О.С.ГАБРИЕЛЯН,
И.Г.ОСТРОУМОВ,
А.К.АХЛЕБИНИН

СТАРТ В ХИМИЮ

7 класс

Продолжение. Начало см. в № 1/2006

§ 2. Наблюдение и эксперимент как методы
изучения естествознания и химии

Знания о природе человек получает с помощью такого важнейшего метода, как наблюдение.

Наблюдение – это концентрация внимания на познаваемых объектах с целью их изучения.

С помощью наблюдения человек накапливает информацию об окружающем мире, систематизирует ее и ищет закономерности в этой информации. Следующий важный шаг – поиск причин, которые объясняют найденные закономерности.

Для того чтобы наблюдение было плодотворным, необходимо соблюдать ряд условий.

1. Нужно четко определить предмет наблюдения, на что будет обращено внимание наблюдателя, – конкретное вещество, его свойства или превращение одних веществ в другие, условия осуществления этих превращений и т.д.

2. Наблюдатель должен знать, зачем он проводит наблюдение, т.е. четко сформулировать цель наблюдения.

3. Чтобы достигнуть поставленной цели, можно составить план наблюдения. А для этого лучше выдвинуть предположение о том, как будет происходить наблюдаемое явление, т.е. выдвинуть гипотезу . В переводе с греческого «гипотеза» (hypo"thesis ) означает «предположение». Гипотеза может быть выдвинута и в результате наблюдения, т.е. тогда, когда получен какой-то результат, который нужно объяснить.

Научное наблюдение отличается от наблюдения в житейском смысле этого слова. Как правило, научное наблюдение проводится в строго контролируемых условиях, причем условия эти можно изменять по желанию наблюдателя. Чаще всего такое наблюдение проводится в специальном помещении – лаборатории (рис. 6).

Наблюдение, которое проводится в строго контролируемых условиях, называется экспериментом .

Слово «эксперимент» (experimentum ) имеет латинское происхождение и на русский язык переводится как «опыт», «проба». Эксперимент позволяет подтвердить или опровергнуть гипотезу, которая родилась из наблюдения. Так формулируется вывод .

Проведем небольшой эксперимент, с помощью которого изучим строение пламени.

Зажгите свечу и внимательно рассмотрите пламя. Вы заметите, что оно неоднородно по цвету. Пламя имеет три зоны (рис. 7). Темная зона 1 находится в нижней части пламени. Это самая холодная зона по сравнению с другими. Темную зону окаймляет самая яркая часть пламени 2 . Температура здесь выше, чем в темной зоне, но наиболее высокая температура – в верхней части пламени 3 .

Чтобы убедиться, что различные зоны пламени имеют разную температуру, можно провести такой опыт. Поместите лучинку (или спичку) в пламя так, чтобы она пересекала все три зоны. Вы увидите, что лучинка сильнее обуглилась там, где она попала в зоны 2 и 3 . Значит, пламя там более горячее.

Возникает вопрос: будет ли пламя спиртовки или сухого горючего иметь такое же строение, как и пламя свечи? Ответом на этот вопрос могут служить два предположения – гипотезы: 1) строение пламени будет таким же, как и пламя свечи, потому что в его основе лежит один и тот же процесс горения; 2) строение пламени будет различным, т.к. оно возникает в результате горения различных веществ. Для того чтобы подтвердить или опровергнуть ту или иную гипотезу, обратимся к эксперименту – проведем опыт.

Исследуем с помощью спички или лучинки строение пламени спиртовки (с устройством этого нагревательного прибора вы познакомитесь при выполнении практической работы) и сухого горючего.

Несмотря на то, что язычки пламени в каждом случае отличаются формой, размерами и даже окраской, все они имеют одинаковое строение – те же три зоны: внутреннюю темную (самую холодную), среднюю светящуюся (горячую) и внешнюю бесцветную (самую горячую).

