Интернет-журнал "Домашняя лаборатория", 2007 №7
Шрифт:
Учитывая, что главным праздником для пиротехников является Новый год и Рождество, рассмотрим роль компонентов в пиротехнической смеси на примере хорошо всем знакомой искристой свечи, которую традиционно и неправильно называют "бенгальский огонь". Искристая свеча — это стальная проволока диаметром 0,8–1,5 мм и длиной 15–25 см, на которую обычно наклеен следующий состав:
— чугунные опилки — 30 % (по массе);
— Ва(NO3)2 — 50 %;
— алюминий (пудра) — 6 %;
— декстрин (крахмал) — 14 %.
Стоит изменить соотношения или заменить один компонент на другой, как свеча будет гореть хуже. Проверим это экспериментально.
Эксперимент 3. Очень велик соблазн взять вместо чугунных опилок порошок железа (железо,
Так что придется вам взяться за напильник. Кстати, хрупкий чугун превращается в опилки довольно легко.
Эксперимент 4. Следующая проблема — довольно дефицитный нитрат бария. Сразу хочется заменить его хотя бы нитратом калия. Попытаемся это сделать. Приготовьте смесь № 1 из 5 г нитрата бария и 3 г чугунных опилок; затем смесь № 2, пересчитанную по содержанию кислорода в окислителе, — 1,2 г нитрата калия и 1,0 чугунных опилок. Попробуйте, как во втором эксперименте (см. предыдущее занятие), поджечь образцы этих смесей. Вряд ли у вас это получится. Придется ввести в составы более легко воспламеняемое горючее. К смеси № 1 добавьте 1,4 г крахмала, а к смеси № 2–0,4 г. Тщательно перемешайте (старайтесь не перетирать изо всех сил — может получиться малоискрящаяся чугунная пыль) и снова попробуйте поджечь. Обратите внимание на характер горения. Смесь № 2 легче воспламеняется, но образует раскаленную каплю и почти не искрит. Это связано с тем, что оксид и пероксиды калия плавятся при температуре ниже 600 °C, карбонат — при 900 °C, а оксид бария — выше 2000 °C. В результате выделяющийся в смеси № 2 азот не может вытолкнуть частицы металла, прилипшие к расплаву калиевого оксида.
Наконец добавьте к смеси № 1 0,5 г алюминиевой пудры, к смеси № 2 — чуть меньше 0,2 г. Теперь обе смеси достаточно легко воспламеняются и интенсивно горят, но все равно искрят по-разному. Кстати, масса смеси № 2 не случайно взята небольшой — чтобы не переводить зря реактивы.
Но главный недостаток смеси с нитратом калия в следующем: когда она горит на проволоке, то получается жидкий шлак, капающий вниз, а это совершенно недопустимо.
Эксперимент 5. Чтобы нанести искристый состав на проволоку, лучше использовать не крахмал, а сравнительно низкомолекулярный декстрин с той же брутто-формулой — (C6H10O5)n. Получить его можно из крахмала. Насыпьте порошок крахмала на металлический лист, утрамбуйте до 1–1,5 мм и медленно нагрейте до потемнения и начала "плавления" (около 350 °C). После охлаждения стряхните неразложившийся крахмал: вам нужна темно-коричневая масса.
Эксперимент 6. Приготовьте нарезанную стальную проволоку. Не пытайтесь заменить ее алюминиевой или медной — они могут расплавиться. Заготовьте не менее 50 г смеси по приведенному выше рецепту. Сухую смесь лучше всего разводить в полиэтиленовой банке с обрезанным верхом объемом 100–200 мл (от шампуня, клея и т. п.). Когда смесь высохнет, ее остатки легко удалить из гибкой банки. Медленно добавляйте к сухой смеси воду и мешайте, пока не получите сметанообразную массу.
Проволоку покрывать смесью лучше в два приема. Обмакните и сушите ее в течение 0,5–1 часа (получается слой смеси до 1 мм). Затем обмакните снова. Общая толщина свечи должна составить 5–6 мм. Сушить свечи надо в вертикальном положении намазанной частью вниз, например втыкая проволоку в закрепленный на полке пластилин. Общее время сушки — не менее суток.
