Millest tulekeemia koosneb? Mis on tuli ja miks see põleb? Leek: struktuur ja struktuur

Kuidas kiruda pimedust
Parem on see vähemalt valgustada
üks väike küünal.
Konfutsius

Esiteks

Esimesed katsed põlemismehhanismi mõista on seotud inglase Robert Boyle'i, prantslase Antoine Laurent Lavoisier' ja venelase Mihhail Vassiljevitš Lomonossovi nimedega. Selgus, et põlemisel aine ei “kao” kuhugi, nagu kunagi naiivselt arvati, vaid muutub muudeks aineteks, enamasti gaasilisteks ja seetõttu nähtamatuks. Lavoisier näitas 1774. aastal esimesena, et põlemisel kaob õhust umbes viiendik sellest. 19. sajandi jooksul uurisid teadlased üksikasjalikult põlemisega kaasnevaid füüsikalisi ja keemilisi protsesse. Vajaduse sellise töö järele tingisid eelkõige tulekahjud ja plahvatused kaevandustes.

Kuid alles 20. sajandi viimasel veerandil tehti kindlaks peamised põlemisega kaasnevad keemilised reaktsioonid ja tänapäevani on leegi keemias palju tumedaid laike. Neid uuritakse paljudes laborites kõige kaasaegsemate meetoditega. Nendel uuringutel on mitu eesmärki. Ühelt poolt on vaja optimeerida põlemisprotsesse soojuselektrijaamade ahjudes ja sisepõlemismootorite silindrites, vältida plahvatusohtlikku põlemist (detonatsiooni) õhu-bensiini segu kokkusurumisel autosilindris. Teisalt on vaja vähendada põlemisprotsessis tekkivate kahjulike ainete hulka ning samal ajal otsida tõhusamaid vahendeid tulekahju kustutamiseks.

Leeke on kahte tüüpi. Kütuse ja oksüdeerija (enamasti hapnikku) saab põlemistsooni eraldi sunniviisiliselt või spontaanselt juhtida ja leegis segada. Või võib neid eelnevalt segada – sellised segud võivad õhu puudumisel põleda või isegi plahvatada, näiteks püssirohi, ilutulestiku pürotehnilised segud, raketikütus. Põlemine võib toimuda nii hapniku osalusel, mis õhuga põlemistsooni siseneb, kui ka oksüdeerivas aines sisalduva hapniku abil. Üks neist ainetest on Berthollet' sool (kaaliumkloraat KClO 3); see aine loobub kergesti hapnikust. Tugev oksüdeerija on lämmastikhape HNO 3: puhtal kujul süütab see palju orgaanilisi aineid. Nitraadid, lämmastikhappe soolad (näiteks väetisena - kaalium- või ammooniumnitraadina) on kergesti süttivad, kui neid segada kergestisüttivate ainetega. Teine võimas oksüdeerija, lämmastiktetroksiid N 2 O 4 on raketikütuste komponent. Hapnikku saab asendada ka tugevate oksüdeerivate ainetega, nagu kloor, milles põlevad paljud ained, või fluor. Puhas fluor on üks võimsamaid oksüdeerivaid aineid, mis oma voolus põleb.

Ahelreaktsioonid

Põlemise ja leegi leviku teooria alused pandi paika eelmise sajandi 20ndate lõpus. Nende uuringute tulemusena avastati hargnenud ahelreaktsioonid. Selle avastuse eest pälvisid vene füüsikaline keemik Nikolai Nikolajevitš Semenov ja inglise teadlane Cyril Hinshelwood 1956. aastal Nobeli keemiaauhinna. Lihtsamad hargnemata ahelreaktsioonid avastas 1913. aastal Saksa keemik Max Bodenstein vesiniku ja kloori reaktsiooni näitel. Üldreaktsiooni väljendatakse lihtsa võrrandiga H 2 + Cl 2 = 2HCl. Tegelikult hõlmab see väga aktiivseid molekulide fragmente – nn vabu radikaale. Valguse mõjul spektri ultraviolett- ja sinistes piirkondades või kõrgetel temperatuuridel lagunevad kloorimolekulid aatomiteks, millest algab pikk (mõnikord kuni miljon lüli) transformatsioonide ahel; Kõiki neid teisendusi nimetatakse elementaarreaktsiooniks:

Cl + H2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl jne.

Igas etapis (reaktsioonilüli) kaob üks aktiivne tsenter (vesiniku või kloori aatom) ja samal ajal tekib uus aktiivne kese, mis jätkab ahelat. Ahelad katkevad kahe aktiivse liigi kohtumisel, näiteks Cl + Cl → Cl 2. Iga ahel levib väga kiiresti, nii et kui "esialgsed" aktiivsed osakesed tekivad suurel kiirusel, kulgeb reaktsioon nii kiiresti, et see võib viia plahvatuseni.

N. N. Semenov ja Hinshelwood avastasid, et fosfori ja vesiniku aurude põlemisreaktsioonid kulgevad erinevalt: vähimgi säde või lahtine leek võib isegi toatemperatuuril plahvatuse põhjustada. Need reaktsioonid on hargnenud ahelreaktsioonid: aktiivsed osakesed "paljunevad" reaktsiooni käigus, st kui üks aktiivne osake kaob, tekib kaks või kolm. Näiteks vesiniku ja hapniku segus, mis välismõjude puudumisel võib vaikselt sadu aastaid säilida, käivitab aktiivsete vesinikuaatomite ilmumine ühel või teisel põhjusel järgmise protsessi:

H + O 2 → OH + O,
O + H2 → OH + H.

Seega muutub üks aktiivne osake (H-aatom) tühise aja jooksul kolmeks (vesinikuaatom ja kaks OH hüdroksüülradikaali), mis käivitavad ühe ahela asemel juba kolm. Selle tulemusena kasvab ahelate arv nagu laviin, mis viib koheselt vesiniku ja hapniku segu plahvatuseni, kuna selles reaktsioonis eraldub palju soojusenergiat. Hapnikuaatomid esinevad leekides ja teiste ainete põlemisel. Neid saab tuvastada, suunates suruõhu voolu üle põleti leegi ülaosa. Samal ajal tuvastatakse õhus iseloomulik osooni lõhn - need on hapnikuaatomid, mis "kleepuvad" hapniku molekulidele, moodustades osoonimolekule: O + O 2 = O 3, mis viidi leegist välja külma õhuga. .

Hapniku (või õhu) segu plahvatuse võimalus paljude tuleohtlike gaasidega - vesinik, süsinikmonooksiid, metaan, atsetüleen - sõltub tingimustest, peamiselt segu temperatuurist, koostisest ja rõhust. Seega, kui köögis asuva majapidamisgaasi (see koosneb peamiselt metaanist) lekke tagajärjel ületab selle sisaldus õhus 5%, siis segu plahvatab tiku või välgumihkli leegist ja isegi väike säde, mis valguse sisselülitamisel lülitist läbi lipsab. Plahvatust ei toimu, kui ketid purunevad kiiremini, kui jõuavad hargneda. Seetõttu oli kaevurite lamp, mille inglise keemik Humphry Davy töötas välja 1816. aastal, teadmata leegi keemiast midagi, ohutu. Selles lambis oli lahtine leek väliskeskkonnast (mis võib olla plahvatusohtlik) tarastatud paksu metallvõrguga. Metalli pinnal kaovad aktiivsed osakesed tõhusalt, muutudes stabiilseteks molekulideks ega suuda seetõttu väliskeskkonda tungida.

Hargnenud ahelreaktsioonide täielik mehhanism on väga keeruline ja võib hõlmata enam kui sada elementaarset reaktsiooni. Paljud anorgaaniliste ja orgaaniliste ühendite oksüdatsiooni- ja põlemisreaktsioonid on hargnenud ahelreaktsioonid. Sama on raskete elementide, näiteks plutooniumi või uraani tuumade lõhustumise reaktsioon neutronite mõjul, mis toimivad keemilistes reaktsioonides aktiivsete osakeste analoogidena. Tungides raske elemendi tuuma, põhjustavad neutronid selle lõhustumist, millega kaasneb väga suure energia vabanemine; Samal ajal eraldub tuumast uusi neutroneid, mis põhjustavad naabertuumade lõhustumist. Keemilisi ja tuuma hargnenud ahelaga protsesse kirjeldatakse sarnaste matemaatiliste mudelitega.

Mida on vaja alustamiseks?

