II Международный конкурс
научно-исследовательских и творческих работ учащихся
«СТАРТ В НАУКЕ»
 
     

ОГОНЬ – ПАМЯТНИК ПРОМЕТЕЮ. ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ С НАУЧНОЙ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ.
Метелькова С.К.
Автор работы награжден дипломом победителя второй степени
Диплом школьника      Диплом руководителя
Текст научной работы размещён без изображений и формул.
Полная версия научной работы доступна в формате PDF


  

Огонь свечи, огонь костра,

Огонь могучего пожара.

Огни – они все мастера

Ниспосланного людям дара.

Введение

Он может родиться, окрепнуть и вырасти. Может ослабнуть и умереть. Может быть трепетным и ласковым или жестоким и жадным. Он набрасывается, пожирает, поглощает. С ним можно бороться и он отступит побежденным. Он может спасти или обернуться жуткой трагедией.

«Огонь!» - это как возглас надежды заплутавшего, так и суровая команда, несущая смерть врагам.

Огненные волосы, горящие глаза, испепеляющий взгляд. Вспышка гнева, взрыв смеха. Играть с огнем, загореться мыслью, пылать энтузиазмом, гореть страстью. «Искра мала велик пламень родит», «Огонь да вода все сокрушат», «В огне и железо плавко», «Огонь – друг и враг человека».

Достаточно примеров. Они лишь должны напомнить, какую роль играет этот подарок природы в нашей жизни. Наш язык наделил его чертами живого существа и, наоборот, внешность и эмоции человека часто связывают со свойствами пламени.

Огонь издавна является неотъемлемой частью жизни людей. Можно ли представить наше существование без огня? Разумеется, нет. С процессами горения современный человек сталкивается ежедневно.

Цель работы: изучить процесс горения с разных точек зрения.

Задачи:

  • Изучить литературу и интернет ресурсы, связанные с темой горения;

  • Познакомиться с историей овладения огнем;

  • Найти информацию и точные инструкции по проведению опытов, связанных с процессами горения.

Немного истории

Горение – это первая химическая реакция, с которой познакомился человек.

По легенде огонь, замёрзшим и несчастным людям, принёс титан Прометей, не смотря на запрет Зевса. Но, скорее всего, первобытные человекоподобные особи столкнулись с огнём во время пожаров, вызванных ударами молний и извержением вулканов. Они не умели добывать его сами, но могли переносить и поддерживать его. Первые свидетельства использования людьми огня относятся к таким археологическим стоянкам древнего человека, как Чесованья в Восточной Африке, Сварткранс в Южной Африке, Чжоукоудянь и Сихоуду в Китае и Триниль, на острове Ява. Были найдены кострища, зола и древесные угли, датируемые 1,5-2 млн лет назад, обгоревшие орудия труда первобытных людей и кости млекопитающих.

Когда человек стал добывать огонь самостоятельно было доподлинно не известно до 2008 года, когда группа израильских археологов назвала относительно точную дату 790 тыс. лет назад. Такой вывод учёные сделали на основании результатов раскопок на известной раннепалеолитической стоянке Гешер-Бнот-Яаков. Согласно отчёту в журнале «Quaternary Science Reviews» они обнаружили следы применения примитивных средств для добывания огня, использовавшихся на протяжении жизни почти двенадцати поколений, заселявших данную местность. Так же выводы делались на основе более детальных исследований камней и каменных орудий, найденных здесь же ранее.

Первым способом самостоятельной добычи огня человеком было трение. Этот способ изредка используется и в наше время, например в походных условиях.

Постепенно, по мере накопления человечеством практического опыта и новых знаний об окружающем мире, на смену пришёл другой способ добывания огня, основанный на высекании искры. Он заключается в том, что при резком ударе камнем по некоторым минералам из их поверхности вылетают мельчайшие частицы, которые тут же воспламеняются и, попадая на горючий материал, поджигают его. К таким относится, например, пирит (дисульфид железа (II) – FeS2). Известны и другие минералы с таким же свойством. С течением времени этот способ был усовершенствован: огонь стали получать, высекая искры из более распространенного и доступного минерала кремния железным кресалом. Горючими веществами были трут или пережженная пакля. Для получения огня таким способом в Европе вплоть до середины XIX в. Использовалось устройство, получившее в России название «огниво».

Ещё один интересный способ использовался с древности до середины ХХ века племенами островов Суматра, Ява, Калимантан и Сулавеси: добыча огня путем резкого сжатия воздуха в специальных приспособлениях.

В настоящее время, с процессами горения человек сталкивается постоянно. Это может быть горение газа в газовой плите, микровзрывы топлива в дизельных двигателях автомобилей, системы отопления в частных домах или работа тепловой электростанции и т. д. В военном деле под огнем понимается стрельба из огнестрельного оружия.

Огонь глазами ученого

Что же такое огонь? С точки зрения химии - это зона протекания экзотермической реакции окисления, иногда сопровождающейся пиролизом (термическим разложением органических и многих неорганических соединений). С точки зрения физики - испускание света нагретыми веществами из зоны такой реакции.

Почему мы видим огонь? Частички горючего материала и продукты горения светятся, потому что имеют высокую температуру (обычное излучение абсолютно черного тела). Высокая температура позволяет атомам перемещаться на некоторое время в более высокие энергетические состояния, а потом, по возвращении в исходное состояние, излучать свет определённой частоты, которая соответствует структуре электронных оболочек данного элемента.

В чем разница между «огнем» и «горением»? Огонь – это быстрая форма горения, при которой выделяются и свет и тепло. Горение – сложный физико-химический процесс превращения исходных веществ в продукты сгорания в ходе экзотермических реакций. Для процесса горения необходимы:

- горючее вещество (топливо);

- окислитель (чаще всего кислород);

- источник зажигания (не всегда)

Окислитель и горючее вещество вместе составляют горючую систему. Она может быть однородной и неоднородной:

Однородными являются системы, в которых горючее вещество и окислитель равномерно перемешаны друг с другом (смеси горючих газов, паров). Горение таких систем называют горением кинетическим. При определенных условиях такое горение может носить характер взрыва.

Неоднородные - системы, в которых горючее вещество и воздух не перемешаны друг с другом и имеют поверхности раздела (твердые горючие материалы и не распылённые жидкости). В процессе горения неоднородных горючих систем кислород воздуха проникает сквозь продукты горения к горючему веществу и вступает с ним в реакцию. Такое горение называют диффузионным горением. В роли окислителя могут выступать кислород, хлор, фтор, бром и другие вещества.

Огонь основная (свободно горящая) фаза горения, это явление физико-химическое, значит, рассматривать его только с точки зрения химии неразумно. С точки зрения физики огонь – совокупность раскалённых газов, выделившихся в результате:

  • произвольного или непроизвольного нагревания топлива (горючего вещества) до определённой температуры при наличии окислителя;

  • химической реакции (например, взрыва);

  • протекания электрического тока в среде (электрическая дуга, электросварка)

Фазы горения

Процесс горения делится на определенные стадии (фазы):

1. Начальная фаза (стадия роста),

2. Свободно горящая фаза (полностью развитая стадия),

3. Тлеющая фаза (стадия распада).

В первой – начальной – фазе расход приточного кислорода увеличивается, затем начинает уменьшаться. Вырабатывается некоторое количество тепла и это количество увеличивается в процессе горения. Пламя может нагреться до температуры более 5370°C, но температура в помещении на данном этапе может быть небольшая.

Во время второй – свободно – горящей фазы богатый кислородом воздух вовлечен в пламя, так как конвекция несет высокую температуру к верхнему слою ограниченного пространства. Горячие газы распространяются сверху вниз, вынуждая более прохладный воздух искать более низкие уровни, и, в конечном счете, зажигают весь горючий материал в верхних уровнях комнаты. На данном этапе температура в верхних слоях может превысить 7000°C. Огонь продолжает потреблять свободный кислород, пока он не достигнет точки, где недостаточно кислорода, чтобы реагировать с топливом. Пламя уменьшается до тлеющей фазы и нуждается только в поступлении кислорода, чтобы быстро вспыхнуть.

В третьей фазе пламя может прекратиться, если область горения воздухонепроницаема. В этом случае горение уменьшается до тлеющих угольков. Выделяется плотный дым и газы, возникает избыточное давление. Угли продолжают тлеть, помещение полностью заполнится плотным дымом и газами сгорания при температуре 5370°C. Сильный жар выпарит более легкие топливные составляющие, такие как водород и метан, от горючего материала в комнате. Эти топливные газы будут совместно с производными огня и далее увеличат опасность повторного возгорания и создадут возможность обратной тяги.

Виды горения

Вспышка - это быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов.

Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Ярким примером возгорания является «фокус» древнеиндийских жрецов: в древней Индии, при совершении священных обрядов, в полумраке храмов внезапно вспыхивали и рассыпались искрами таинственные красные огни, наводившие суеверный страх на молящихся. Разумеется, могучий Будда здесь был ни при чем, зато его верные служители, жрецы, пугали и обманывали верующих с помощью бенгальских огней. Соли стронция, придававшие пламени красный цвет, смешивались с углем, серой и хлоратом калия (бертолетовой солью). В нужный момент смесь поджигалась.

2KClO3 + S +2C = 2KCl + SO2 + 2CO2

Самовозгорание - это явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения веществ (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания.

Тепловое самовозгорание вещества возникает в результате самонагревания под воздействием скрытого или внешнего источника нагрева. Самовоспламенение возможно только в том случае, если количество тепла, выделяемого в процессе самоокисления, будет превышать отдачу тепла в окружающую среду.

Примером теплового самовозгорания может служить самовозгорание летучих эфирных масел в жаркую погоду. Всем известная легенда о неопалимой купине, или Моисеевом кусте, имеет вполне научное объяснение: учёные полагают, что это был кустарник диптам, выделяющий эфирные масла, которые загораются под действием солнечных лучей. В безветренную погоду вокруг куста увеличивается концентрация летучих эфирных масел, выделяемых растением, которые воспламеняются по достижении определенной температуры. Уравнение химической реакции самовоспламенения эфира:

С4Н10О + 6О2 = 4СО2 + 5Н2О

Тепловым самовоспламенением также объясняется появление кладбищенских огоньков. При разложении органических остатков выделяется бесцветный, ядовитый газ фосфин (РН3), имеющий свойство самовозгораться на воздухе, т.е. при наличии кислорода. Если этот газ выходит из земли, с разлагающимися в ней органическими остатками, происходит самовоспламенение, образуются небольшие вспышки, которыми раньше церковники пугали суеверных людей. Такое явление можно наблюдать только в теплое время года, так как температура самовоспламенения фосфина = 38°C. Уравнение химической реакции самовоспламенения фосфина:

2PH3 + 4O2 = P2O5 + 3H2O

Самовозгорание может происходить и под воздействием жизнедеятельности микроорганизмов в массе вещества (материала, смеси).

Склонностью к микробиологическому самовозгоранию обладают горючие материалы, особенно увлажненные, служащие питательной средой для микроорганизмов, жизнедеятельность которых связана с выделением теплоты (торф, древесные опилки). При этом температура самонагревания не превышает обычных значений температуры окружающей среды и может быть отрицательной.

Поэтому большинство пожаров и взрывов происходит при хранении сельскохозяйственных продуктов (силос, увлажненное сено) в элеваторах. Наиболее часто используемый способ избежать самонагревания и самовоспламенения сена (и подобных материалов) сводится к тому, чтобы при складировании этих материалов не происходило их увлажнение.

Существует различие между процессами возгорания и самовозгорания: для того чтобы возникло возгорание, необходимо внести в горючую систему тепловой импульс, имеющий температуру, превышающую температуру самовоспламенения вещества.

Температура самонагревания - минимальная температура среды, выше которой при благоприятных условиях возможно развитие экзотермического процесса самонагревания, связанного с термическим разложением и окислением определенного объема (массы) горючего вещества.

Температура самовоспламенения - это самая низкая температура вещества, при которой происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающееся возникновением пламенного горения.

Взрыв - это чрезвычайно быстрое химическое превращение вещества, сопровождающееся быстрым выделением тепловой энергии и образованием сжатых газов, способных производить механическую работу.

Без этого типа горения так же сложно представить современный мир, так как механический взрыв топлива лежит в основе работы большинства автомобильных двигателей. Также взрывы небольших масштабов используются в пиротехнических устройствах. Пиротехника (др. греч. πῦρ — огонь, жар; τεχνικός — искусство, мастерство) — отрасль техники, связанная с технологиями приготовления горючих составов и сжигания их для получения определённого эффекта. Делится на:

  • военную (сигнальные ракетницы, дымовые шашки)

  • специализированную (киносъемочные спецэффекты, гражданские сигнальные средства)

  • развлекательную (пиротехнические изделия - петарды, бенгальские огни, хлопушки, салюты.

Продукты сгорания

В ходе процесса горения образуются продукты сгорания. Они могут быть жидкими, твёрдыми и газообразными. Их состав зависит от состава горящего вещества и от условий его горения. Органические и неорганические горючие вещества состоят, главным образом, из углерода, кислорода, водорода, серы, фосфора и азота. Из них углерод, водород, сера и фосфор способны окисляться при температуре горения и образовывать продукты горения: СО, CO2, SO2, P2O5. Азот при температуре горения не окисляется и выделяется в свободном состоянии, а кислород расходуется на окисление горючих элементов вещества. Все указанные продукты сгорания (за исключение угарного газа СО) гореть в дальнейшем не способны.

