| Скачать .docx |
Реферат: Волшебные огни
Волшебные огни
·Светящаяся надпись
·И вдруг вспыхнула свеча!
·Свеча и волшебная палочка
·Цветное пламя свечи
·Спиртовые огни
·Вода вместо спичек, или Пероксид-воспламенитель
·Горящая кислота
·Огненный дождь... взаперти
·Железо горит!
·И с помощью лимонной кислоты...
·Пламя — и сноп искр
·Горящий снег
·Зеленое пламя
·Факел из эфира
·Фейерверк над тиглем
·Огни в жидкости
·Небесный огонь
·Натрий-колдун
·Хромовая зажигалка
·Волшебное пламя
·Пробирка-факел
·Самовозгорание?
·В кислороде...
По одной из библейских легенд, на стене дворца вавилонского царя Валтасара во время пира вдруг возникли светящиеся письмена.
Химики доказали, что такое чудо возможно: на черной стене может вспыхнуть, а потом погаснуть надпись или рисунок. Для этого надо приготовить специальные фосфорные «карандаши». В пробирку вносят 1 г белого фосфора Р4 (осторожно, он ядовит и огнеопасен!) в виде нескольких горошин и добавляют 2 г стеарина или парафина. Закрывают пробирку тампоном из стекловаты и нагревают на водяной бане, периодически взбалтывая. После расплавления содержимого пробирки ее охлаждают в холодной воде. Когда смесь затвердеет, пробирку разбивают и извлекают застывший стержень (это надо делать, предварительно надев резиновые перчатки). Хранить его можно только под слоем воды, в закрытой склянке. Если таким «карандашом» сделать надпись на куске картона, то в темноте она будет светиться, а потом постепенно исчезнет.
Стеарин защищает белый фосфор от быстрого окисления кислородом воздуха и тем самым увеличивает продолжительность свечения. А само свечение вызвано реакцией медленного окисления фосфора:
Р4 + 3О2 = Р4 О6
Р4 О6 + 2О2 = Р4 О10
с образованием в конечном счете оксида фосфора(V) Р4 010 , вступающего во взаимодействие с влагой воздуха. При этом получаются мельчайшие капельки ортофосфорной кислоты Н3 Р04 , образующие легкий белый дымок.
За 2000 лет до н. э. жрецы Древнего Египта во время богослужений вызывали внезапное возгорание огней в храмах и этим повергали молящихся в ужас. Простые люди полагали, что с огнем в храм входит сам верховный бог Аммон — создатель сущего, творец плодородия...
Внезапное возгорание свечи легко может показать учитель химии или руководитель химического кружка. Этот опыт состоит из двух операций. Вначале в склянке с пришлифованной пробкой готовят раствор белого фосфора Р4 (3 — 4 кусочка, каждый размером с горошину) в 10— 15 мл сероуглерода (дисульфида углерода) CS2 . Затем фитиль свечи «разлохмачивают» на отдельные ниточки и пропитывают их полученным раствором из капельницы так, чтобы он не потек по самой свечке. После этого наступает время ожидания. Дисульфид углерода быстро испаряется, оставляя на фитиле свечи мельчайшие частички белого фосфора. Фосфор окисляется на воздухе с выделением значительного количества теплоты, а это через некоторое время (обычно 15—10 минут) вызывает «внезапное» воспламенение свечи.
Зажечь свечу без спичек можно вполне безобидным способом, но то же под контролем преподавателя или руководителя химического кружка. Для этого потребуется сначала имитировать настоящую свечу — тонкую стеклянную пробирку облить снаружи расплавленным парафином или стеарином (можно даже просто накапать парафин с горящей свечи, держа ее наклонно). В пробирку наливают на 1/2 ее объема этанол С2 Н5 ОН (этиловый спирт) и надевают на нее металлический колпачок с отверстием, через которое пропущен фитиль из 5 — 10 ниток бумажной пряжи. Колпачок тоже надо облить расплавленным парафином.
Пламя свечи можно сделать зеленым, красным, синим, если поступить следующим образом. Надо расплавить обычную свечу в металлической миске, вынуть из расплава фитиль, а в расплав внести немного (1/2 чайной ложки на одну свечу) соли, вызывающей окраску пламени.