Põlemise alguseks peavad olema täidetud mitmed tingimused. Esiteks peab tuleohtliku aine temperatuur ületama teatud piirväärtust, mida nimetatakse süttimistemperatuuriks. Ray Bradbury kuulus romaan Fahrenheit 451 on saanud sellise nime, kuna ligikaudu sellel temperatuuril (233 °C) süttib paber põlema. See on "süttimistemperatuur", millest kõrgemal tahked kütused eraldavad kergestisüttivaid aure või gaasilisi lagunemissaadusi koguses, mis on piisav nende stabiilseks põlemiseks. Kuival männipuidul on ligikaudu sama süttimistemperatuur.

Leegi temperatuur sõltub põleva aine olemusest ja põlemistingimustest. Seega ulatub temperatuur metaani leegis õhus 1900 ° C-ni ja hapnikus põlemisel - 2700 ° C. Veelgi kuumem leek tekib vesiniku (2800°C) ja atsetüleeni (3000°C) põletamisel puhtas hapnikus. Pole ime, et atsetüleenpõleti leek lõikab kergesti peaaegu iga metalli. Kõrgeim temperatuur, umbes 5000 °C (see on kantud Guinnessi rekordite raamatusse), saadakse hapnikus põletamisel madala keeva vedelikuga - süsiniku subnitriid C 4 N 2 (sellel ainel on ditsüanoatsetüleeni NC-C struktuur). =C–CN). Ja mõne teabe kohaselt võib osooniatmosfääris põledes temperatuur ulatuda kuni 5700°C-ni. Kui see vedelik õhu käes põlema panna, põleb see punase suitsuse leegiga, millel on rohekasvioletne piir. Teisest küljest on teada ka külmad leegid. Näiteks fosfori aurud põlevad madalal rõhul. Suhteliselt külm leek saadakse ka süsinikdisulfiidi ja kergete süsivesinike oksüdeerimisel teatud tingimustel; Näiteks propaan tekitab alandatud rõhul ja temperatuuril 260–320 °C jaheda leegi.

Alles kahekümnenda sajandi viimasel veerandil hakkas selgemaks muutuma paljude põlevate ainete leekides toimuvate protsesside mehhanism. See mehhanism on väga keeruline. Algsed molekulid on tavaliselt liiga suured, et reageerida hapnikuga otse reaktsiooniproduktideks. Näiteks oktaani, mis on bensiini üks komponente, põlemist väljendatakse võrrandiga 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Kuid kõik 8 süsinikuaatomit ja 18 vesinikuaatomit Oktaanarvuga molekul ei saa korraga ühineda 50 hapnikuaatomiga: selleks peavad paljud keemilised sidemed katkema ja moodustuma palju uusi. Põlemisreaktsioon toimub mitmes etapis – nii et igas etapis katkeb ja tekib vaid väike hulk keemilisi sidemeid ning protsess koosneb paljudest järjestikku toimuvatest elementaarreaktsioonidest, mille tervik paistab vaatlejale leegina. Elementaarreaktsioone on raske uurida eelkõige seetõttu, et reaktiivsete vaheosakeste kontsentratsioonid leegis on äärmiselt väikesed.

Leegi sees

Leegi erinevate alade optiline sondeerimine laserite abil võimaldas kindlaks teha seal esinevate aktiivsete osakeste - põleva aine molekulide fragmentide - kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostise. Selgus, et isegi näiliselt lihtsas vesiniku põlemisreaktsioonis hapnikus 2H 2 + O 2 = 2H 2 O toimub molekulide O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 osalusel enam kui 20 elementaarset reaktsiooni. , H 2 O, aktiivsed osakesed N, O, OH, AGA 2. Siin on näiteks see, mida inglise keemik Kenneth Bailey kirjutas selle reaktsiooni kohta 1937. aastal: „Vesiniku ja hapniku reaktsiooni võrrand on esimene võrrand, millega enamik keemia algajaid tuttavaks saab. See reaktsioon tundub neile väga lihtne. Kuid isegi professionaalsed keemikud on mõnevõrra hämmastunud, nähes 1934. aastal Hinshelwoodi ja Williamsoni välja antud sajaleheküljelist raamatut pealkirjaga "Hapniku reaktsioon vesinikuga". Sellele võib lisada, et 1948. aastal ilmus A. B. Nalbandjani ja V. V. Voevodski palju suurem monograafia pealkirjaga "Vesiniku oksüdatsiooni ja põlemise mehhanism".

Kaasaegsed uurimismeetodid on võimaldanud uurida selliste protsesside üksikuid etappe ja mõõta erinevate aktiivsete osakeste reageerimise kiirust nii üksteisega kui ka stabiilsete molekulidega erinevatel temperatuuridel. Teades protsessi üksikute etappide mehhanismi, on võimalik kogu protsess “kokku panna”, st leeki simuleerida. Sellise modelleerimise keerukus ei seisne mitte ainult kogu elementaarsete keemiliste reaktsioonide kompleksi uurimises, vaid ka vajaduses võtta arvesse leegi osakeste difusiooni, soojusülekande ja konvektsioonivoogude protsesse (just viimased loovad põneva põleva tule keelte mäng).

Kust kõik tuleb?

Kaasaegse tööstuse põhikütuseks on süsivesinikud, mis ulatuvad kõige lihtsamast, metaanist, kuni raskete süsivesinikeni, mis sisalduvad kütteõlis. Isegi kõige lihtsama süsivesiniku, metaani, leek võib hõlmata kuni sada elementaarset reaktsiooni. Siiski ei ole neid kõiki piisavalt põhjalikult uuritud. Kui rasked süsivesinikud, nagu näiteks parafiinis leiduvad, põlevad, ei jõua nende molekulid põlemistsooni puutumata. Isegi leegile lähenedes jagunevad nad kõrge temperatuuri tõttu kildudeks. Sel juhul eraldatakse molekulidest tavaliselt kahte süsinikuaatomit sisaldavad rühmad, näiteks C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Paaritu arvu süsinikuaatomitega aktiivsed liigid võivad vesinikuaatomeid abstraheerida, moodustades C=C topelt- ja C≡C kolmiksidemega ühendeid. Avastati, et leegis võivad sellised ühendid astuda reaktsioonidesse, mida keemikud varem ei teadnud, kuna need ei toimu väljaspool leeki, näiteks C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO 2 + H + N.

Vesiniku järkjärguline kadu algmolekulide poolt toob kaasa süsiniku osakaalu suurenemise neis, kuni moodustuvad osakesed C 2 H 2, C 2 H, C 2. Sini-sinine leegi tsoon on tingitud selles tsoonis ergastatud C 2 ja CH osakeste hõõgumisest. Kui hapniku juurdepääs põlemistsooni on piiratud, siis need osakesed ei oksüdeeru, vaid kogunevad agregaatideks - need polümeriseeritakse vastavalt skeemile C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + N jne.

Tulemuseks on tahmaosakesed, mis koosnevad peaaegu eranditult süsinikuaatomitest. Need on kujundatud kuni 0,1 mikromeetrise läbimõõduga pisikeste pallidena, mis sisaldavad ligikaudu miljonit süsinikuaatomit. Sellised osakesed tekitavad kõrgel temperatuuril hästi helendavat kollast leegi. Küünla leegi ülaosas need osakesed põlevad, mistõttu küünal ei suitse. Nende aerosooliosakeste edasise adhesiooni korral tekivad suuremad tahmaosakesed. Selle tulemusena tekitab leek (näiteks põlev kumm) musta suitsu. Selline suits ilmneb, kui süsiniku ja vesiniku osakaalu algkütuses suurendatakse. Näiteks tärpentin – süsivesinike segu koostisega C 10 H 16 (C n H 2n–4), benseen C 6 H 6 (C n H 2n–6) ja muud tuleohtlikud vedelikud, milles puudub vesinik – kõik neist suitsetavad põlemisel. Suitsune ja eredalt helendav leek tekib atsetüleen C 2 H 2 (C n H 2n–2) õhus põlemisel; Kunagi kasutati sellist leeki jalgratastele ja autodele paigaldatud atsetüleenlaternates ning kaevurite lampides. Ja vastupidi: suure vesinikusisaldusega süsivesinikud - metaan CH 4, etaan C 2 H 6, propaan C 3 H 8, butaan C 4 H 10 (üldvalem C n H 2n + 2) - põlevad piisava õhu juurdepääsu korral peaaegu värvitu leek. Propaani ja butaani segu madala rõhu all oleva vedeliku kujul leidub tulemasinates, aga ka suviste elanike ja turistide poolt kasutatavates balloonides; samad silindrid on paigaldatud gaasimootoriga autodele. Hiljuti avastati, et tahm sisaldab sageli sfäärilisi molekule, mis koosnevad 60 süsinikuaatomist; neid nimetati fullereenideks ja selle uue süsinikuvormi avastamist tähistas Nobeli keemiaauhinna andmine 1996. aastal.