Следовательно, выводом из проведенного эксперимента может быть утверждение о том, что строение любого пламени одинаково. Практическое значение этого вывода состоит в следующем: для того чтобы нагреть в пламени какой-либо предмет, его надо вносить в самую горячую, т.е. в верхнюю, часть пламени.

Оформлять эксперименты принято в специальном журнале, который называют лабораторным. Для этого подойдет обыкновенная тетрадь, а вот записи в ней делают не совсем обычные. Отмечают дату проведения эксперимента, его название, а ход опыта часто оформляют в виде таблицы.

Попробуйте таким образом описать эксперимент по изучению строения пламени.

Великий Леонардо да Винчи говорил, что науки, которые не родились из эксперимента, этой основы всех познаний, бесполезны и полны заблуждений.

Все естественные науки – науки экспериментальные. А для постановки эксперимента часто необходимо специальное оборудование. Например, в биологии широко используются оптические приборы, которые позволяют во много раз увеличить изображение наблюдаемого объекта: увеличительное стекло, лупа, микроскоп. Физики при изучении электрических цепей используют приборы для измерения напряжения, силы тока и электрического сопротивления. Ученые-географы имеют специальные приборы – от самых простейших (например, компас, метеорологические зонды) до уникальных космических орбитальных станций и научно-исследовательских судов.

Химики в своих исследованиях также используют специальное оборудование. Простейшее из них – это, например, уже знакомый вам нагревательный прибор спиртовка и различная химическая посуда, в которой проводят и изучают превращения веществ, т.е. химические реакции (рис. 8).

Рис. 8. Лабораторная химическая посуда и оборудование

Справедливо говорят, что лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. А еще лучше – подержать в руках и научиться пользоваться. Поэтому ваше первое знакомство с химическим оборудованием произойдет во время практической работы, которая вас ожидает на следующем уроке.

1. Что такое наблюдение? Какие условия необходимо соблюдать, чтобы наблюдение было результативным?
2. Чем различаются гипотеза и вывод?
3. Что такое эксперимент?
4. Какое строение имеет пламя?
5. Как следует проводить нагревание?
6. Какое лабораторное оборудование вы применяли при изучении биологии и географии?
7. Какое лабораторное оборудование используется при изучении химии?

Практическая работа № 1.
Знакомство с лабораторным оборудованием.
Правила техники безопасности

Большинство химических опытов проводят в стеклянной посуде. Стекло прозрачно, и вы можете наблюдать, что происходит с веществами. В некоторых случаях стекло заменяют прозрачной пластмассой, она не бьется, но такую посуду, в отличие от стеклянной, нельзя нагревать.

Для демонстрационного эксперимента часто используют химические стаканы (рис. 13). Часто стаканы и конические колбы имеют специальные отметки, с их помощью можно приблизительно определить объем находящейся в них жидкости.

Круглодонные колбы (рис. 14) нельзя поставить на стол, их закрепляют на металлических стойках – штативах (рис. 15) – с помощью лапок. Лапки, а также металлические кольца крепят на штативе специальными зажимами. В круглодонных колбах удобно получать какие-либо вещества, например газообразные. Для того чтобы собирать образующиеся газы, используют колбу с отводом (ее называют колбой Вюрца (рис. 16)) или пробирку с газоотводной трубкой.

Если образующиеся газообразные вещества нужно охладить, сконденсировать в жидкость, используют стеклянный холодильник (рис. 17). По его внутренней трубке движутся охлаждаемые газы, превращаясь в жидкость под действием холодной воды, которая течет по «рубашке» холодильника в обратном направлении.

Конусные воронки (рис. 18) служат для переливания жидкостей из одного сосуда в другой, они также незаменимы в процессе фильтрования. Вы, наверное, знаете, что фильтрованием называют процесс отделения жидкости от частиц твердого вещества.

Посуда с толстыми стенками, похожая на глубокую тарелку, называется кристаллизатором (рис. 20). Из-за большой площади поверхности налитого в кристаллизатор раствора растворитель быстро испаряется, растворенное вещество выделяется в виде кристаллов. Нагревать кристаллизатор нельзя ни в коем случае: его стенки только кажутся прочными, на самом деле при нагревании он обязательно треснет.

