорода O₂ и газа озона О₃. Кислород составляет 21% воздуха и вполне устойчив при стандартных условиях. Озон О₃ - газ, запах которого можно ощущать во время грозы и вблизи мощных ультрафиолетовых излучателей. Этот газ образуется из кислорода в верхних слоях атмосферы под действием космических лучей и жесткого ультрафиолетового излучения солнца. Озон легко распадается с образованием кислорода. Озон - неустойчивая форма существования элементарного кислорода.

Уравнение реакции:

3O₂ = 2O₃

Уравнение энтальпии:

?H=+285кДж, или 142,5кДж/моль озона

Поскольку ?H = 0 для кислорода O₂ по определению, энтальпия реакции, пересчитанная на 1 моль O₃, и будет стандартной энтальпией образования O₃. Положительное значение свидетельствует о затрате энергии (кислород + энергия) при образовании озона.

Пользуясь табличными значениями ?H для исходных соединений и продуктов реакции, легко определить энтальпию реакции. Для этого из суммы табличных значений энтальпий образования продуктов реакции надо вычесть соответствующие значения для исходных веществ с учетом коэффициентов в уравнении реакции.

Рассмотрим следующий пример - горение пиротехнической смеси, состоящей из хлората калия и угля:

2KClO₃+3C=2KCl+3CO₂

С учетом коэффициентов в уравнении реакции получаем:

?H = [2 • ?H (KCl) + 3 • ?H (CO₂)] - [2 • ?H (KClO₃) +3 • ?H(C)]

?H = [2•(-437) + 3•(- 394)] - [2• (- 389) + (0)] =-1278 кДж

Большое отрицательное значение энтальпии указывает на возможность самопроизвольного протекания этой реакции. Реакции, в ходе которых энергия выделяется в окружающую среду, называются экзотермическими. Для более объективной оценки возможности осуществления самоподдерживающегося процесса горения следует вычислить энтальпию реакции на 1 г исходной смеси:

-1278/281 г. = - 4,55 кДж/г

Известно, что устойчивое горение обычно возможно в смеси веществ, способной выделять при реакции не менее 1,5 кДж/г.

3. Бенгальский огонь. Оценка протекания реакции по расчету энтальпии

Пользуясь полученными знаниями из § 2 и табличными значениями ?H [3, с. 44-121] для исходных соединений и продуктов реакции, проведем расчет энтальпии реакций горения бенгальского огня

Основными реакциями здесь являются разложение хлората калия и горение магния:

1) 2KClO₃ = 2KCl + 3O₂

2) O₂ + 2Mg = 2MgO

Проведем расчет энтальпии для двух реакций:

1) ?H = [2 • ?H (KCl) + 3 • ?H (O₂)] - [2 • ?H (KClO₃)]

?H = [2 • (-437) + 3 • (0)] - [2 • (-389)] = - 96 кДж

2) ?H = [2 • ?H (MgO)] - [2 • ?H (Mg) + 1 • ?H (O₂)]

?H = [2 • (-602)] - [2 • (0) + 1 • (0)] = -1204 кДж

Теперь сложим полученные энтальпии двух реакций:

[-96] + [-1204] = -1300 кДж

Большое отрицательное значение энтальпии указывает на возможность самопроизвольного протекания этих реакции, и, следовательно, реакция горения бенгальского огня является экзотермической.

Теперь рассчитаем энтальпию реакции горения обычной не пиротехнической смеси. Заменим в реакции горения бенгальского огня хлорат калия на сульфат калия:

1) 2K₂SO₄ = 2K₂SO₃ + O₂

2) O₂ + 2Mg = 2MgO

Определим энтальпию реакции:

1) ?H = [2 • ?H (K₂SO₃) + 1 • ?H (O₂)] - [2 • ?H (K₂SO₄)]

?H = [2 • (-1119) + 3 • (0)] - [2 • (-1439)] = 640 кДж

Положительное значение энтальпии говорит о том, что для осуществления этой реакции к реагентам необходимо подводить энергию, - следовательно, эта смесь гореть не может. Реакции, которые могут идти только с поглощением энергии из окружающей среды, называются эндотермическими[2].

Приведенные примеры показывают, что использование табличных данных позволяет экономить реактивы и не тратить время на приготовление неэффективных смесей.

4. Общие сведения о скорости протекания реакций горения

Для предсказания горючих свойств смеси необходимо использовать методы двух разделов физической химии - химической термодинамики (возможность реакции, вероятные продукты и тепловой эффект) и химической кинетики (скорость и механизм процесса). В настоящее время строгие теоретические расчеты скорости реакции возможны только для газофазных реакций, когда газами являются все исходные вещества и все продукты реакций.

Реакции горения пиротехнических смесей начинаются не в твердой смеси, а чаще всего в жидком или газовом слое, который образуется над смесью при ее нагревании. Для зажигания смеси селитры с углем необходимо сначала расплавить селитру. Аммиачная селитра плавится гораздо легче, чем калийная или натриевая, поэтому ее смесь с углем загорается легче, чем смесь калийной селитры с углем.

Быстрая экзотермическая реакция горения происходит в газокапельном слое над твердой смесью, образованном газообразными и жидкими продуктами сгорания, парами азотной кислоты и аммиака (продукты распада нитрата аммония), жидкими микро каплями оксида, нитрата и нитрита калия (калийная селитра). Однако для осуществления этой быстрой реакции необходимо разогреть поверхность твердой смеси до температуры испарения наиболее летучих веществ. Скорость этого разогрева определяется соотношением тепловыделения в газокапельном слое и тепло затрат на плавление и испарение исходных веществ.