Красное пламя получается, если в расплав добавить хлорид стронция SrCl2 ·6Н2 О, зеленоватое — при введении в расплав хлорида бария ВаС12 ·2Н2 О. Малиновый цвет можно придать пламени, если к расплаву добавить хлорид лития LiCl. А желтый цвет появится, если ввести в парафин свечи хлорид натрия NaCl или оксалат натрия Na2 C2 O4 . Сине-зеленый цвет пламени получается при смешивании расплава с хлоридом меди CuCl2 . Расплав тщательно перемешивают с солью и выливают в фарфоровое блюдечко для варенья. Там же по центру располагают фитиль, выставив один его конец из расплава. После того как расплав застынет, можно опробовать новые «свечи».
Если соль, способную окрашивать пламя, внести в горящий этиловый спирт С2 H5 ОН, то пламя станет цветным. Для этого поступают следующим образом. В три небольшие чашки кладут тампоны из волокнистых веществ — пакли, ваты или асбеста, пропитанные концентрированными водными растворами солей, окрашивающих пламя, а затем отжатые и высушенные. После этого тампоны обливают этиловый спиртом в таком количестве, чтобы часть его осталась в чашке, и поджигают. Если такие чашки расставить в разных местах комнаты, то можно получить «гирлянду» зеленых, красных, желтых, малиновых и синих огней без дыма и запаха. «Букет» из цветных огней получают, располагая чашки с горящим спиртом друг около друга на разной высоте. По мере выгорания следует добавлять в чашки спирт, пользуясь длинной пипеткой емкостью 15—25 мл и погружая ее конец под тампон в жидкость.
Вместо солей, перечисленных ранее, можно использовать нитраты лития, стронция, меди и натрия. Однако эффект будет гораздо слабее из-за того, что эти соли менее летучи.
Вода вместо спичек, или Пер оксид-воспламенитель
Цветное пламя можно получить и совсем другим способом. Особенно интересно, что в роли «спичек», поджигающих горючую смесь, будет... вода!
Для этого опыта потребуются три фарфоровые тарелки, в которые мы поместим соответственно:
· смесь равных объемов (например, по 1 чайной ложке) сухого пероксида натрия Na2 O2 и алюминиевой пудры, смешанной со щепоткой соли, окрашивающей пламя;
· cмесь, состоящую из двух объемов (две чайные ложки) сухого пероксида натрия и одного объема (одна чайная ложка) сухих древесных опилок;
· втрое сложенный листок фильтровальной бумаги, на которую насыпают немного (1 чайную ложку) сухого пероксида натрия Na2 O2 .
Во вторую и третью тарелки (с опилками и с бумагой) тоже добавляют понемногу соли, вызывающей окраску пламени. После этого, поставив тарелки подальше друг от друга, приливают на смеси по 3 — 4 капли воды из длинной пипетки. В первой тарелке смесь сгорает ослепительным цветным пламенем и со вспышкой. В остальных тарелках загораются и горят опилки и бумага, а пламя хотя и спокойное, но тоже цветное.
Механизм воспламенения смесей таков: вода разлагает пероксид натрия Na2 02 до гидроксида натрия NaOH и кислорода O2 :
2Na2 O2 + 2Н2 O = 4NaOH + O2 ↑
с таким большим выделением теплоты, что от этого загорается не только алюминиевая пудра, но также целлюлоза бумаги и древесины.
При сгорании алюминия образуются оксид алюминия и оксид натрия, которые взаимодействуют между собой с образованием алюмината натрия:
2А1 + 3Na2 O2 = А12 O3 + 3Na2 O;
Al2 O3 + Na2 O = 2NaA1O2
В фарфоровую чашку насыпают чайную ложку сухого пероксида натрия Na2 O2 , не содержащего примеси карбоната натрия Na2 CО3 , и щепотку соли (SrCl2 ∙6Н2 0, ВаС12 ∙2Н2 О, LiCl и др.), вызывающей окраску пламени. Затем на эту смесь выливают из длинной пипетки 3 — 4 капли 90 — 98% -ной уксусной кислоты СН3 СООН (так называемая «ледяная» уксусная кислота). После падения каждой капли кислоты на пероксид натрия происходит ослепительная цветная вспышка, которая отличается редкой красотой.
Химическая реакция горения кислоты не отличается особой сложностью: ее продукты — гидроксид натрия NaOH и монооксид углерода СО:
2Na2 O2 + CH3 COOH = 4NaOH + 2СО↑
Пероксид натрия впервые получил французский химик Жозеф Гей-Люссак в 1811 г. Он же наблюдал вспышки концентрированной уксусной кислоты при контакте с Na2 O2 .
