ГОУ Гимназия 1505
«Московская городская педагогическая гимназия-лаборатория»
Реферат
«Пиротехнические смеси, почему вещества горят, взрываются»
Выполнил ученик 9 «Б» класса Шишов Константин
Руководитель Шипарева Галина Афанасьевна
Москва, 2010 г.
Оглавление:
Введение………………………………………………………………….…….3
§1. История пиротехники……………………………………………………..4
§2. Горение………….…………………………………………………………5
§3. Бенгальский огонь и обычная, не пиротехническая смесь. Оценка протекания реакции по расчету энтальпии………………………….………8
§4. Общие сведения о скорости реакции горения………………………….10
§5. Цветное пиротехническое пламя………………………………………..11
Вывод…...……………………….……………………………………………13
Литература………………………………………………………..…………..14
Введение
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