Põlemisprotsessi käigus tekib leek, mille struktuuri määravad reageerivad ained. Selle struktuur on jagatud piirkondadeks sõltuvalt temperatuurinäitajatest.

Definitsioon

Leek viitab kuumal kujul olevatele gaasidele, milles plasmakomponendid või ained esinevad tahkel dispergeeritud kujul. Neis viiakse läbi füüsikaliste ja keemiliste tüüpide transformatsioone, millega kaasneb hõõgumine, soojusenergia vabanemine ja kuumutamine.

Ioonsete ja radikaalsete osakeste olemasolu gaasilises keskkonnas iseloomustab selle elektrijuhtivust ja erilist käitumist elektromagnetväljas.

Mis on leegid

Tavaliselt nimetatakse seda põlemisega seotud protsessidele. Õhuga võrreldes on gaasi tihedus väiksem, kuid kõrge temperatuur põhjustab gaasi tõusu. Nii tekivad leegid, mis võivad olla pikad või lühikesed. Sageli toimub sujuv üleminek ühelt vormilt teisele.

Leek: struktuur ja struktuur

Kirjeldatud nähtuse väljanägemise kindlakstegemiseks piisab selle süütamisest Tekkivat mittehelendavat leeki ei saa nimetada homogeenseks. Visuaalselt saab eristada kolme põhivaldkonda. Muide, leegi struktuuri uurimine näitab, et erinevat tüüpi tõrvikute tekkega põlevad erinevad ained.

Gaasi ja õhu segu põlemisel moodustub esmalt lühike tõrvik, mille värvus on sinise ja violetse varjundiga. Selles on näha südamik – rohekassinine, koonust meenutav. Vaatleme seda leeki. Selle struktuur on jagatud kolme tsooni:

Määratakse kindlaks ettevalmistav ala, kus gaasi ja õhu segu kuumutatakse põleti avast väljumisel.
Sellele järgneb tsoon, kus toimub põlemine. See hõivab koonuse ülaosa.
Kui õhuvool on ebapiisav, ei põle gaas täielikult. Vabanevad kahevalentse süsinikoksiidi ja vesiniku jäägid. Nende põlemine toimub kolmandas piirkonnas, kus on hapniku juurdepääs.

Nüüd käsitleme eraldi erinevaid põlemisprotsesse.

Põlev küünal

Küünla põletamine sarnaneb tiku või välgumihkli põletamisega. Ja küünlaleegi struktuur meenutab kuuma gaasivoolu, mis tõmmatakse üleslükkejõudude mõjul ülespoole. Protsess algab tahi kuumutamisega, millele järgneb vaha aurustamine.

Madalaimat tsooni, mis asub keerme sees ja selle kõrval, nimetatakse esimeseks piirkonnaks. Sellel on kerge hõõgumine suure kütusekoguse, kuid väikese hapnikusegu tõttu. Siin toimub ainete mittetäieliku põlemise protsess, mis hiljem oksüdeerub.

Esimest tsooni ümbritseb helendav teine kest, mis iseloomustab küünla leegi struktuuri. Sellesse siseneb suurem kogus hapnikku, mis põhjustab oksüdatsioonireaktsiooni jätkumist kütusemolekulide osalusel. Temperatuur on siin kõrgem kui pimedas tsoonis, kuid mitte piisav lõplikuks lagunemiseks. Põlemata kütuse ja söeosakeste tilkade tugeval kuumutamisel ilmneb kahes esimeses piirkonnas helendav efekt.

Teist tsooni ümbritseb madala nähtavusega kest kõrgete temperatuuriväärtustega. Sellesse siseneb palju hapniku molekule, mis aitab kaasa kütuseosakeste täielikule põlemisele. Pärast ainete oksüdeerumist valgusefekti kolmandas tsoonis ei täheldata.

Skemaatiline illustratsioon

Selguse huvides esitame teie tähelepanu põleva küünla kujutise. Leegi ahel sisaldab:

Esimene ehk tume ala.
Teine valgustsoon.
Kolmas läbipaistev kest.

Küünla niit ei põle, vaid tekib ainult painutatud otsa söestumine.

Põlev alkoholilamp

Keemilisteks katseteks kasutatakse sageli väikseid alkoholipaake. Neid nimetatakse alkoholilampideks. Põleti taht leotatakse läbi augu valatud vedelkütusega. Seda soodustab kapillaarrõhk. Kui tahi vaba ülaosa on saavutatud, hakkab alkohol aurustuma. Aurus süttib ja põleb temperatuuril mitte üle 900 °C.

Alkohollambi leek on normaalse kujuga, peaaegu värvitu, kergelt sinise varjundiga. Selle tsoonid ei ole nii selgelt nähtavad kui küünla omad.

Teadlase Bartheli järgi nime saanud tulekahju alguskoht asub põletivõre kohal. See leegi süvenemine viib sisemise tumeda koonuse vähenemiseni ja aukust väljub kõige kuumemaks peetav keskmine osa.

Värvi omadus

Erinevat kiirgust põhjustavad elektroonilised üleminekud. Neid nimetatakse ka termiliseks. Seega tekib süsivesinikkomponendi põlemise tagajärjel õhus H-C ühendi eraldumisel sinine leek. Ja kui C-C osakesed eralduvad, muutub taskulamp oranžikaspunaseks.

Keeruline on arvestada leegi struktuuri, mille keemiasse kuuluvad vee, süsihappegaasi ja süsinikmonooksiidi ühendid ning OH-side. Selle keeled on praktiliselt värvitud, kuna ülaltoodud osakesed eraldavad põlemisel kiirgust ultraviolett- ja infrapunaspektris.

Leegi värvus on omavahel seotud temperatuurinäitajatega, milles on ioonosakesi, mis kuuluvad teatud emissiooni- või optilisse spektrisse. Seega põhjustab teatud elementide põlemine põleti tule värvi muutumist. Põletiku värvi erinevused on seotud elementide paigutusega perioodilise süsteemi erinevatesse rühmadesse.

Tuld uuritakse spektroskoobiga kiirguse olemasolu tuvastamiseks nähtavas spektris. Samal ajal leiti, et ka lihtsad ained üldisest alarühmast põhjustavad leegi sarnast värvust. Selguse huvides kasutatakse selle metalli katsena naatriumi põlemist. Leeki toomisel muutuvad keeled erkkollaseks. Värviomaduste põhjal tuvastatakse emissioonispektris naatriumijoon.

Seda iseloomustab omadus kiirelt ergutada aatomiosakestest valguskiirgust. Kui selliste elementide mittelenduvad ühendid viiakse Bunseni põleti tulesse, muutub see värviliseks.

Spektroskoopiline uuring näitab iseloomulikke jooni inimsilmale nähtaval alal. Valguskiirguse ergastamise kiirus ja lihtne spektraalne struktuur on tihedalt seotud nende metallide kõrgete elektropositiivsete omadustega.

Iseloomulik

Leegi klassifikatsioon põhineb järgmistel omadustel:

põlevate ühendite agregaatolek. Neid on gaasilisel, õhus, tahkel ja vedelal kujul;
kiirguse tüüp, mis võib olla värvitu, helendav ja värviline;
jaotuskiirus. Levib kiire ja aeglane;
leegi kõrgus. Struktuur võib olla lühike või pikk;
reageerivate segude liikumise olemus. Esineb pulseerivat, laminaarset, turbulentset liikumist;
visuaalne taju. Ained põlevad suitsuse, värvilise või läbipaistva leegi eraldumisega;
temperatuuri indikaator. Leek võib olla madalatemperatuuriline, külm ja kõrge temperatuur.
kütuse olek - oksüdeeriva reaktiivi faas.

Põlemine toimub aktiivsete komponentide difusiooni või eelsegamise tulemusena.