На дно большой бутыли (емкостью 3 — 5 л) насыпают слой сухого речного песка толщиной 2—3 см и затем наполняют ее хлором. Хлор, как известно, можно получить действием концентрированной соляной кислоты на диоксид марганца или перманганат калия. Для этого в круглодонную колбу насыпают на 1/4 ее объема Мп02 или КМnO4 и вставляют резиновую пробку с капельной воронкой и отводной стеклянной трубкой. Колбу закрепляют в штативе и помещают в вытяжной шкаф. Затем наливают в капельную воронку соляную кислоту и начинают по каплям добавлять ее в круглодонную колбу. Начинается реакция:
МnO2 + 4НСl = МnСl2
(или 2KMnO4 + 16НС1 = 2КС1 + 2МnСl2 + 5C12 ↑ + 8H2 O)
Длинную газоотводную трубку погружают в большую бутыль до самого ее дна. Хлор тяжелее воздуха и будет постепенно вытеснять его. Чтобы узнать, наполнена ли бутыль хлором, подносят к ее горловине фильтровальную бумажку, смоченную водным раствором иодида калия. В результате реакции:
2KI + С12 = 2КС1 + I2
выделяется иод I2 и бумажка чернеет. Бутыль, наполненную хлором, закрывают пробкой. Выполнив эти операции, растирают в фарфоровой ступке сурьму Sb до порошкообразного состояния и наполняют этим порошком небольшую пробирку на 1/4 ее объема. Вынув пробку, осторожно постукивая по пробирке пальцем, небольшими порциями высыпают порошок сурьмы в бутыль с хлором. Сурьма тотчас же воспламеняется и сгорает, образуя «огненный дождь» и разбрасывая во все стороны искры. Склянка наполняется белым дымом продуктов взаимодействия сурьмы и хлора:
2Sb + 3Cl2 = 2SbCl3
2Sb + 5C12 = 2SbCl5
Горят, конечно, не крупные изделия из металла, а тончайшие его порошки, приготовление которых требует известного искусства. Первым, кто обнаружил это свойство порошкообразного железа, был немецкий химик Генрих Густав Магнус в 1825 г. Сейчас уже трудно установить, зачем он стал нагревать оксалат железа(II) FeC2 O4 ∙2H2 0, но его явно заинтересовал черный продукт термического разложения, который он принял за оксид железа FeO. Высыпав его еще теплым из сосуда, где шло разложение, в фарфоровую чашку, изумленный Магнус увидел сноп искр. И он сам, и его коллеги-химики повторяли много раз этот опыт и пришли к выводу, что «из оксида железа оставшееся тепло выходит в виде света». Только позднее было установлено, что воспламеняются мельчайшие частички металла.
Для получения самовоспламеняющихся («пирофорных») порошков Железа применяется термическое разложение соли щавелевой кислоты Н2 С2 O4 — оксалата железа(П) FeC2 O4 ∙2Н2 О. Эту соль надо заранее получить, сливая растворы сульфата железа(П) FeSO4 и оксалата аммония (NH4 )2 C2 O4 . Выпадает лимонно-желтый осадок:
FeSO4 + (NH4 )2 C2 O4 + 2Н2 O = FeC2 O4 ∙2H2 O↓ + (NH4 )2 SO4
Осадок отфильтровывают и высушивают между листами фильтровальной бумаги. Сухой порошок FeC2 O4 ∙2Н2 0 засыпают в пробирку на1/4 ее объема и прокаливают, держа ее в пламени газовой горелки с небольшим наклоном в сторону отверстия. Прокаливание ведут при умеренной температуре (150—200 °С). Разложение FeC2 O4 ∙2H2 O отвечает уравнению:
FeC2 O4 · 2Н2 O = Fe + 2СО2 ↑ + 2H2 O↑
Капли воды снимают со стенок пробирки трубочкой, свернутой ид фильтровальной бумаги. Как только лимонно-желтый порошок почернеет, нагревание прекращают, а пробирку закрывают пробкой, Еще теплое содержимое пробирки высыпают порциями в трубку высотой 1 м в шириной 3—4 см, установленную на асбестовом или металлическом листе. Черный порошок железа, высыпаясь из пробирки, самовоспламеняется и сгорает, образуя красивый сноп искр:
3Fе + 2O2 = (FeII Fe2 III )O4
Продукт реакции – тетраоксид дижелеза(III)-железа(II). Средний размер частиц порошкообразного железа около 5·10-3 мм. Их огромная поверхность соприкосновения с воздухом резко повышает скорость окисления железа. При этом выделяется так много теплоты, что порошок воспламеняется.
И с помощью лимонной кислоты...