При выполнении химического эксперимента часто приходится отмерять необходимый объем жидкости. Чаще всего для этого используют мерные цилиндры (рис. 21).

Помимо стеклянной посуды в школьной химической лаборатории есть посуда фарфоровая. В ступке пестиком (рис. 22) измельчают кристаллические вещества. Стеклянная посуда для этого не подходит: от давления пестика она сразу расколется.

Чтобы избежать неприятностей и травм, каждый предмет нужно использовать строго по назначению, знать, как с ним обращаться. Химический эксперимент будет действительно безопасным, поучительным и интересным, если соблюдать меры предосторожности при работе с химической посудой, реактивами, оборудованием. Эти меры называются правилами техники безопасности.

Кабинет химии – необычный кабинет. Значит, и требования к вам здесь особенные. Например, в химическом кабинете ни в коем случае нельзя есть, поскольку многие из веществ, с которыми вы будете работать, ядовиты.

От других кабинетов химический отличается тем, что здесь есть вытяжной шкаф (рис. 24). Многие вещества имеют резкий неприятный запах, их пары не безвредны для здоровья. С такими веществами работают в вытяжном шкафу, из которого газообразные вещества попадают прямо на улицу.

Склянку с реактивом нужно брать так, чтобы этикетка оказалась в ладони. Это делается для того, чтобы случайные потеки не испортили надпись.

Некоторые химические вещества ядовиты, есть реактивы, разъедающие кожу, многие вещества легко воспламеняются. Предупреждают об этом специальные знаки на этикетках (рис. 26, см. с. 7).

Не приступайте к эксперименту, если точно не знаете, что и как нужно делать. Работать надо, строго соблюдая инструкцию и только с теми веществами, которые для опыта необходимы.

Подготовьте рабочее место, рационально разместите реактивы, посуду, принадлежности, чтобы не пришлось тянуться через стол, опрокидывая рукавом колбы и пробирки. Не загромождайте стол тем, что не потребуется для эксперимента.

Опыты нужно проводить только в чистой посуде, а значит, после работы ее нужно тщательно вымыть. Заодно вымойте руки.

Все манипуляции нужно проводить над столом.

Чтобы определить запах вещества, не подносите сосуд близко к лицу, а подгоните рукой воздух от отверстия сосуда к носу (рис. 27).

Никакие вещества нельзя пробовать на вкус!

Никогда не выливайте излишек реактива обратно в склянку. Пользуйтесь для этого специальным стаканом для отходов. Рассыпанные твердые вещества тоже нежелательно собирать обратно, тем более руками.

Если вы нечаянно обожглись, порезались, разлили реактив на стол, на руки или на одежду, сразу обращайтесь к учителю или лаборанту.

Закончив эксперимент, приведите рабочее место в порядок.

Практическая работа № 2.
Наблюдение за горящей свечой

Казалось бы, что можно написать о таком простом объекте наблюдения, как горящая свеча? Однако наблюдательность – это не только способность видеть, это способность обращать внимание на детали, сосредоточенность, умение анализировать, порой даже обыкновенная настойчивость. Великий английский физик и химик М.Фарадей писал: «Рассмотрение физических явлений, происходящих при горении свечи, представляет собой самый широкий путь, которым можно подойти к изучению естествознания».

Цель данной практической работы – научиться наблюдать и описывать результаты наблюдения. Вам предстоит написать небольшое сочинение-миниатюру про горящую свечу (рис. 28). Чтобы помочь вам в этом, предлагаем несколько вопросов, на которые нужно дать подробные ответы.

Опишите внешний вид свечи, вещество, из которого она изготовлена (цвет, запах, ощущение на ощупь, твердость), фитиль.

Зажгите свечу. Опишите внешний вид и строение пламени. Что происходит с материалом свечи при горении фитиля? Как выглядит фитиль в процессе горения? Нагревается ли свеча, слышен ли звук при горении, выделяется ли тепло? Что происходит с пламенем, если появляется движение воздуха?