Oksüdatiivne ja redutseeriv piirkond

Oksüdatsiooniprotsess toimub vaevumärgatavas tsoonis. See on kõige kuumem ja asub ülaosas. Selles läbivad kütuseosakesed täieliku põlemise. Ja hapniku liig ja põlevainete puudus põhjustab intensiivset oksüdatsiooniprotsessi. Seda funktsiooni tuleks kasutada esemete kuumutamisel põleti kohal. Sellepärast kastetakse aine leegi ülemisse ossa. See põlemine toimub palju kiiremini.

Redutseerimisreaktsioonid toimuvad leegi kesk- ja alaosas. See sisaldab suures koguses tuleohtlikke aineid ja väikeses koguses O 2 molekule, mis põlevad. Nendesse piirkondadesse viimisel O element elimineeritakse.

Redutseeriva leegi näitena kasutatakse raudsulfaadi lõhustamise protsessi. Kui FeSO 4 siseneb põleti põleti keskossa, siis see kõigepealt soojeneb ja laguneb seejärel raudoksiidiks, anhüdriidiks ja vääveldioksiidiks. Selles reaktsioonis täheldatakse S redutseerimist laenguga +6 kuni +4.

Keevitusleek

Seda tüüpi tulekahju tekib gaasi või vedela auru segu põlemisel puhta õhu hapnikuga.

Näiteks on oksüatsetüleeni leegi moodustumine. See eristab:

tuum tsoon;
keskmine taastumisala;
põlema äärmuslik tsoon.

Nii põlevad paljud gaasi-hapniku segud. Atsetüleeni ja oksüdeerija vahekorra erinevused põhjustavad erinevat tüüpi leegi. See võib olla normaalse, karburiseeriva (atsetüleense) ja oksüdeeriva struktuuriga.

Teoreetiliselt saab atsetüleeni mittetäieliku põlemise protsessi puhtas hapnikus iseloomustada järgmise võrrandiga: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (reaktsiooniks on vaja üks mool O 2).

Saadud molekulaarne vesinik ja süsinikoksiid reageerivad õhuhapnikuga. Lõppproduktid on vesi ja neljavalentne süsinikoksiid. Võrrand näeb välja selline: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Selle reaktsiooni jaoks on vaja 1,5 mooli hapnikku. O 2 summeerimisel selgub, et 1 mooli HCCH kohta kulub 2,5 mooli. Ja kuna praktikas on raske leida ideaaljuhul puhast hapnikku (sellel on sageli väike saastumine lisanditega), on O 2 ja HCCH suhe 1,10 kuni 1,20.

Kui hapniku ja atsetüleeni suhe on alla 1,10, tekib karburiseeriv leek. Selle struktuuril on suurendatud südamik, selle piirjooned muutuvad uduseks. Tahm eraldub sellisest põlengust hapnikumolekulide puudumise tõttu.

Kui gaasi suhe on suurem kui 1,20, saadakse hapniku liiaga oksüdeeriv leek. Selle liigsed molekulid hävitavad raua aatomeid ja muid teraspõleti komponente. Sellises leegis muutub tuumaosa lühikeseks ja sellel on punktid.

Temperatuuri indikaatorid

Igal küünla või põleti tuletsoonil on oma väärtused, mille määrab hapniku molekulide varu. Lahtise leegi temperatuur selle erinevates osades on vahemikus 300 °C kuni 1600 °C.

Näiteks on difusioon- ja laminaarne leek, mille moodustavad kolm kesta. Selle koonus koosneb tumedast alast, mille temperatuur on kuni 360 °C ja milles puuduvad oksüdeerivad ained. Selle kohal on hõõguv tsoon. Selle temperatuur on vahemikus 550–850 °C, mis soodustab põleva segu termilist lagunemist ja selle põlemist.

Välimine ala on vaevumärgatav. Selles ulatub leegi temperatuur 1560 °C-ni, mis on tingitud kütusemolekulide loomulikest omadustest ja oksüdeeriva aine sisenemiskiirusest. Siin on põlemine kõige energilisem.

Ained süttivad erinevatel temperatuuritingimustel. Seega põleb magneesiummetall ainult 2210 °C juures. Paljude tahkete ainete puhul on leegi temperatuur umbes 350 °C. Tikud ja petrooleum võivad süttida 800 °C juures, puit aga 850 °C kuni 950 °C.

Sigaret põleb leegiga, mille temperatuur varieerub vahemikus 690–790 °C ja propaani-butaani segus - 790 °C kuni 1960 °C. Bensiin süttib 1350 °C juures. Alkoholi põlemisleegi temperatuur ei ületa 900 °C.

Töö tekst postitatakse ilma piltide ja valemiteta.
Töö täisversioon on PDF-vormingus saadaval vahekaardil "Tööfailid".

Küünla tuli, tuli tuli,

Vägeva tule tuli.

Tuled – nad kõik on meistrid

Inimestele saadetud kingitus.

Sissejuhatus

Ta võib sündida, saada tugevamaks ja kasvada. Võib nõrgeneda ja surra. Võib olla aupaklik ja südamlik või julm ja ahne. See sööstab, neelab, kulutab. Sa võid temaga võidelda ja ta taandub lüüasaatuna. See võib teid päästa või muutuda kohutavaks tragöödiaks.

"Tulekahju!" - see on nii lootusehüüd kadunule kui ka karm käsk, mis toob vaenlastele surma.

Tulised juuksed, põlevad silmad, särisev pilk. Vihasähvatus, naerupahvakas. Mängige tulega, süttige mõtetega, hõõguge entusiasmist, põlege kirest. "Väike säde sünnitab suure leegi", "Tuli ja vesi hävitavad kõik", "Tules sulab raud", "Tuli on inimese sõber ja vaenlane."

Näiteid küllalt. Nad peavad meile lihtsalt meelde tuletama, millist rolli see looduse kingitus meie elus mängib. Meie keel on andnud talle elusolendi tunnused ja vastupidi, inimese välimus ja emotsioonid on sageli seotud leegi omadustega.

Tuli on pikka aega olnud inimeste elu lahutamatu osa. Kas on võimalik ette kujutada meie olemasolu ilma tuleta? Muidugi ei. Kaasaegne inimene puutub põlemisprotsessidega kokku iga päev.

Töö eesmärk: uurida põlemisprotsessi erinevatest vaatenurkadest.

Põlemise teemaga seotud õppekirjandus ja internetiavarusted;

Tutvuda tule valdamise ajalooga;

Leia infot ja täpseid juhiseid põlemisprotsessidega seotud katsete läbiviimiseks.

Natuke ajalugu

Põlemine- See on esimene keemiline reaktsioon, millega inimene tutvus.

Legendi järgi tõi tule külmunud ja õnnetutele inimestele Zeusi keelust hoolimata titaan Prometheus. Kuid kõige tõenäolisemalt puutusid primitiivsed humanoidsed isikud äikeselöögi ja vulkaanipursete põhjustatud tulekahjude ajal tuld. Nad ei teadnud, kuidas seda ise välja tõmmata, kuid nad said seda kanda ja hooldada. Esimesed tõendid inimeste tule kasutamise kohta pärinevad sellistest iidse inimese arheoloogilistest leiukohtadest nagu Chesowanya Ida-Aafrikas, Swartkrans Lõuna-Aafrikas, Zhoukoudian ja Xihoudu Hiinas ning Trinil Java saarel. Leiti 1,5–2 miljoni aasta taguseid tulekoldeid, tuhka ja sütt, ürginimeste põlenud tööriistu ja imetajate luid.

Millal inimesed iseseisvalt tuld tegema hakkasid, oli kindel alles 2008. aastal, mil rühm Iisraeli arheolooge nimetas suhteliselt täpseks kuupäevaks 790 tuhat aastat tagasi. Teadlased tegid selle järelduse Gesher Bnot Yaakovi kuulsa varajase paleoliitikumi leiukoha väljakaevamiste tulemuste põhjal. Ajakirjas Quaternary Science Reviews avaldatud aruande kohaselt leidsid nad jälgi primitiivsetest tuletegemistehnikatest, mida kasutati piirkonnas elanud peaaegu kaheteistkümne põlvkonna jooksul. Järeldused tehti ka siit varem leitud kivide ja kivitööriistade täpsemate uuringute põhjal.

Esimene viis, kuidas inimesed iseseisvalt tuld tekitasid, oli hõõrdumine. Seda meetodit kasutatakse meie ajal aeg-ajalt, näiteks telkimistingimustes.