Проверьте после этого срока качество изделий. Если они горят равномерно, хорошо искрят и весь шлак удерживается на проволоке (зажгите свечу в полуметре над расстеленной газетой: на ней не должны появиться прожженные пятна) — можете дарить друзьям ваши искристые свечи.
Правила пользования обычные —
не ближе 2 м от елки, бумаги, ваты, не бросайте куда попало только что сгоревшие и тем более горящие свечи.ЗАНЯТИЕ № 5
Едва ли можно найти юного химика, ни разу ничего не взрывавшего. И самому интересно, и друзей хочется удивить. Но как сделать подобные опыты безопасными? Ясно, что запреты число несчастных случаев не уменьшат. Надо познакомить школьников с основами пиротехники. И нашелся смелый человек, рискнувший создать подобный курс. В. В. Загорский уже несколько лет ведет факультатив по теориям быстрых экзотермических реакций в специализированном учебно-научном центре МГУ и летней школе "Химера".
На прошлом занятии, на примере искристой свечи мы с вами убедились, как важно правильно подобрать компоненты в пиротехнической смеси. Причем, чтобы достичь нужного эффекта необходимо не просто стехиометрическое сочетание окислителя и восстановителя. (Напомню, для нашей искристой свечи мы использовали состав: чугунные опилки — 30 % по массе, нитрат бария — 50 %, алюминиевая пудра — 6 %. декстрин — 14 %.) Если вы попытаетесь составить уравнения реакций, соответствующие приведенному искристому составу, то обнаружите в нем избыток восстановителя. Дело в том, что частицы металла должны давать красивые искры. Поэтому сгорать им надо за счет кислорода воздуха, а не окислителя. Кстати, окислитель, кроме отдачи кислорода, отвечает за получение тугоплавкого шлака. Декстрин служит клеем, горючим и пламегасителем (поскольку выделяет воду). Алюминиевая пудра стабилизирует горение.
На первом занятии мы говорили, что пиротехнические смеси позволяют получить красивые эффекты. И самое впечатляющее из них — это, пожалуй, цветное пламя. Есть много рецептов составов цветного пламени, но если вы не понимаете физики и химии, ответственных за цвет процессов, то вам трудно выбрать нужный состав и тем более разработать его самому.
Индивидуальные вещества и смеси могут гореть, излучая в самых разных частях спектра — от ультрафиолетового (водород, сероуглерод) до инфракрасного (специальные термиты). Пламя свечи и горящего магния излучает в видимом диапазоне — в первом случае свет перед полным сгоранием испускают раскаленные частички сажи, во втором — окись магния. Оба пламени являются примерами излучателей непрерывного спектра. Глазом такое излучение воспринимается как красное при 600–900 °C, оранжевое или желтое при 900— 1200 °C и белое при более высоких температурах, до которых нагревается тело-излучатель (частички сажи и дыма в пиросмесях). При этом доля видимого света обычно составляет очень малую часть всего излучения (в основном инфракрасного).
Чтобы получить пламя, ярко окрашенное в один из цветов видимого спектра, необходимо использовать другие излучатели, способные испускать кванты только в узком диапазоне энергий. Ими могут быть атомы или молекулы в газовой фазе — более крупные частицы в горячей зоне пламени должны почти отсутствовать. Отсюда следует общий принцип для желающих получить цветное пламя: в составе должна быть смесь, горящая бесцветным пламенем, и добавка, выделяющая атомы или молекулы-излучатели. Нужно, чтобы энергии горения хватило для возбуждения излучателя (на практике не менее 3,5 кДж/г смеси). Кстати, дыма при горении может быть много — главное, чтобы твердые частицы отсутствовали именно в горячей зоне пламени. Рассмотрим конкретные примеры.
Красное пламя. Возбужденные атомы лития испускают яркий красный (671 нм) и оранжевый (610 нм) свет в виде узких спектральных полое. Однако в пиротехнике литий почти не используют, из-за относительно высокой стоимости соединений: кроме того, все литиевые соли важнейших кислот-окислителей чрезвычайно гигроскопичны. Главный излучатель красного цвета пламени в пиротехнических смесях — монохлорид стронция SrCl. В результате термического возбуждения он испускает кванты света с длиной волны 636, 648, 661, 674, 688 нм. Оксид стронция, а также моно-, фторид и монобромид не дают интенсивного и чистого красного излучения в пламени. Теоретически монохлорид стронция можно получить в пламени по реакциям: