Download - Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń
„Głośna historia wielkiego wybuchu-chemia materiałów
wysokoenergetycznych”
Dr Katarzyna Łudzik
Jakie cuda! Świt różany; Mętnie się dobywa z dna!; Majaczliwa blasków gra; Na przepastne pada ściany.; Wstaje mgłą i pełznie smugą,; Tryska jak kryniczny zdrój.; Żar leniwą płynie strugą,; bucha niby iskier rój.
Pirotechnika – dział nauki zajmujący sięwytwarzaniem materiałów i urządzeń, którepodczas spalania tworzą efekty świetlne,dźwiękowe, optyczne lub zapalające.
Pirotechnika – czyli co?
Pirotechnika – domena Chińczyków
Rok 206 p.n.e.
Saletra potasowa –azotan (V) potasu - KNO3
Pierwsze chińskie petardy- czyli co łączy demona Nian i kije bambusowe
Kije bambusowe – pierwsze petardy
Wrzucane do ogniska odstraszały hukiem ludzi i złe duchy
Potwór Nian, który wedle wierzeń Chińczyków pożerał ludzi
Czarny proch - produkt uboczny poszukiwań eliksiru wiecznego życia i młodości
IX w. n.e. Chiny Panowanie dynastii TANG
Siarka + azotan (V) potasu + miód + arszenik
HUO – YAO – OGNISTY LEK
Pierwsza petarda hukowa
Mieszanina: siarki, azotanu (V) potasu, miodu i arszeniku wsadzona do kija bambusowego i wrzucona w ogień
HUO – YAO –OGNISTY LEK
Skład:siarka, węgiel drzewny, azotan (V) potasu
Pierwsza mieszanina miotająca i jej ostateczny skład
Czarny proch –Chiny IX w
Czarny proch – jedyna znana mieszanina miotająca do połowy XIX wiekuUżywany również podczas bitwy pod Grunwaldem w 1410
Wybuch czarnego prochu okiem chemika
4KNO3 + 2S + 2C → 2SO2 + 2CO2 + 2K2O + 2NO +N2
Równanie reakcji spalania czarnego prochu
utleniaczsubstancja palna
Od petard do rakiet
Drewniane rakiety przypominające kształtem smokiwykorzystane zostały do odparcia Mongolskiej inwazjiw 1279
Krzyżowcy przynoszą wiedzę o prochu strzelniczym
XIII wiek Marco Polo sprowadza proch strzelniczy do Europy
Następcy czarnego prochu
azotan (V) celulozy nitroceluloza
trójazotan(V) glicerolu nitrogliceryna -wybucha nawet przy wstrząsaniu
Alfred Nobel i wybuchowy wynalazek
A) Materiał porowaty,materiał palny nitrogliceryna,azotan celulozy i azotan (V) amonu
Alfred Nobel
Dynamit wynaleziono w 1865 roku
D) Lont
E) Paski ściskające
B) Osłonka
C) Spłonka
Trotyl i działanie szybkodziałających materiałów wybuchowych
Trotyl czyli 1,3,5- trinitrotoluen
→14C + 5 H2O +3N2+3.5 O2 →7 CO +7 C+5 H2O +7N2
Reorganizacja atomów w cząsteczce trotylu. Mała ilość tlenu w cząsteczce toluenu powoduje, że nie powstaje tlenek węgla (IV) , ale powstaje trujący tlenek węgla II a nawet węgiel.
Zasada działania materiałów wybuchowych szybkodziałających polega na rozpadzie struktury cząsteczkowej z utworzeniem nowych prostych atomów i cząsteczek.