Tasapisi, kui inimkond kogus praktilisi kogemusi ja uusi teadmisi meid ümbritseva maailma kohta, tuli selle asemele teine tule tegemise meetod, mis põhineb sädeme löömisel. See seisneb selles, et kui kivi tabab järsult teatud mineraale, lendavad nende pinnalt välja pisikesed osakesed, mis süttivad koheselt ning süttivale materjalile langedes panevad selle põlema. Nende hulka kuuluvad näiteks püriit (raud(II)disulfiid - FeS 2). Tuntud on ka teisi sama omadusega mineraale. Aja jooksul seda meetodit täiustati: tuld hakati tekitama tavalisemast ja ligipääsetavamast mineraalsest ränist raudvardaga sädemete löömisega. Tuleohtlikud ained olid tint või põlenud takud. Sel viisil tuld hankida Euroopas kuni 19. sajandi keskpaigani. Kasutatud seadet nimetati Venemaal „tulekiviks“.

Veel ühte huvitavat meetodit kasutasid iidsetest aegadest kuni kahekümnenda sajandi keskpaigani Sumatra, Java, Kalimantani ja Sulawesi saarte hõimud: tule tegemine õhu järsu kokkusurumisega spetsiaalsetes seadmetes.

Praegu seisavad inimesed pidevalt silmitsi põlemisprotsessidega. See võib olla gaasi põletamine gaasipliidis, kütuse mikroplahvatused diiselautode mootorites, eramajade küttesüsteemid või soojuselektrijaama töö jne. Sõjanduses tähendab tuli tulirelvast tulistamist.

Tuli teadlase pilgu läbi

Mis on tuli? Keemilisest vaatenurgast on see tsoon, kus toimub eksotermiline oksüdatsioonireaktsioon, millega mõnikord kaasneb pürolüüs (orgaaniliste ja paljude anorgaaniliste ühendite termiline lagunemine). Füüsika seisukohalt on see kuumutatud ainete valguse eraldumine sellise reaktsiooni tsoonist.

Miks me tuld näeme? Põlevmaterjali osakesed ja põlemisproduktid hõõguvad, kuna neil on kõrge temperatuur (tavaline musta keha kiirgus). Kõrge temperatuur võimaldab aatomitel mõnda aega liikuda kõrgema energiaga olekutesse ja seejärel oma esialgsesse olekusse naastes kiirata teatud sagedusega valgust, mis vastab antud elemendi elektronkestade struktuurile.

Mis vahe on "tulel" ja "põletamisel"? Tulekahju on kiire põlemisvorm, mis eraldab nii valgust kui soojust. Põlemine- kompleksne füüsikalis-keemiline protsess, mille käigus lähteained muutuvad eksotermiliste reaktsioonide käigus põlemissaadusteks. Põlemisprotsessi jaoks vajate:

Põlev aine (kütus);

Oksüdeeriv aine (kõige sagedamini hapnik);

Süüteallikas (mitte alati)

Oksüdeerija ja põlev aine koos moodustavad põleva süsteemi. See võib olla homogeenne või heterogeenne:

Homogeenne on süsteemid, milles süttiv aine ja oksüdeerija on omavahel ühtlaselt segunenud (süttivate gaaside, aurude segud). Selliste süsteemide põlemist nimetatakse kineetiliseks põlemiseks. Teatud tingimustel võib sellisel põlemisel olla plahvatuse iseloom.

Heterogeenne- süsteemid, milles süttiv aine ja õhk ei ole omavahel segunenud ning millel on liidesed (tahked põlevad materjalid ja pihustamata vedelikud). Heterogeensete põlevsüsteemide põlemisel tungib õhuhapnik läbi põlemisproduktide põlevaineni ja reageerib sellega. Seda tüüpi põlemist nimetatakse difusioonpõlemiseks. Hapnik, kloor, fluor, broom ja muud ained võivad toimida oksüdeeriva ainena.

Tuli on põlemise peamine (vabapõlemise) faas, see on füüsikaline ja keemiline nähtus, mis tähendab, et seda ei ole mõistlik käsitleda ainult keemilisest aspektist. Füüsika seisukohalt tulekahju- kuumade gaaside kogum, mis vabaneb järgmistel põhjustel:

kütuse (süttiva aine) meelevaldne või tahtmatu kuumutamine teatud temperatuurini oksüdeerija juuresolekul;

keemiline reaktsioon (näiteks plahvatus);

elektrivoolu vool keskkonnas (elektrikaar, elektrikeevitus)

Põlemisfaasid

Põlemisprotsess on jagatud teatud etappideks (faasideks):

1. Esialgne faas (kasvufaas),

2. vaba põlemise faas (täielikult välja arenenud staadium),

3. Hõõgumisfaas (lagunemise staadium).

Esimeses - algfaasis - hapniku juurdevool suureneb, seejärel hakkab vähenema. Teatud kogus soojust tekib ja see hulk põlemisprotsessis suureneb. Leek võib ulatuda temperatuurini üle 5370 °C, kuid toatemperatuur võib selles etapis olla madal.

Teise, vabalt põleva faasi ajal tõmmatakse leeki hapnikurikas õhk, kuna konvektsioon kannab soojust kinnise ruumi ülemisse kihti. Kuumad gaasid liiguvad ülevalt alla, sundides jahedamat õhku otsima madalamaid tasemeid ja lõpuks süütavad kogu põlevmaterjali ruumi ülemistel tasanditel. Selles etapis võib ülemiste kihtide temperatuur ületada 7000°C. Tuli jätkab vaba hapniku tarbimist, kuni jõuab punktini, kus hapnikku ei jätku kütusega reageerimiseks. Leek taandub hõõgumisfaasi ja vajab kiireks süttimiseks vaid hapnikku.

Kolmandas faasis võib leek seiskuda, kui põlemisala on õhutihe. Sel juhul taandub põlemine hõõguvatele sütele. Tekib tihe suits ja gaasid ning tekib liigne rõhk. Söed jätkavad hõõgumist, ruum täitub täielikult tiheda suitsu ja põlemisgaasidega temperatuuril 5370°C. Tugev kuumus aurustab kütuse kergemad koostisosad. , nagu vesinik ja metaan, ruumis olevast põlevast materjalist. Need põlevad gaasid ühinevad tule derivaatidega ja suurendavad veelgi uuesti süttimise ohtu ning loovad tagasivoolu võimaluse.

Põlemise tüübid

Välklamp- see on põleva segu kiire põlemine, millega ei kaasne surugaaside moodustumist.

Tulekahju- põlemine süüteallika mõjul.

Ilmekas näide tulest on iidsete India preestrite “trikk”: Vana-Indias pühade riituste sooritamisel templite hämaruses lahvatasid ootamatult salapärased punased tuled, mis hajusid sädemetega, sisendades kummardajates ebausklikku hirmu. Muidugi polnud võimsal Buddhal sellega midagi pistmist, kuid tema ustavad sulased preestrid hirmutasid ja pettasid usklikke säraküünalde abil. Leegile punase värvuse andnud strontsiumisoolad segati kivisöe, väävli ja kaaliumkloraadiga (Berthollet sool). Õigel hetkel pandi segu põlema.

2KClO 3 + S +2C = 2KCl + SO 2 + 2CO 2

Isesüttimine on eksotermiliste reaktsioonide kiiruse järsu suurenemise nähtus, mis põhjustab ainete (materjali, segu) põlemist süüteallika puudumisel.

Termiline isesüttimine ained tekivad isekuumenemise tulemusena varjatud või välise kütteallika mõjul. Isesüttimine on võimalik ainult siis, kui autooksüdatsiooniprotsessi käigus eralduv soojushulk ületab soojusülekande keskkonda.