Как быстро сгорает свеча? Изменяется ли длина фитиля в процессе горения? Что представляет собой жидкость у основания фитиля? Что с ней происходит, когда она поглощается материалом фитиля? А когда ее капли стекают вниз по свече?

Многие химические процессы протекают при нагревании, однако пламя свечи для этой цели не используется. Поэтому во второй части этой практической работы познакомимся с устройством и работой уже знакомого вам нагревательного прибора – спиртовки (рис. 29). Спиртовка состоит из стеклянного резервуара 1 , который заполняют спиртом не более чем на 2/3 объема. В спирт погружен фитиль 2 , который сделан из хлопчатобумажных нитей. Он удерживается в горлышке резервуара с помощью специальной трубочки с диском 3 . Зажигают спиртовку только с помощью спичек, для этой цели нельзя использовать другую горящую спиртовку, т.к. при этом может разлиться и вспыхнуть пролитый спирт. Фитиль необходимо ровно обрезать ножницами, в противном случае он начинает обгорать. Чтобы потушить спиртовку, нельзя дуть на пламя, для этой цели служит стеклянный колпачок 4 . Он же предохраняет спиртовку от быстрого испарения спирта.

Для проведения химических опытов в школе применяется

Давайте рассмотрим более подробно все виды оборудования.

Лабораторная посуда, в зависимости от материала, из которого она состоит, делится на стеклянную и фарфоровую .

Стеклянная посуда по наличию на ней специальных обозначений может быть мерной и обыкновенной.

К стеклянной посуде относятся . всё это мы изучим в ходе практической работы.

Скачать:

Предварительный просмотр:

3. Приёмы обращения с лабораторным оборудованием. Наблюдение за горящей свечой. Строение пламени

Вам уже известно, что химические превращения веществ – это явления, в результате которых из одних веществ образуются другие. Они также носят название химических реакций. Однако для проведения химических реакций необходимо специальное лабораторное оборудование.

Для проведения химических опытов в школе применяется специальная лабораторная посуда, штатив и нагревательные приборы.

Давайте рассмотрим более подробно все виды оборудования.

Лабораторная посуда, в зависимости от материала, из которого она состоит, делится на стеклянную и фарфоровую .

Стеклянная посуда по наличию на ней специальных обозначений может быть мерной и обыкновенной.

К стеклянной посуде относятся пробирки, колбы, химические стаканы, воронки, пипетки, склянки .

Пробирки – используются при проведении опытов для растворов, газов и твердых веществ.

Колбы бывают плоскодонными и коническими. Их используют так же, как и пробирки. Аналогично используются и химические стаканы .

Воронки служат для наливания раствора в сосуд с узким горлышком и для фильтрования жидкостей и, в зависимости от строения, делятся на конические и капельные .

Пипетки используют для отбора определенного объема жидкости из колбы.

К фарфоровой посуде относятся ступка, песты, воронка Бюхнера, тигль, стакан, ложка, шпатель, выпаривательные чаши .

Ступка и песты используются для измельчения веществ.

Тигль применяется для нагревания и прокаливания веществ.

Стакан, ложка, шпатель – для насыпания сухих химических веществ в другую лабораторную посуду.

Выпаривательные чаши используются при выпаривании различных растворов.

Воронка Бюхнера - предназначена для фильтрования под вакуумом. Верхняя часть воронки, в которую наливают жидкость, пористой или перфорированной перегородкой отделена от нижней части, к которой подведён вакуум.

Штатив служит для закрепления лабораторной посуды, принадлежностей и приборов при выполнении опытов. Он состоит из подставки, в которую вкручен стержень. Подставка придает штативу устойчивость. На стержне при помощи муфт могут быть закреплены кольцо, лапка, зажим и сетка. Муфта имеет винт, при ослаблении которого, возможно перемещение и закрепление кольца, лапки, зажима и сетки вдоль стержня. Каждый из перечисленных держателей используется для закрепления в нем лабораторной посуды.