Włochy – europejska stolica fajerwerków
Używane przez Chińczyków rakiety wojenne zastąpione zostały przez wybuchające w kolorach srebra i złota rakiety
Odkryto pierwsze fontanny świetlne (rakiety przymocowane do drewnianych kół kręciły się wraz z nimi tworząc świetlne młyny)
Uświetniały śluby, uroczystości koronacyjne i święta religijne
Środki pirotechniczne
KLASA 1bardzo niski stopnień zagrożenia,do użytku wewnątrz oraz na
zewnątrz budynków np. zimneognie,
KLASA 2niski stopnień zagrożenia,przeznaczone do użytku nazewnątrz budynków np.małe rakiety, petardyhukowe
KLASA 3charakteryzują się średnimstopniem zagrożenia,przeznaczone do użytkuwyłącznie na zewnątrz, nadużych, otwartychprzestrzeniach np. baterie,race
BUDOWA FAJERWERKÓW
lont
zapalnik
czarny proch
fajerwerki (gwiazdy)
Para idealna – utleniacz i substancja palna czyli podstawowy skład petard
Utleniacze - substancje łatwo przyjmujące elektrony podczas reakcji redoks
Azotany (V) np. KNO3
Chlorany (VII) i (V) KClO4, KClO3
Chromiany (VI) np. K2CrO4 i dichromiany (VI) K2Cr2O7
Siarczany (VI): np. potasu K2SO4, baru BaSO4 , strontu SrSO4, amonu (NH4)2SO4
Substancje palne
fosfor
cynk
glin
magnezNiemetale
Metale nieszlachetne
siarka
węgiel
inne
węglowodory
węglowodany
Co w racach huczy – czyli jak powstają efekty dźwiękowe przy odpalaniu fajerwerków.
Efekt głośnych eksplozji zawdzięczamy mieszaninie:pyłu magnezowego lub aluminiowego z chloranem VII potasu (KClO4)
Efekt świstu: rozkład KClO4
4Mg + KClO4 → 4MgO + KCl
KClO4 → 2O2 + KCl
wydzielenie dużej ilości gazów , którego gwałtowny wypływ daje efekt świstu
Wielokrotność wybuchów zapewnia ułożenie składników wydzielających gaz w osobnych przegrodach połączonych materiałem zapalnym - prochem
Co nadaje barwę fajerwerkom - czyli czysta chemia bez alchemii
Kolory sztucznych ogni zawdzięczamy głównie solom metali
Wapń Sód Chlorek miedziLitZwiększenie temperatury, a przez to jaskrawość barw, zwiększa się dodając do solipyłów magnezowych lub aluminiowych i uzyskując w ten sposób nawet temperaturę2100 stopni C
Bar
Co się dzieje z jonami soli w płomieniu palnika ?
e-e-
e-
e-e-
e-
Rekombinacja???Daj ELEKTRONA!!!!!
kation metalu
atom metalu
Dlaczego atomy świecą?P
ozi
om
y e
ne
rget
yczn
e e
lekt
ron
ów
Stan podstawowy
Stan wzbudzony
Elektron walencyjny
Kolejny niespokojny
Dlaczego atomy świecą?P
ozi
om
y e
ne
rget
yczn
e e
lekt
ron
ów
Stan podstawowy
Stan wzbudzony
Inne efekty specjalne fajerwerków
Kolor iskier zależy od rodzaju metalu jak itemperatury metalu
Efekt lśniących iskier – wywołują drobinki metali np.żelazo, magnez
Inne efekty specjalne fajerwerków
Za dym podczas fajerwerków odpowiada cynk
Dłużej i jaśniej palące się fajerwerki to kwestia dodatku większej ilości utleniaczy wytwarzających tlen
Świetlne „palmy” i „fontanny” – uzyskuje się układając warstwami drobinki metali o różnych wielkościach
Doświadczenie 1
Barwne płomienieOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyAlkoholowe roztwory soli: litu, baru, potasu, sodu i miedziSzkiełka zegarowe, zapałki
Palące się roztwory soli barwią się na różne kolory
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Pod wpływem ciepła atomy zostają wzbudzone, które oddają dostarczaną im energię w postaci barwnego światła.
Doświadczenie 2
Tajemnica zimnych ogni
Biały proszek jest tlenkiem magnezu
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyWstążka magnezowa, szczypce, palnik
Magnez spala się białym płomieniem, po spaleniu powstaje biały proszek
2Mg + O2→2MgO
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Doświadczenie 3Reakcja sodu z wodą
Sód reaguje z wodą z wydzieleniem wodoru ponieważ ma ujemny potencjał.