Termilise isesüttimise näide on lenduvate eeterlike õlide iseeneslik põlemine kuuma ilmaga. Tuntud legendil põlevast põõsast ehk Moosese põõsast on täiesti teaduslik seletus: teadlased usuvad, et tegemist oli diptaampõõsaga, mis eritab eeterlikke õlisid, mis päikesevalguse käes süttivad. Vaikse ilmaga põõsa ümbruses suureneb taime poolt eralduvate lenduvate eeterlike õlide kontsentratsioon, mis teatud temperatuuri saavutamisel süttivad. Eetri isesüttimise keemilise reaktsiooni võrrand:

C 4 H 10 O + 6 O 2 = 4 CO 2 + 5 H 2 O

Termiline isesüttimine seletab ka kalmistutulede väljanägemist. Orgaaniliste jääkide lagunemisel eraldub värvitu mürgine fosfiingaas (PH3), millel on omadus õhu käes iseeneslikult süttida, s.t. hapniku juuresolekul. Kui see gaas maa seest välja tuleb, milles orgaanilised jäägid lagunevad, tekib isesüttimine, tekivad väikesed sähvatused, millega kirikumehed tavatsesid ebausklikke hirmutada. Seda nähtust võib täheldada ainult soojal aastaajal, kuna fosfiini isesüttimistemperatuur = 38°C. Fosfiini isesüttimise keemilise reaktsiooni võrrand:

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

Isesüttimine võib toimuda ka aine (materjali, segu) massis olevate mikroorganismide elulise aktiivsuse mõjul.

Põlevatel materjalidel on kalduvus mikrobioloogilisele isesüttimisele, eriti niisutatud, mis on kasvulavaks mikroorganismidele, mille elutegevus on seotud soojuse eraldumisega (turvas, saepuru). Sel juhul ei ületa isekuumenemise temperatuur normaalset ümbritseva õhu temperatuuri ja võib olla negatiivne.

Seetõttu toimub enamik tulekahjusid ja plahvatusi põllumajandussaaduste (silo, niisutatud heina) hoidmisel elevaatorites. Kõige sagedamini kasutatav meetod heina (ja sarnaste materjalide) isekuumenemise ja isesüttimise vältimiseks on tagada, et materjalid ladustamisel ei märjaks.

Põlemis- ja isesüttimisprotsesside vahel on erinevus: põlemise toimumiseks on vaja põlevasse süsteemi sisestada soojusimpulss, mille temperatuur ületab aine iseenesliku süttimise temperatuuri.

Isekuumenemise temperatuur- keskkonna minimaalne temperatuur, millest kõrgemal on soodsatel tingimustel võimalik põleva aine teatud mahu (massi) termilise lagunemise ja oksüdatsiooniga seotud eksotermilise isekuumenemise protsessi areng.

Isesüttimistemperatuur- see on aine madalaim temperatuur, mille juures toimub eksotermiliste reaktsioonide kiiruse järsk tõus, mis lõpeb leekpõlemisega.

Plahvatus on aine ülikiire keemiline muundumine, millega kaasneb kiire soojusenergia vabanemine ja kokkusurutud gaaside moodustumine, mis on võimelised tekitama mehaanilist tööd.

Kaasaegset maailma on raske ette kujutada ka ilma seda tüüpi põlemiseta, kuna enamiku automootorite töö aluseks on kütuse mehaaniline plahvatus. Väikesemahulisi plahvatusi kasutatakse ka pürotehnilistes seadmetes. Pürotehnika (vanakreeka πῦρ – tuli, kuumus; τεχνικός – kunst, oskus) on tehnoloogiaharu, mis on seotud tuleohtlike kompositsioonide valmistamise ja nende põletamise tehnoloogiatega teatud efekti saavutamiseks. Jagatuna:

sõjavägi (rakettrelvad, suitsupommid)

spetsialiseerunud (filmi eriefektid, tsiviilsignalisatsiooniseadmed)

meelelahutus (pürotehnilised tooted - ilutulestikud, säraküünlad, tuleristsed, ilutulestik.

Põlemisproduktid

Põlemisprotsessi käigus tekivad põlemisproduktid. Need võivad olla vedelad, tahked ja gaasilised. Nende koostis sõltub põleva aine koostisest ja selle põlemistingimustest. Orgaanilised ja anorgaanilised põlevad ained koosnevad peamiselt süsinikust, hapnikust, vesinikust, väävlist, fosforist ja lämmastikust. Neist süsinik, vesinik, väävel ja fosfor on võimelised põlemistemperatuuril oksüdeeruma ja moodustama põlemisprodukte: CO, CO 2, SO 2, P 2 O 5. Lämmastik ei oksüdeeru põlemistemperatuuril ja eraldub vabas olekus ning hapnik kulub aine põlevate elementide oksüdatsioonile. Kõik need põlemissaadused (välja arvatud süsinikmonooksiid CO) ei saa tulevikus põleda.

Orgaaniliste ainete mittetäieliku põlemise korral madalate temperatuuride ja õhupuuduse tingimustes moodustuvad mitmekesisemad tooted - süsinikmonooksiid (II), alkoholid, aldehüüdid, happed ja muud keerulised keemilised ühendid. Need tooted tekitavad kibedat ja mürgist suitsu. Lisaks on mittetäieliku põlemise saadused ise võimelised põlema ja moodustama õhuga plahvatusohtlikke segusid. Sellised plahvatused tekivad tulekahjude kustutamisel keldrites, kuivatites ja suletud ruumides, kus on palju süttivaid materjale.

Leegi värv

Lisandite võimet leeke erinevat värvi värvida ei kasutata mitte ainult pürotehnikas, vaid ka analüütilises keemias: pürokeemiline analüüs on meetod teatud keemiliste elementide tuvastamiseks (näiteks mineraalides) leegi erinevate värvide järgi.

Element	Leegi värv
	smaragd roheline
Koobalt (Co)
Mangaan (Mn)	Violetne-ametüst
raud (Fe)	Kollakaspruun
Nikkel (Ni)	Punakaspruun
Naatrium (Na)	Oranž
Kaltsium (Ca)	Erepunane

Gaasipõleti põleb sinise leegiga süsinikmonooksiidi (CO) olemasolu tõttu. Tiku kollakasoranž leek on tingitud naatriumisoolade olemasolust puidus. Leegi ülaosa kollakasoranž värvus tavatingimustes on seletatav kuuma õhuvooluga ülespoole kantavate tahmaosakeste kumaga.

Järeldus

Teematöö tulemusena said täidetud ülesanded: uuriti kirjanduslikke allikaid ja internetiressursse tule- ja põlemisprotsesside valdamise ajaloost; valiti välja põlemisprotsessidega seotud laborikatsed ja juhised nende teostamiseks.

Töö eesmärk on täidetud. Tänapäeva inimesele näiliselt tuttav nähtus nagu põlemine on keeruline füüsikaline ja keemiline protsess. See on esimene keemiline reaktsioon, millega inimene tutvus! See protsess mängib meie elus väga olulist rolli, kuigi mõnikord kujutab see endast suurt ohtu.

Töös esitatud huvitavaid fakte ja laborikatseid saab kasutada õppeasutustes demonstratsiooni eesmärgil, et tutvustada õpilasi sellise hämmastava teemaga nagu tulekahju.

Praktiline osa

Kogemus nr 1. "Keemiline taht."

Seda pommikaitsmete kaugsüütamise meetodit kasutati 19. sajandi lõpus. See põhineb glütseriini võimel süttida reaktsioonist tugeva oksüdeeriva ainega (kaaliumpermanganaat).

Katse eesmärk: veenduda, et tuli ei saaks “sünnida” mitte ainult sädemest, vaid ka lihtsalt teatud ainete segunemisest, mis üksikult on täiesti kahjutud.

Reaktiivid ja seadmed: paber, kristalne kaaliumpermanganaat, veevaba glütseriin, pipett.

Töö käik ja vaatlused: valage kortsutatud paberilehele väike kogus kaaliumpermanganaati, tilgutage 3-5 tilka glütseriini; Segu kohale ilmub suits ning mõne aja pärast (5-15 sekundit) süttivad segu ja kortsunud leht.

Kogemus nr 2. "Mini ilutulestik."

Reaktiivid ja seadmed: puusüsi, kristalne kaaliumpermanganaat, rauaviilud, paberileht, tiigel, tiigli tangid, kuiv kütus.

Töö käik ja vaatlused: valage paberilehele kolm väikest identset hunnikut peeneks purustatud pulbrit: kaaliumpermanganaat, rauaviil ja kivisüsi. Pärast seda voldi paberileht pooleks, nii et pulbrid kukuvad ühte hunnikusse. Fakt on see, et kaaliumpermanganaati raudviilidega hõõrudes võib segu ägeneda. Valage saadud segu tiiglisse. Toome selle kuiva kütuse leegile ja ootame paar sekundit. Kui segu kuumeneb, hakkab see sädemeid tekitama nagu säraküünal.

Kogemus nr 3. "Kustumatu magneesium."

Magneesium on üks väheseid aineid, mida ei saa veega kustutada.