Реакция горения пиротехнической смеси обычно начинается в газовом или жидком слое над поверхностью смеси; скорость горения смеси определяется сочетанием процессов плавления, испарения, выделения тепла в зоне реакции, расходованием его на перечисленные эндотермические фазовые переходы и уносом энергии продуктами с высокой теплоемкостью. Отсутствие в смеси легко испаряемых веществ ухудшает воспламеняемость, но и их слишком легкое испарение приводит к «отрыву» зоны экзотермических реакций от поверхности, что замедляет горение.

5. Цветное пиротехническое пламя

Из всех фейерверочных эффектов самым впечатляющим является, пожалуй, цветное пламя. Существует огромное количество рецептов составов цветного пламени, но без понимания физики и химии «ответственных» за цвет процессов трудно выбрать нужный состав и тем более разработать его самому. Рассмотрим общие принципы получения цветного пламени.

Принципы разработки смесей цветного пламени. Для получения пламени, ярко окрашенного в один из цветов видимого спектра, необходимо использовать излучение атомов или молекул, способных испускать кванты только в узких областях энергии (спектра). Более крупные частицы в горячей зоне пламени должны отсутствовать (или получаться в минимальном количестве). Общий принцип - состав цветного пламени должен представлять сочетание смеси, горящей в видимом диапазоне бесцветным пламенем, и добавки, выделяющей при данной температуре атомы или молекулы-излучатели. Энергия горения должна быть достаточной для возбуждения излучателя (не менее 3,5 кДж/г смеси). Общее количество дыма при горении может быть велико, - главное, чтобы твердые частицы отсутствовали именно в горячей зоне пламени[2].

Способы получения конкретных цветов пламени:

1. Красное пламя.

Возбужденные атомы лития испускают яркий красный и оранжевый свет в виде узких спектральных полос. Однако в пиротехнике литий практически не используется из-за относительно высокой стоимости его соединений; кроме того, все литиевые соли важнейших кислот-окислителей чрезвычайно гигроскопичны. Главный излучатель красного цвета пламени в пиротехнических смесях - хлорид стронция SrCI₂. Эти частицы в результате термического возбуждения испускают кванты света. Другие соединения стронция - оксид, а также фторид и бромид не дают интенсивного и чистого красного излучения в пламени.

2. Желтое пламя.

Желтый излучатель наиболее доступен. Им являются возбужденные атомы натрия. Выше 10000°C большинство соединений натрия легко диссоциирует, и в пламени появляется линейчатый спектр излучения атомарного металла. В крупных городах улицы вечером освещают желтые натриевые лампы, в которых пары металла возбуждаются электрическим разрядом. Желтое пламя легко получить, если использовать в качестве окислителя натриевую селитру. Менее гигроскопичными будут составы с нитратом калия (калий дает в видимой области бледно-фиолетовое пламя).

3. Зеленое пламя.

Зеленый свет испускают возбужденные атомы таллия, соединения бария, бора и меди. Однако соединения таллия чрезвычайно ядовиты. Наиболее эффективный излучатель - хлорид бария ВаСI₂. Реакции получения в пламени ВаСl₂ те же, что и в случае хлорида стронция. Поскольку, в отличие от стронция, малогигроскопичным является не только нитрат бария, но и его хлорат, раньше были популярны составы на основе Ва(СlO₃)₂ • H₂O. Но такие составы обладают высокой чувствительностью к механическим воздействиям, поэтому в настоящее время они не производятся.

4. Синее пламя

В отличие от рассмотренных выше цветов, синее пламя имеет невысокую чистоту интенсивность - оптимальные излучатели синего спектра не найдены. В современной пиротехнике синее пламя получают, используя в качестве излучателя молекулы хлорида меди CuCI₂. хлорид меди испускает кванты в синей части видимого спектра при температуре не выше 1200°С.

Вывод

пиротехника энтальпия пламя горение

Ещё в древние годы человек использовал огонь как средство коммуникаций, для оформления различных ритуалов, священнодействий и т.д. В современных снарядах для фейерверков продолжает использоваться старейший пиротехнический состав - черный порох, «родиной» которого можно считать Китай. Ключевую роль в распространении фейерверка сыграл Марко Поло, который привез на родину порох из Китая. В России фейерверки становятся частью увеселений при Петре I.

Количественно охарактеризовать процесс горения можно на основе величины изменения энтальпии реакции ?H. Горение обычно возможно в смеси веществ, способной выделять при реакции не менее 1,5 кДж/г. Если ?H < 0, то процесс горения пиротехнической смеси идет самопроизвольно.

Для получения пламени, ярко окрашенного в один из цветов видимого спектра, необходимо использовать излучение атомов или молекул, способных испускать кванты только в узких областях энергии (спектра). Более крупные частицы в горячей зоне пламени должны отсутствовать (или получаться в минимальном количестве). Состав цветного пламени должен представлять сочетание смеси, горящей в видимом диапазоне бесцветным пламенем, и добавки, выделяющей при данной температуре атомы или молекулы-излучатели (Li - красный и оранжевый цвета, Na - желтый цвет, Ba, Cu, B - зеленый цвет, CuCI₂ - синий цвет).

Список литературы

1. http://myrockets.narod.ru. Статья «Общие свойства пиротехнических составов и их компонентов»

2. Загорский В.В. Огни потешные. Фейерверк: история, теория, практика. М.: Школа им. А.Н. Колмогорова, «Самообразование», 2000 г.

3. Робинович В.А., Хавин З.Я. Краткий химический справочник. СПБ: Химия, 1994 г.

4. Конклинг Джон А. Пиротехника.

5. http://ru.wikipedia.org

6. http://www.xumuk.ru

Размещено на Allbest.ru