При неполном сгорании органических веществ в условиях низких температур и недостатка воздуха образуются более разнообразные продукты – оксид углерода(II), спирты, альдегиды, кислоты и другие сложные химические соединения. Эти продукты образуют едкий и ядовитый дым. Кроме того, продукты неполного горения сами способны гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смеси. Такие взрывы бывают при тушении пожаров в подвалах, сушилках и в закрытых помещениях с большим количеством горючего материала.

Цвет пламени

Способность примесей окрашивать пламя в различные цвета используется не только в пиротехнике, но и в аналитической химии: пирохимический анализ - метод обнаружения некоторых химических элементов (например, в минералах) по различному окрашиванию пламени.

Элемент

Цвет пламени

Хром (Cr)

Изумрудно-зеленый

Кобальт (Co)

Синий

Марганец (Mn)

Фиолетово-аметистовый

Железо (Fe)

Желто-бурый

Никель (Ni)

Красно-бурый

Натрий (Na)

Оранжевый

Кальций (Ca)

Ярко-красный

Газовая горелка горит голубым пламенем из-за наличия угарного газа(СО). Жёлто-оранжевое пламя спички объясняется наличием солей натрия в древесине. Жёлто-оранжевый цвет верхушки пламени при обычных условиях объясняется свечением частичек сажи, уносимых вверх потоком горячего воздуха.

Заключение

В результате работы над темой выполнены поставленные задачи: изучены литературные источники и Интернет-ресурсы об истории овладения огнем и о процессах горения; подобраны лабораторные опыты, связанные с процессами горения и инструкции для их проведения.

Цель работы достигнута. Такое, казалось бы, привычное для современного человека явление, как горение, является сложнейшим физико-химическим процессом. Это первая химическая реакция, с которой познакомился человек! Этот процесс играет весьма важную роль в нашей жизни, хотя порой и представляет большую опасность.

Интересные факты и лабораторные опыты, представленные в работе, можно использовать в демонстрационных целях в образовательных учреждениях для ознакомления учащихся с такой удивительной темой, как огонь.

Практическая часть

Опыт №1. «Химический фитиль».

Такой способ дистанционно поджигать запалы для бомб использовали еще в конце 19 века. Он основан на способности глицерина возгораться от реакции с сильным окислителем (перманганатом калия).

Цель эксперимента: убедиться, что огонь может «рождаться» не только от искры, но и просто от смешивания некоторых веществ, которые по отдельности совершенно безобидны.

Реактивы и оборудование: бумага, кристаллический перманганат калия, безводный глицерин, пипетка.

Ход работы и наблюдения: на скомканный лист бумаги высыпать небольшое количество перманганата калия, капнуть 3-5 капель глицерина; над смесью появится дым, и через какое-то время (5-15 секунд) смесь и скомканный лист загорятся.

Опыт №2 . «Мини-фейерверк».

Реактивы и оборудование: растолченный в порошок древесный уголь, кристаллический перманганат калия, железные опилки, лист бумаги, тигль, тигельные щипцы, сухое горючее.

Ход работы и наблюдения: на лист бумаги насыпаем три небольшие одинаковые кучки мелко растолченных порошков: перманганата калия, железных опилок и угля. После этого складываем лист бумаги пополам так, чтобы порошки ссыпались в одну кучку. Дело в том, что при перетирании марганцовки с железными опилками, смесь может вспыхнуть. Полученную смесь высыпаем в тигль. Подносим его к пламени сухого горючего и ждем несколько секунд. Когда смесь нагреется, она начнет искрить, подобно бенгальскому огню.

Опыт №3. «Негасимый магний».

Магний – одно из немногих веществ, которые невозможно потушить водой.

Реактивы и оборудование: магний, вода, стакан, ложка с длинной ручкой, спиртовка.

Ход работы и наблюдения: небольшое количество магния, находящегося в ложке, зажигаем от пламени спиртовки. Помещаем горящий магний в стакан с водой, и наблюдаем, что он не потух, а продолжает гореть, оставшись на поверхности воды.

Опыт №4«Фараонова змея из глюконата кальция».