Reaktiivid ja seadmed: magneesium, vesi, klaas, pika varrega lusikas, piirituselamp.

Töö käik ja vaatlused: süüdake lusikaga väike kogus magneesiumit piirituslambi leegist. Asetame põleva magneesiumi veeklaasi ja jälgime, et see ei kustuks, vaid põleb edasi, jäädes veepinnale.

Katse nr 4 “Vaarao madu kaltsiumglükonaadist”.

Vaaraomaod on mitmed reaktsioonid, millega kaasneb poorse toote moodustumine väikesest kogusest reageerivatest ainetest. Nende reaktsioonidega kaasneb kiire gaasieraldus.

Katse eesmärk: vaadelda kaltsiumglükonaadi termilist lagunemist.

Reaktiivid ja seadmed: kaltsiumglükonaadi tabletid, kuivkütus, pintsetid.

Töö käik ja vaatlused: asetage pintsettide abil põlenud kuiva kütuse tabletile 1-2 tabletti kaltsiumglükonaati. Kaltsiumglükonaadi maht suureneb märkimisväärselt, omandab "ussilaadse" kuju ja "roomab" leegist välja. Saadud "madu" on väga habras ja laguneb esimese puudutusega.

Kogemus nr 5. "Soda rästik"

Katse eesmärk: jälgida sooda ja tuhksuhkru segu termilist lagunemist.

Reaktiivid ja seadmed: liiv, sooda, tuhksuhkur, alkohol.

Töö käik ja vaatlused: valage sisse veidi liiva (4-5 supilusikatäit), tehke saadud “püramiidi” ülaossa väike süvend. Valage sellesse õõnsusse võrdse koguse söögisooda ja tuhksuhkru segu. Valame selle kõige peale alkoholiga ja paneme põlema. Esiteks jälgime väikeste tumedate mullide teket, seejärel "soodarästiku" enda välimust. Nagu eelmises katses, suureneb vaarao madu suurus järk-järgult.

Kogemus nr 6. "Gaasisegu plahvatus."

Katse eesmärk: jälgida õhu ja tuleohtliku gaasi segu plahvatust.

Reaktiivid ja seadmed: tsink, vesinikkloriidhape, seade gaaside tootmiseks, klaas vett, nõudepesuvahend, süüdatud kild.

Töö käik ja tähelepanekud: valage veidi pesuainet klaasi vette, segage, et tekiks kerge vaht. Segame gaaside tootmise seadmes tsinki ja vesinikkloriidhappe ning suuname gaasi väljalasketoru vee ja pesuainega klaasi. Tsingi reageerimisel vesinikkloriidhappega eraldub vesinik, mis moodustab klaasis vahu. Kui on piisavalt

vaht, eemalda gaasi väljalasketoru, too vahule põlev kild ja jälgi väikest plahvatust.

Kogemus nr 7. "Värviline leek"

Reaktiivid ja seadmed: vaskkloriid, vask(II)sulfaat, lauasool, kaltsiumfluoriid, ammooniumkloriid, vesi, alkoholilamp, nikroomtraadi silmus.

Töö käik ja vaatlused: segage ammooniumkloriidi vahekorras 1:1 iga reaktiiviga, lahjendage veega ja segage saadud suspensioon. Seejärel konksame väikese koguse iga ainet nikroomtraadi aasaga ja lisame selle põleti leegile, jälgides leegi värvumise reaktsiooni. Tulemuseks oli: algne leek oli läbipaistev, sinaka varjundiga; naatriumkloriid (lauasool) värvis leegi kollaseks; vask (II) sulfaat - vasksulfaat - roheline; vaskkloriid muutis selle helesiniseks ja kaltsiumfluoriid andis leegile vaevumärgatava punase varjundi.

Bibliograafia

1. .Kendivan, O.D.-S. Ime läbi keemiku silmade / O.D.-S. Kendivan //Keemia. Haridus- ja metoodiline ajakiri keemia- ja loodusainete õpetajatele nr 5-6 toim. Esimene september - Moskva, 2014. - P.45-52

2. Krasitsky, V.A. Inimtekkeline tuli: ajalugu ja modernsus / V.A. Krasitsky // Keemia. Haridus- ja metoodiline ajakiri keemia- ja loodusainete õpetajatele nr 1 toim. Esimene september - Moskva, 2014. - P.4-8

3. Tundmatu. Analüütiline keemia. Poolmikroanalüüs [Elektrooniline ressurss] / Tundmatu // Analüütiline keemia – juurdepääsurežiim: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

4. Tundmatu. Põlemine [Elektrooniline ressurss]/ Tundmatu // Vaba entsüklopeedia Wikipedia – juurdepääsurežiim: https://ru.wikipedia.org/wiki/Põlemine

5. Poltev, M.K. X peatükk. Tuleohutus. §1. Põlemisprotsessid / M.K. Poltev // Tööohutus masinaehituses, toim. "Kõrgkool" - Moskva, 1980.

6. Rjumin, V.V. Põlemine ilma õhuta / V.V. Ryumin // Meelelahutuslik keemia, 7. väljaanne. Noor valvur. - Moskva, 1936. - P.58-59

7. Ryumin, V.V. Isesüttimine / V.V. Ryumin // Meelelahutuslik keemia, 7. väljaanne. Noor valvur. - Moskva, 1936. - Lk 59

8. Stepin, B. D.; Alikberova, L. Yu. Suurejoonelised katsed / B.D. Stepin, L. Yu. Alikberova // Meelelahutuslikud ülesanded ja suurejoonelised katsed keemias, toim. Bustard - Moskva, 2006. - S.

– pidev ahelreaktsioon, mis hõlmab põlemist, mis on eksotermiline reaktsioon, mille käigus oksüdeerija, tavaliselt hapnik, oksüdeerib kütust, tavaliselt süsinikku, tekitades põlemisprodukte, nagu süsinikdioksiid, vesi, soojus ja valgus. Tüüpiline näide on metaani põletamine:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Põlemisel tekkivat soojust saab kasutada põlemise enda toiteks ja kui sellest piisab ja põlemise säilitamiseks pole vaja lisaenergiat, tekib tulekahju. Tulekahju peatamiseks võite eemaldada kütuse (põleti pliidil välja lülitada), oksüdeerija (katta tuli spetsiaalse materjaliga), kuumuse (puista tulele vett) või reaktsiooni enda.

Põlemine on mõnes mõttes vastupidine fotosünteesile, endotermilisele reaktsioonile, mille käigus sisenevad valgus, vesi ja süsinikdioksiid, et toota süsinikku.

On ahvatlev eeldada, et puidu põletamine kasutab ära tselluloosis leiduva süsiniku. Siiski näib, et toimub midagi keerukamat. Kui puit puutub kokku kuumusega, läbib see pürolüüsi (erinevalt põlemisest, mis ei vaja hapnikku), muutes selle süttivamateks aineteks, näiteks gaasideks, ja just need ained süttivad tulekahjus.

Kui puit põleb piisavalt kaua, siis leek kaob, kuid hõõgumine jätkub ja eelkõige puit hõõgub edasi. Suitsemine on mittetäielik põlemine, mille tulemuseks on vastupidiselt täielikule põlemisele vingugaasi moodustumine.

Igapäevased esemed kiirgavad pidevalt soojust, suur osa sellest infrapunakiirguses. Selle lainepikkus on nähtavast valgusest pikem, mistõttu seda ilma spetsiaalsete kaamerateta näha ei saa. Tuli on piisavalt hele, et tekitada nähtavat valgust, kuigi see tekitab ka infrapunakiirgust.

Teine tules värvi ilmnemise mehhanism on põletatava objekti kiirgusspekter. Erinevalt musta keha kiirgusest on kiirgusspektril diskreetsed sagedused. See tuleneb asjaolust, et elektronid genereerivad teatud sagedustel footoneid, liikudes suure energiaga olekust madala energiaga olekusse. Neid sagedusi saab kasutada proovis esinevate elementide määramiseks. Sarnast ideed (kasutades neeldumisspektrit) kasutatakse tähtede koostise määramisel. Emissioonispekter vastutab ka ilutulestiku ja värviliste tulede värvi eest.