К нагревательным приборам относятся спиртовка, газовая горелка и электронагреватель.

Спиртовка состоит из сосуда со спиртом, фитиля, укрепленного в металлической трубке с диском, и колпачка.

При проведении лабораторных и практических работ необходимо соблюдать основные правила техники безопасности:

1. Использовать только вещества, указанные учителем в соответствии с их предназначением.
2. Не загромождать рабочее место ненужными предметами.
3. Не приступать к работе без точных указаний учителя.
4. Проверять целостность и чистоту лабораторной посуды перед использованием.
5. Не пробовать на вкус химические вещества, не брать их руками (только шпателем или пробиркой!). Запрещается определять состав химических веществ по запаху.
6. При нагревании веществ пробирку следует держать по направлению «от себя». Нельзя направлять отверстие пробирки на людей.
7. Обязательно закрывать сосуды после взятия из них химических веществ.

Проведем практическую работу по изучению строения пламени, работая со спиртовкой.

1. Снимаем колпачок со спиртовки и проверяем, плотно ли диск прилегает к отверстию сосуда. Это необходимо для предотвращения возгорания спирта .
2. Спиртовку зажигаем горящей спичкой. Не допускается зажигание спиртовки другой горящей спиртовки во избежание пожара.

При рассмотрении строения самого пламени , мы заметим три зоны, имеющие разную температуру:

1. Нижняя (темная) часть пламени холодная. Там горение не происходит;
2. Средняя (наиболее яркая), где под действием высокой температуры происходит разложение углеродсодержащих соединений, и частицы угля раскаляются, излучая свет;
3. Внешняя (наиболее светлая), где происходит наиболее полное сгорание продуктов разложения с образованием углекислого газа и воды.

1. Для подтверждения наличия этих зон мы используем обыкновенную лучинку или толстую спичку. Вносим ее в пламя горизонтально, как бы «проткнув» все три зоны горения спиртовки. Рассматриваем ее после извлечения. Мы замечаем более и менее обугленные зоны, подтверждающие неоднородность температуры в пламени спиртовки.
2. Гашение пламени спиртовки производится путем накрытия колпачком.

Вывод: Пламя состоит из трех зон (нижней, средней и внешней), строение которых зависит от химического состава пламени.

Химия – одна из наук, которая помогает познать тайны природы.

Ведь одно из необходимых умений – это умение отличить физические явления от химических, наблюдая за различными явлениями в природе.

Для более полного понимания этих явлений проведем наблюдения за изменениями, которые происходят с горящей свечой. Возьмем парафиновую свечу и зажжем ее.

1. Наблюдая, как тает парафин, мы замечаем, что он не изменяет своих свойств, а только меняет форму.

Из предыдущих уроков мы знаем, что физические явления – это явления, в результате которых изменяются размеры, форма тел или агрегатное состояние веществ, но состав их остается постоянным.

Значит, это явление при горении свечи относится к физическим явлениям.

1. В тоже время, фитиль свечи, сгорая, образует золу.

Давайте вспомним, что к химическим явлениям относятся явления, в результате которых из одних веществ образуются другие.

Значит, это явление относится к химическим явлениям.

Горящая свеча - это лишь один из примеров одновременного присутствия и взаимосвязи в природе физических и химических явлений. На самом деле нас повсюду окружают эти явления. И, проявив наблюдательность, мы можем их заметить в повседневной жизни.

Цель : научиться описывать результаты наблюдений.

Реактивы и оборудование : парафиновая свеча, известковая вода; лучинка, стеклянная трубка с оттянутым концом, химический стакан, мерный цилиндр, спички, фарфоровый предмет (фарфоровая чашка для выпаривания), тигельные щипцы, пробиркодержатель, стеклянные банки объемом 0,5, 0.8, 1, 2, 3, 5 л, секундомер.

Задание 1. Наблюдение за горящей свечой.

Свои наблюдения оформите в виде небольшого сочинения. Нарисуйте пламя свечи.