Фараоновыми змеями называют целый ряд реакций, которые сопровождаются образованием пористого продукта из небольшого объема реагирующих веществ. Эти реакции сопровождаются бурным выделением газа.

Цель эксперимента: понаблюдать за термическим разложением глюконата кальция.

Реактивы и оборудование: таблетки глюконата кальция, сухое горючее, пинцет.

Ход работы и наблюдения: на зажженную таблетку сухого горючего, при помощи пинцета, кладём 1-2 таблетки глюконата кальция. Глюконат кальция значительно увеличится в объёме, приобретёт «червеобразную» форму, будет «выползать» из пламени. Получившаяся «змея» очень хрупкая и распадётся при первом же прикосновении.

Опыт №5. «Содовая гадюка».

Цель эксперимента: понаблюдать за термическим разложением смеси соды и сахарной пудры.

Реактивы и оборудование: песок, сода, сахарная пудра, спирт.

Ход работы и наблюдения: насыпаем немного песка (4-5 столовых ложек), делаем небольшое углубление на вершине получившейся «пирамиды». В это углубление высыпаем смесь из равного количества соды и сахарной пудры. Поливаем всё это спиртом, поджигаем. Сначала наблюдаем образование небольших тёмных пузырьков, затем появление самой «содовой гадюки». Как и в предыдущем опыте, фараонова змея постепенно увеличивается в размерах.

Опыт №6. «Взрыв смеси газов».

Цель эксперимента: понаблюдать за взрывом смеси воздуха с горючим газом.

Реактивы и оборудование: цинк, соляная кислота, прибор для получения газов, стакан с водой, средство для мытья посуды, зажженная лучинка.

Ход работы и наблюдения: в стакан с водой наливаем немного моющего средства, перемешиваем для образования лёгкой пенки. Смешиваем цинк и соляную кислоту в приборе для получения газов, газоотводную трубку направляем в стакан с водой и моющим средством. При взаимодействии цинка с соляной кислотой выделяется водород, который образует пену в стакане. Когда наберется достаточное количество

пены, убираем газоотводную трубку, подносим горящую лучинку к пене и наблюдаем небольшой взрыв.

Опыт №7. «Цветное пламя».

Реактивы и оборудование: хлорид меди, сульфат меди (II), поваренная соль, фторид кальция, хлорид аммония, вода, спиртовка, петелька из нихромовой проволоки.

Ход работы и наблюдения: хлорид аммония в соотношении 1:1 смешиваем с каждым из реагентов, разбавляем водой и перемешиваем образовавшуюся кашицу. Затем поддеваем небольшое количество каждого из веществ петелькой из нихромовой проволоки и вносим в пламя горелки, наблюдаем за реакцией окрашивания пламени. В итоге получилось: исходное пламя было прозрачным, с синеватым оттенком; хлорид натрия (поваренная соль) окрасил пламя в жёлтый; сульфат меди (II) - медный купорос – в зелёный; хлорид меди – в светло синий, а фторид кальция придал пламени едва заметный красный оттенок.

Список литературы

1. .Кендиван, О.Д.-С. Чудо глазами химика / О.Д.-С. Кендиван //Химия. Учебно-методический журнал для учителей химии и естествознания №5-6 изд. Первое сентября - Москва, 2014. - С.45-52

2. Красицкий, В.А. Рукотворный огонь: история и современность / В.А. Красицкий // Химия. Учебно-методический журнал для учителей химии и естествознания №1 изд. Первое сентября - Москва, 2014. - С.4-8

3. Неизвестен. Аналитическая химия. Полумикроанализ [Электронный ресурс] / Неизвестен // Аналитическая химия - Режим доступа: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

4. Неизвестен. Горение [Электронный ресурс]/ Неизвестен// Свободная энциклопедия Википедия - Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Горение

5. Полтев, М.К. Глава Х. Пожарная безопасность. §1. Процессы горения / М.К. Полтев // Охрана труда в машиностроении, изд. «Высшая школа» - Москва, 1980.

6. Рюмин, В.В. Горение без воздуха / В.В. Рюмин // Занимательная химия, 7-е изд. Молодая гвардия. - Москва, 1936. - С.58-59

7. Рюмин, В.В. Самовоспламенение / В.В. Рюмин// Занимательная химия, 7-е изд. Молодая гвардия. - Москва, 1936. - С.59

8. Степин, Б. Д.; Аликберова, Л.Ю. Эффектные опыты / Б.Д. Степин, Л.Ю. Аликберова // Занимательные задания и эффектные опыты по химии изд. Дрофа – Москва, 2006. – С.