Leegi kuju Maal sõltub gravitatsioonist. Kui tulekahju soojendab ümbritsevat õhku, toimub konvektsioon: kuum õhk, mis sisaldab muuhulgas kuuma tuhka, tõuseb üles ja külm (hapnikku sisaldav) õhk vajub, toetades tuld ja andes leegile kuju. Madala raskusjõu korral, näiteks kosmosejaamas, seda ei juhtu. Tuld toidab hapniku difusioon, mistõttu see põleb aeglasemalt ja kera kujul (kuna põlemine toimub ainult seal, kus tuli puutub kokku hapnikku sisaldava õhuga. Sfääri sisse ei jää hapnikku).

Musta keha kiirgus

Musta keha kiirgust kirjeldatakse Plancki valemiga, mis on seotud kvantmehaanikaga. Ajalooliselt oli see üks esimesi kvantmehaanika rakendusi. Selle saab kvantstatistilisest mehaanikast tuletada järgmiselt.

Arvutame sagedusjaotuse footongaasis temperatuuril T. Asjaolu, et see langeb kokku sama temperatuuriga absoluutselt musta keha poolt emiteeritud footonite sagedusjaotusega, tuleneb Kirchhoffi kiirgusseadusest. Idee seisneb selles, et musta keha saab viia footongaasiga temperatuuritasakaalu (kuna neil on sama temperatuur). Fotoongaasi neelab must keha, mis kiirgab ka footoneid, seega on tasakaalu saavutamiseks vajalik, et igal sagedusel, millega must keha kiirgab kiirgust, neelaks see seda sama kiirusega, mille määrab sagedusjaotus gaasi.

Statistilises mehaanikas on tõenäosus, et süsteem on mikroolekus s, kui see on termilises tasakaalus temperatuuril T, võrdeline

Kus E s on oleku s energia ja β = 1 / k B T ehk termodünaamiline beeta (T on temperatuur, k B on Boltzmanni konstant). See on Boltzmanni jaotus. Üks seletus sellele on antud Terence Tao blogipostituses. See tähendab, et tõenäosus on võrdne

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Kus Z(β) on normaliseerimiskonstant

Z(β) = ∑ s e - β E s

Footongaasi oleku kirjeldamiseks peate teadma midagi footonite kvantkäitumise kohta. Elektromagnetvälja standardses kvantiseerimises võib välja vaadelda kui kvantharmooniliste võnkumiste kogumit, millest igaüks võngub erinevatel nurksagedustel ω. Harmoonilise ostsillaatori omaseisundite energiad on tähistatud mittenegatiivse täisarvuga n ∈ ℤ ≥ 0, mida saab tõlgendada sagedusega ω footonite arvuna. Omaseisundi energiad (kuni konstantini):

Kvantnormaliseerimiskonstant omakorda ennustab, et madalatel sagedustel (temperatuuri suhtes) on klassikaline vastus ligikaudu õige, kuid kõrgetel sagedustel langeb keskmine energia eksponentsiaalselt, madalamatel temperatuuridel on langus suurem. See juhtub seetõttu, et kõrgetel sagedustel ja madalatel temperatuuridel veedab kvantharmooniline ostsillaator suurema osa oma ajast põhiolekus ega lähe järgmisele tasemele nii lihtsalt üle, mis on eksponentsiaalselt vähem tõenäoline. Füüsikud ütlevad, et suurem osa sellest vabadusastmest (ostsillaatori vabadus teatud sagedusel võnkuda) on "külmutatud".

Olekute tihedus ja Plancki valem

Nüüd, teades, mis toimub teatud sagedusel ω, on vaja kõik võimalikud sagedused summeerida. See arvutuste osa on klassikaline ja kvantkorrektsioone pole vaja teha.

Kasutame standardset lihtsustust, et footongaas on suletud ruumalasse, mille külg on L pikkusega perioodiliste piirtingimustega (see tähendab, et tegelikkuses on see lame torus T = ℝ 3 / L ℤ 3). Võimalikud sagedused klassifitseeritakse seisva lainete elektromagnetlainete võrrandi lahenduste järgi kindlaksmääratud piirtingimustega mahus, mis omakorda vastavad kuni tegurini Laplacia Δ omaväärtustele. Täpsemalt, kui Δ υ = λ υ, kus υ(x) on sujuv funktsioon T → ℝ, siis seisvalaine elektromagnetlaine võrrandi vastav lahendus on

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

Ja seetõttu, arvestades, et λ on tavaliselt negatiivne ja seetõttu on √λ tavaliselt kujuteldav, on vastav sagedus võrdne

ω = c √(-λ)

See sagedus esineb hämaras V λ korda, kus V λ on Laplaciani λ omaväärtus.

Tingimusi lihtsustame perioodiliste piirtingimustega ruumala abil, kuna sel juhul on väga lihtne kõik Laplaciani omafunktsioonid üles kirjutada. Kui kasutame lihtsuse huvides kompleksarve, siis määratletakse need järgmiselt

υ k (x) = e i k x

Kus k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, lainevektor. Laplatsi vastav omaväärtus on

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Vastav sagedus saab olema

Ja vastav energia (üks selle sageduse footon)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Siin lähendame tõenäosusjaotust võimalike sageduste ω k vahel, mis rangelt võttes on diskreetsed, pideva tõenäosusjaotusega ja arvutame olekute vastava tiheduse g(ω). Idee seisneb selles, et g (ω) dω peaks vastama saadaolevate olekute arvule sagedustega vahemikus ω kuni ω + dω. Seejärel integreerime lõpliku normaliseerimiskonstandi saamiseks olekute tiheduse.

Miks on see lähenemine mõistlik? Täielikku normaliseerimiskonstanti saab kirjeldada järgmiselt. Iga lainearvu k ∈ 2 π / L * ℤ 3 jaoks on arv n k ∈ ℤ ≥0, mis kirjeldab selle lainenumbriga footonite arvu. Footonite koguarv n = ∑ n k on lõplik. Iga footon lisab energiale ℏ ω k = ℏ c |k|, mis tähendab, et

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Seetõttu kirjutatakse kõigi lainearvude k puhul selle logaritm summana

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Ja me tahame seda summat lähendada integraaliga. Selgub, et mõistlike temperatuuride ja suurte mahtude korral muutub integrand k-ga väga aeglaselt, seega on see lähendus väga lähedane. See lakkab töötamast ainult ülimadalatel temperatuuridel, kus tekib Bose-Einsteini kondensaat.

Olekute tihedus arvutatakse järgmiselt. Lainevektoreid saab kujutada ühtsete võrepunktidena, mis elavad “faasiruumis”, see tähendab, et lainevektorite arv teatud faasiruumi piirkonnas on võrdeline selle ruumalaga, vähemalt piirkondade puhul, mis on võre sammuga 2π/L võrreldes suuremad. . Põhimõtteliselt on lainevektorite arv faasiruumi piirkonnas võrdne V/8π 3-ga, kus V = L 3, meie piiratud maht.

Jääb üle arvutada faasiruumi piirkonna ruumala kõigi lainevektorite k jaoks sagedustega ω k = c |k| vahemikus ω kuni ω + dω. See on sfääriline kest paksusega dω/c ja raadiusega ω/c, seega selle maht

2πω 2 /c 3 dω

Seetõttu olekute tihedus footoni jaoks

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Tegelikult on see valem kaks korda madalam: me unustasime arvesse võtta footonite polarisatsiooni (või samaväärselt footoni spinni), mis kahekordistab antud lainearvu olekute arvu. Õige tihedus:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Asjaolu, et olekute tihedus on mahus V lineaarne, ei toimi mitte ainult lamedas torus. See on Weyli seaduse kohaselt laplase omaväärtuste omadus. See tähendab, et normaliseeriva konstandi logaritm

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Tuletis β suhtes annab footongaasi keskmise energia

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Kuid meie jaoks on oluline integrand, mis annab "energiatiheduse"

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Fotoni gaasienergia hulga kirjeldamine, mis pärinevad footonitest, mille sagedused jäävad vahemikku ω kuni ω + dω. Lõpptulemuseks on Plancki valemi vorm, kuigi selle muutmiseks valemiks, mis kehtib pigem mustade kehade kui fotooniliste gaaside kohta, on vaja pisut askeldada (mahuühiku tiheduse saamiseks peate jagama V-ga ja tegema mõned rohkem asju kiirguse mõõtmiseks).

Plancki valemil on kaks piirangut. Juhul kui βℏω → 0, kipub nimetaja βℏω ja saame

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Sildid:

tulekahju
kvantfüüsika

Lisa märksõnu