Пирофорный порошок железа получается и из цитрата железа. Чтобы получить цитрат железа(II) Fe3 (C6 H3 O7 )2 , в водный раствор лимонной кислоты Н3 {С6 Н5 О7 ) вносят небольшими порциями мелкие железные опилки, а смесь нагревают. При этом железо химически растворяется, выделяя водород:
3Fe + 2Н3 (С6 Н5 O7 ) = Fe3 (C6 H5 O7 )2 + 3H2 ↑
Раствор цитрата железа(II) упаривают до начала кристаллизации соли, охлаждают, затем отфильтровывают и сушат выпавшие кристаллы. Реакция термического разложения Fe3 (C6 H5 O7 )2 ∙Н2 О сопровождается выделением монооксида углерода СО и углерода:
Fe3 (C6 H5 O7 )2 ∙Н2 O = 3Fe + 9СО↑ + 3С + 6Н2 О↑
Красивый сноп искр можно получить, высыпая в пламя горящей спиртовки порошки таких металлов, как алюминий, титан, цирконий или магний. Порошок сбрасывают с фарфоровой ложечки или со шпателя небольшими порциями. При горении порошков металлов образуются оксиды А12 O3 , TiO2 , ZrO2 и MgO. В опыте не следует использовать тончайшие порошки (пыль или пудру) этих металлов: в пламени они могут взорваться. Пудра циркония может взорваться уже при комнатной температуре.
Возьмите жестяную консервную банку, наполните ее на 3/4 объема снегом и положите в середину 3—4 гранулы карбида кальция. Сверху засыпьте гранулы СаС2 снегом и поднесите к банке горящую спичку. Снег вспыхивает и горит коптящим пламенем.
Суть этого опыта в том, что при реакции СаС2 с водой (взятой в виде снега) выделяется ацетилен. Именно ацетилен горит коптящим пламенем, создавая иллюзию горения снега.
В фарфоровой чашке смешайте 10 мл этилового спирта С2 Н5 ОН, 10 мл концентрированной серной кислоты и 2 г буры Na2 B4 O7 ∙10Н2 О. Теперь подожгите смесь. Она будет гореть красивым зеленым пламенем.
При взаимодействии С2 Н5 ОН, H2 SO4 и Na2 B4 O7 ∙10Н2 O получается борно-этиловый эфир состава В(ОС2 Н5 )3 :
12С2 Н5 ОН + H2 SO4 + Na2 B4 O7 = 4В(ОС2 Н5 )3 + Na2 SO4 + 7Н2 O,
который горит, образуя пламя зеленого цвета
2В(ОС2 Н5 )3 + 18O2 = В2 O3 + 12СО2 + 15Н2 O
Очень эффектный опыт – горение борно-этилового эфира на выходе простой установки, состоящей из конической колбы, пробки и газоотводной трубки. Для опыта следует подготовить 5—10 г борной кислоты — гидроксида бора В(ОН)3 , 50 мл этилового спирта С2 Н5 ОН и 50 мл концентрированной серной кислоты H2 SO4 . Смешивают в колбе гидроксид бора со спиртом, вносят туда же серную кислоту, закрывают пробкой с трубкой и ставят нагревать на электрическую плитку. Как только в жидкости начнут появляться пузырьки газа, содержимое колбы перемешивают, вращая ее, и после этого подносят горящую лучинку к выходному отверстию газоотводной трубки. Появляется зеленое пламя, которое лучше всего наблюдать, выключив свет в помещении.
Смешайте на сухой бумаге одинаковые объемы (не больше чем по одной ложечке) порошков перманганата калия, древесного угля и порошка железа. Смесь насыпьте в пробирку из тугоплавкого стекла или железный тигель, поместите в кольцо или в лапку штатива (пробирку — выходным отверстием вверх) и нагревайте пламенем спиртовки или газовой горелки.
Вскоре из смеси начинает вылетать поток ярко светящихся частиц! настоящий «звездный дождь». Уголь и железо окисляются кислородом, выделяющимся при термическом разложении перманганата калия.
В небольшой стеклянный цилиндр на высоту 10—12 см налейте концентрированную серную кислоту. Сверху осторожно налейте этиловый спирт С2 Н5 ОН, наполнив цилиндр почти до верха. Затем в цилиндр всыпьте предварительно измельченные кристаллы перманганата калия.
Падающие крупинки КМnО4 достигают границы, разделяющей спирт и серную кислоту, и вызывают вспышки огней, так что в течение нескольких минут можно наблюдать в жидкости настоящий фейерверк!
Огни в жидкости возникают, когда этанол мгновенно воспламеняется при контакте с оксидом марганца(VII), который образуется при реакции КМnO4 и H2 SO4 .