Свеча состоит из парафина, имеет специфический запах. В середине находится фитиль.
При горении фитиля свеча плавится. Слышен небольшой трекс, выделяется тепло.

Задание 2. Исследование различных частей пламени.

1. Пламя, как вы уже знаете, имеет три зоны. Какие? При исследовании нижнйе части пламени вынесите в него при помощи тигельных щипцов конец стеклянной трубки, держа под углом 45-50 гр. К другому концу трубки поднесите горящую лучину. Что наблюдаете?

Горение, выделяется тепло.

2. С целью изучения средней части пламени, самой яркой, внесите в нее (с помощью тигельных щипцов) на 2-3 с фарфоровую чашу. Что обнаружили?

Почернение.

3. Для исследования состава верхнйе части пламени внесите в нее на 2-3 с опрокинутый, смоченный известковой водой химический стакан так, чтобы пламы оказалось в середине стакана. Что наблюдаете?

Образование твердого осадка.

4. Для установления разницы температуры в разных частях пламени внесите на 2-3 с лучинку в нижнюю часть пламени (что она пересекла все его ачсти по горизонтали). Что вы наблюдаете?

Верхняя часть сгорает быстрее.

5. Оформите отчет, заполнив таблицу 4.

Задание 3. Изучение скорости расходования кислорода во время горения.

1. Зажгите свечу и накройте ее банкой объемом 0,5 л. Определите время, в течение которого горит свеча.

Проведите подобные действия, используя банки других объемов.

Заполните таблицу 5.

Продолжительность горения свечи в зависимости от объема воздуха.

2. Изобразите график зависимости продолжительности горения свечи от объема банки (вздуха). Определите по нему время, через которое погаснет свеча, накрытая банкой объемом 10 л.

3. Рассчитайте время, в течение которого будет гореть свеча в закрытом школьном кабинете.

Длина школьного кабинета химии (а) равна 5 м, ширина (б) равна 5 м, высота (в) - 3 м.
Объем школьного кабинета химии равен 75 куб.м. или 75000 л. Время, в течние которого будет гореть свеча с учетом того, что в помещение не поступает вохдух и весь кислород расходуется на горение свечи, 2700000 с или 750 ч.

Задание 4. Знакомство с устройством спиртовки.

1. Рассмотрите рисунок 2 и напишите название каждой части спиртовки. Необходимую информацию вы найдете на с.23 учебного пособия.

1. Спирт
2. Фитиль
3. Держатель фитиля
4. Колпачок

а) Почему при зажигаии спиртовки спичку подносят сбоку?

Чтобы не получить ожег.

б) Почему нельзя зажигать спиртовку от другой горящей спиртовки?

Спирт может пролиться и вспыхнуть.

2. Пользуясь имеющимся на вашем столе оборудованием, вскипятите воду в пробирке.

На рисунке показано, сколько воды должно быть в пробирке, как правильно закрепить ее в держателе или в лапке штатива и в какую часть пламени нужно внести пробирку.

а) Сколько воды необходиом налить в пробирку?

2/3 пробирки.

б) Как деражть пробирку над пламенем спиртовки?

Под углом от себя.

Огонь сам по себе является символом жизни, значение его трудно переоценить, так как он с давних времен помогает человеку согреться, видеть в темноте, готовить вкусные блюда, а также защищаться.

История пламени

Огонь сопровождал человека еще с первобытного строя. В пещере горел огонь, утепляя и освещая ее, а отправляясь за добычей, охотники брали с собой горящие головни. На смену им пришли просмоленные факелы - палки. С помощью них освещались темные и холодные замки феодалов, а громадные камины отапливали залы. В античные времена греки использовали масляные лампы - глиняные чайнички с маслом. В 10-11 веках стали создавать восковые и сальные свечи.

В русской избе до многие столетия горела лучина, а когда в середине 19 века из нефти начали добывать керосин, в обиход вошли керосиновые лампы, позже - газовые горелки. Ученые и сейчас занимаются изучением строения пламени, открывая новые его возможности.