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnySód, zlewka z wodą i fenoloftaleina, duża zlewka z wodą
Sód gwałtownie reaguje z wodą, pływa po powierzchni i iskrzy, wydziela się gaz, fenoloftaleina barwi się na malinowo
2Na + H2O→2NaOH + H2
Obserwacje:Wyjaśnienie:
Doświadczenie 4Burza w probówce
Dochodzi do reakcji między mangania-nem(VII) potasu, a kwasem siarkowym według równania reakcji:
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyKwas siarkowy(VI) H2SO4 (stężony)Manganian(VII) potasu KMnO4,alkohol etylowy C2H5OH (96%)Cylinder (odtłuszczony i suchy)
2KMnO4 + H2SO4→ K2SO4 + Mn2O7Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Mn2O7 + C2H5OH → 2CO2 + 3H2O + 4MnO2
Gdy kryształy manganianu (VII) potasu docierają do granicy faz ciecz zmienia barwę na ciemnobrunatną, pod jej powierzchnią widzimy iskry słyszalne są też charakterystyczne trzaski
Produkt reakcji - siedmiotlenekmanganu jest bardzo nietrwałym związkiem i jednocześnie silnym utleniaczem
Doświadczenie 5Samozapłon gliceryny
Nadmanganian potasu utlenia glicerynę. W tym procesie wydziela się ciepło, które powoduje że cały proces ulega gwałtownemu przyspieszeniu. W efekcie powoduje to zapłon substratów.
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyGliceryna bezwodnaManganian(VII) potasu KMnO4,Płytka ceramiczna
14 KMnO4 +4 C3H5OH3→7 K2CO3 +7Mn2O3 + 5 CO2 + 16 H2O
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Gdy na kryształy manganianu (VII) potasu dodamy glicerynę następuje samozapłon
Doświadczenie 6Duszek chemicznyOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyNadtlenek wodoru 30%Manganian(VII) potasu KMnO4,Kolba stożkowa
2 KMnO4 + 3 H2O2→2 KOH +MnO2 + 3O2 + H2O
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Gdy do nadtlenku wodoru dodamy manganianu (VII) potasu obserwujemy gwałtowne wydzielenie dużej ilości gazu, roztwór stał się brunatny
Nadtlenek wodoru redukuje manganian (VII )potasu do brunatnego tlenku manganu (IV) . Wydzielającym się gazem jest tlen
Doświadczenie 7Purpurowe dymy
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnystały jod, pył cynkowy, płytka ceramiczna, tryskawka z wodą
2 Al + 3 I2→AlI3
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Wydzielają się duże ilości purpurowego dymu
Substancje stałe nie reagują ze sobą, gdy zwilżyliśmy je trochę cząsteczki zbliżyły się do siebie i rozpoczęła się reakcja :
Doświadczenie 8Błędne ognieOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyKwas solny HCl (stężony),chlorek miedzi CuCl2,glin (folia aluminiowa), zlewka, zapalniczka)
2 Al + 3HCl→2AlCl3 + 3H2
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Dochodzi do zapłonu, nad roztworem powstają niere-gularne, ciągle poruszające się płomienie o pięknej, niebieskiej barwie
Podczas reakcji glinu z kwasem solnym uwalniają się duże ilości gazowego wodoru. Po zapaleniu wodór spala się w atmosferycznym tlenie. Lekka kulka alumi-niowa w czasie reakcji gwałtownie miota się po powierzchni roztworu, dzięki czemu płomienie mają nieprzewidywalny wygląd.
Doświadczenie 9Ryczące niedźwiedzie
Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyChloran (V) potasu, żelek, probówka, stojakpalnik)
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
Chloranu(V) potasu topi się w temperaturze 368 oC, a w 400 oC następuje jego rozkład zgodnie z równaniem:4KClO3(s) → KCl + 3KClO4
Chloran(VII) potasu reaguje z węglem zawartym w żelkuKClO4 + 2C → KCl + 2CO2
Zelek wrzucony do roztopionego chloranu (V) potasu pali się jasnym płomieniem, wydając charakterystyczne dźwięki
Doświadczenie 10Zapłon lodemOdczynniki i sprzęt laboratoryjny4g pyłu cynkowego, 0,4g azotanu baru,1g chlorku amonu oraz 4g azotanu amonu zmieszane ze sobą,
lód, parowniczka.
Obserwacje:
Wyjaśnienie:
W stanie suchym substancje nie reagują ze sobą. Obecna na powierzchni lodu mikroskopijna warstewka wody wystarcza do roz-poczęcia silnie egzotermicznej reakcji redox między cynkiem, a azo-tanem amonu. Reakcja jest przyspieszana przez chlorek amonu i azotan baru. Obecność soli baru jest także odpowiedzialna za zie-loną barwę płomienia.
Zn + NH4NO3→ZnO+ 2H2O + N2
Po dodaniu lodu na mieszaninę dochodzi do zapłonu.
Dziękuję, za uwagę