Химик-«факир» может одним движением руки зажечь костер без спичек. Конечно, подобного рода спектакль должен быть тщательно подготовлен.
На железный лист или на кирпичи кладут несколько кристаллов перманганата калия и смачивают их концентрированной серной кислотой. Вокруг раскладывают древесные щепки, устраивая «костер». Важно, чтобы щепки не касались кристаллов КМпO4 . «Факир» смачивает этиловым спиртом небольшой клочок ваты и незаметно зажимает его между пальцами. В момент, когда нужно зажечь «костер», вполне достаточно выдавить капли спирта из ватного тампона — так, чтобы они попали на смесь перманганата калия с серной кислотой, где в соответствии с уравнением реакции, приведенным ранее, образуется оксид марганца(VII) — сильнейший окислитель, поджигающий этанол.
«Костер» мгновенно загорается. Надо иметь в виду, что «факир» должен сразу же убрать руку с ватным тампоном, иначе тампон тоже может загореться.
В кучку деревянных палочек, которая будет изображать костер, за пять минут до демонстрации опыта помещают гранулу натрия размером с горошину, а затем поливают ее водой, но не очень обильно (чтобы палочки не намокли и могли гореть). Этого будет достаточно, чтобы прошла реакция с выделением водорода и образованием большого количества теплоты:
2Na + 2H2 O = 2NaOH + H2 ↑
Все это приводит к возгоранию «костра».
Чтобы зажечь костер без спичек, можно использовать красные кристаллы оксида хрома(VI) CrO3 . Надо только очень тщательно просушить это вещество. Чтобы «костер» загорелся, нужно полить СгO3 небольшим количеством этилового спирта. При соприкосновении с сильным окислителем спирт вспыхивает, а пламя мгновенно охватывает костер:
4СгО3 + С2 Н5 ОН = 3Н2 O + 2СO2 + 2Сг2 О3
Сожгите немного (10—15 мл) этилового спирта в фарфоровой чашке. Обратите внимание: спирт горит почти бесцветным пламенем. Когда горение закончится, в ту же чашку налейте еще 10 мл спирта и 1 мл насыщенного раствора гидроксида бора В(ОН)3 . Подожгите смесь, и вы тут же обнаружите: пламя стало ярко-зеленым! Зеленое пламя, получаемое при горении борно-этилового эфира, — отличная качественная реакция на присутствие соединений бора в пробе сжигаемого вещества.
Налейте в пробирку 1 мл концентрированной уксусной кислоты. Пробирку надо закрыть пробкой с газоотводной трубкой и закрепить в лапке штатива в наклонном положении, а потом осторожно нагреть. После того как уксусная кислота закипит и пары ее начнут выходить из отверстия пробирки, подожгите их лучинкой. Появятся длинные языки слабо светящего пламени, похожие на огненный веер.
Горение уксусной кислоты отвечает уравнению реакции:
СН3 СООН + 2O2 = 2С02 ↑ + 2Н2 O
С прекращением образования паров уксусной кислоты горение заканчивается и огонь гаснет.
На железном листе или в фарфоровой чашке смешайте гранулы пероксида натрия с мелко разорванной фильтровальной бумагой. На приготовленную смесь нанесите несколько капель воды. Бумага тотчас воспламенится. Если «фокусник» сумеет внести в смесь воду незаметно для зрителей, произнося при этом таинственные «заклинания», то опыт произведет замечательное впечатление.
Возгорание смеси пероксида натрия с целлюлозой (фильтровальная бумага) вызвано выделением большого количества теплоты при реакции Na2 O2 с водой и получением атомного кислорода:
Na2 O2 + Н2 О = [О] + 2NaOH
Если гранулу фосфора или немного магниевой стружки сжигать в кислороде, то можно наблюдать ярчайшее пламя. Получить кислород можно весьма простым образом.
Приготовьте большую стеклянную банку, химический стакан или широкий цилиндр и на дно этого сосуда насыпьте слой сухого речного песка высотой 1 см. Затем поставьте на песок чашку с концентрированным раствором пероксида водорода и внесите в нее порошкообразный диоксид марганца. Тотчас начнется выделение кислорода, который заполнит весь приготовленный вами сосуд (кислород немного тяжелее воздуха). Теперь можно поджечь красный фосфор или магниевую стружку в ложечке для сжигания и внести ее в сосуд с кислородом.
Уравнения реакций горения таковы:
2Mg + O2 = 2MgO;
4P + 5O2 = P4 O10