Цвет и интенсивность огня

Для получения пламени необходим кислород. Чем больше кислорода, тем лучше процесс горения. Если раздувать жар, то в него попадает свежий воздух, а значит - кислород, и когда тлеющие кусочки дерева или угольки разгораются, возникает пламя.

Пламя бывает разных цветов. Дровяное пламя костра танцует желтым, оранжевым, белым и голубыми цветами. Цвет пламени зависит от двух факторов: от температуры горения и от сжигаемого материала. Для того чтобы увидеть зависимость цвета от температуры, достаточно проследить за накалом электрической плиты. Сразу после включения спирали нагреваются и начинают светиться тусклым красным цветом.

Чем больше они накаляются, тем ярче становятся. И когда спирали достигают наивысшей температуры, они становятся яркого оранжевого цвета. Если бы можно было накалить их еще больше, они бы изменили свой цвет к желтому, белому, и, в конце концов, к голубому. Голубой цвет обозначал бы наивысшую степень нагрева. Подобное происходит и с пламенем.

От чего зависит строение пламени?

Оно мерцает разными цветами, в то время, когда фитиль сгорает, проходя сквозь тающий воск. Огонь требует доступ кислорода. Когда свеча горит, в середину пламени, возле дна, много кислорода не попадает. Поэтому оно выглядит более темным. Но вершина и бока получают много воздуха, поэтому там пламя очень яркое. Оно нагревается более чем 1370 градусов по Цельсию, это делает пламя свечи в основном желтого цвета.

А в камине или в костре на пикнике можно увидеть даже больше цветов. Дровяной огонь горит при температуре ниже, чем свеча. Поэтому он выглядит больше оранжевым, чем желтым. Некоторые частицы углерода в огне очень горячие и придают ему желтизны. Минералы и металлы, такие как кальций, натрий, медь, нагреты до высоких температур, придают огню разнообразные цвета.

Цвет пламени

Химия в строении пламени играет немалую роль, ведь его различные оттенки происходят от разных химических элементов, которые находятся в горящем топливе. Например, в огне может присутствовать натрий, который входит в состав соли. Когда натрий горит, он излучает яркий желтый свет. Еще в огне может быть кальций - минерал. Например, кальция очень много в молоке. Когда кальций нагревается, он излучает темно-красный свет. А если в огне присутствует такой минерал, как фосфор, он даст зеленоватый цвет. Все эти элементы могут быть как в самом дереве, так и других материалах, попавших в огонь. В конце концов, смешивание всех этих разных цветов в пламени может образовать белый цвет - совсем как радуга цветов, собранных вместе, образует солнечный свет.

Откуда берется огонь?

Схема строения пламени представляет собой газы в горящем состоянии, в которых находятся составные плазмы или твердые дисперсные вещества. В них происходят физические и химические превращения, которым сопутствует свечение, выделение тепла и нагрев.

Языки пламени образовывают процессы, сопровождаемые горением вещества. Если сравнивать с воздухом, газ имеет меньшую плотность, но под действием высокой температуры он поднимается вверх. Так и получаются долгие или короткие языки пламени. Чаще всего имеет место мягкое перетекание одной формы в другую. Чтобы увидеть такое явление, можно включить горелку обычной газовой плиты.

Огонь, воспламенившийся при этом, не будет равномерным. Зрительно пламя можно разделить на три главные зоны. Простое изучение строения пламени свидетельствует о том, что различные вещества горят с формированием разного типа факела.

При воспламенении газовоздушной смеси сначала формируется короткое пламя, с голубым и фиолетовым оттенком. В нем можно рассмотреть зелено-голубое ядро в форме треугольника.

Зоны пламени

Рассматривая, какое строение имеет пламя, выделяют три зоны: во-первых, предварительную, где начинается нагрев смеси, выходящей из отверстия горелки. После нее идет зона, где совершается процесс горения. Эта область захватывает верх конуса. Когда не хватает притока воздуха, сгорание газа идет частично. При этом образовываются оксид углерода и остатки водорода. Их горение происходит в третьей зоне, где присутствует хороший доступ кислорода.

Для примера представим строение пламени свечи.

Схема горения включает:

• первую - темную зону;
• вторую - зону свечения;
• третью - прозрачную зону.

Нитка свечи не поддается горению, а только совершается обугливание фитиля.

Строение пламени свечи представляет собой раскаленный поток газа, поднимающийся вверх. Процесс начинается с нагревания, пока не происходит испарение парафина. Зону, прилежащую к нити, именуют первой областью. Она имеет незначительное свечение голубого оттенка из-за избытка количества горючего материала, но малого поступления кислорода. Тут происходит процесс частичного сгорания веществ с образованием чадного газа, который затем окисляется.

Первую зону охватывает светящаяся оболочка. В ней находится достаточный объем кислорода, который способствует окислительной реакции. Именно здесь при интенсивном накаливании частичек оставшегося топлива и угольных частичек наблюдается эффект свечения.

Вторая зона охвачена чуть заметной оболочкой с высокой температурой. В нее проникает много кислорода, что содействует полному сгоранию топливных частичек.

Пламя спиртовки

Для различных химических опытов применяют мелкие резервуары со спиртом. Их именуют спиртовками. Строение пламени подобно свечному, но все же имеет свои особенности. Фитиль просачивается спиртом, чему содействует капиллярное давление. При достижении вершины фитиля происходит испарение спирта. В виде пара он воспламеняется и горит при температуре не больше 900 °C.

Строение пламени спиртовки имеет обычную форму, оно почти бесцветное, со слегка голубоватым оттенком. Его зоны более размытые, чем у свечи. В спиртовой горелке, основа пламени находится над калильной сеткой горелки. Углубление пламени ведет к снижению объема темного конуса, а из отверстия выходит светящаяся зона.

Химические процессы в пламени

Процесс окисления проходит в неприметной зоне, которая расположена вверху и имеет наивысшую температуру. В ней частички продукта горения поддаются окончательному сгоранию. А излишек кислорода и нехватка топлива ведут к сильному процессу окисления. Этой способностью можно пользоваться при быстром нагревании веществ над горелкой. Для этого вещество окунают в верхушку пламени, где горение совершается значительно быстрее.

Восстановительные реакции происходят в центральной и нижней части пламени. Тут находится достаточный запас горючего и небольшой доступ кислорода, необходимый для процесса горения. При добавлении в эти зоны кислородсодержащих веществ происходит отщепление кислорода.

Как восстановительное пламя рассматривают процесс распада железа двухвалентного сульфата. При проникновении FeSO 4 в середину факела, происходит сначала его нагрев, а потом распад на оксид трехвалентного железа, ангидрид и двуокись серы. В этой реакции происходит восстановление серы.

Температура огня

Для любой области пламени свечки или горелки свойственны свои показатели температуры, зависящие от доступа кислорода. Температура открытого пламени в зависимости от зоны может меняться от 300 °C до 1600 °C. Примером выступает диффузионное и ламинарное пламя, строение трех его оболочек. Конус пламени в темной области имеет температуру нагрева до 360 °C. Над ним расположена зона свечения. Ее температура нагрева варьируется от 550 до 850 °C, что приводит к расщеплению горючей смеси и процессу ее сгорания.

Наружная область слегка заметна. В ней нагрев пламени достигает 1560 °C, что объясняется свойствами молекул горящего вещества и скоростью поступления окислителей. Здесь процесс горения самый энергичный.

Очищающий огонь

В пламени заключается огромный энергетический потенциал, свечки используются в ритуалах очищения и прощения. А как приятно посидеть возле уютного камина тихими зимними вечерами, собравшись семьей и обсуждая все, что произошло за день.

Огонь, пламя свечи несут громадный заряд позитивной энергии, ведь недаром сидящие у камина ощущают покой, уют и умиротворение в душе.

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.