34
„Głośna historia wielkiego wybuchu - chemia materiałów wysokoenergetycznych” Dr Katarzyna Łudzik Jakie cuda! Świt różany; Mętnie się dobywa z dna!; Majaczliwa blasków gra; Na przepastne pada ściany.; Wstaje mgłą i pełznie smugą,; Tryska jak kryniczny zdrój.; Żar leniwą płynie strugą,; bucha niby iskier rój.

Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

  • Upload
    doque

  • View
    239

  • Download
    3

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

„Głośna historia wielkiego wybuchu-chemia materiałów

wysokoenergetycznych”

Dr Katarzyna Łudzik

Jakie cuda! Świt różany; Mętnie się dobywa z dna!; Majaczliwa blasków gra; Na przepastne pada ściany.; Wstaje mgłą i pełznie smugą,; Tryska jak kryniczny zdrój.; Żar leniwą płynie strugą,; bucha niby iskier rój.

Page 2: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Pirotechnika – dział nauki zajmujący sięwytwarzaniem materiałów i urządzeń, którepodczas spalania tworzą efekty świetlne,dźwiękowe, optyczne lub zapalające.

Pirotechnika – czyli co?

Page 3: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Pirotechnika – domena Chińczyków

Rok 206 p.n.e.

Saletra potasowa –azotan (V) potasu - KNO3

Page 4: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Pierwsze chińskie petardy- czyli co łączy demona Nian i kije bambusowe

Kije bambusowe – pierwsze petardy

Wrzucane do ogniska odstraszały hukiem ludzi i złe duchy

Potwór Nian, który wedle wierzeń Chińczyków pożerał ludzi

Page 5: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Czarny proch - produkt uboczny poszukiwań eliksiru wiecznego życia i młodości

IX w. n.e. Chiny Panowanie dynastii TANG

Siarka + azotan (V) potasu + miód + arszenik

HUO – YAO – OGNISTY LEK

Page 6: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Pierwsza petarda hukowa

Mieszanina: siarki, azotanu (V) potasu, miodu i arszeniku wsadzona do kija bambusowego i wrzucona w ogień

HUO – YAO –OGNISTY LEK

Page 7: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Skład:siarka, węgiel drzewny, azotan (V) potasu

Pierwsza mieszanina miotająca i jej ostateczny skład

Czarny proch –Chiny IX w

Czarny proch – jedyna znana mieszanina miotająca do połowy XIX wiekuUżywany również podczas bitwy pod Grunwaldem w 1410

Page 8: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Wybuch czarnego prochu okiem chemika

4KNO3 + 2S + 2C → 2SO2 + 2CO2 + 2K2O + 2NO +N2

Równanie reakcji spalania czarnego prochu

utleniaczsubstancja palna

Page 9: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Od petard do rakiet

Drewniane rakiety przypominające kształtem smokiwykorzystane zostały do odparcia Mongolskiej inwazjiw 1279

Krzyżowcy przynoszą wiedzę o prochu strzelniczym

XIII wiek Marco Polo sprowadza proch strzelniczy do Europy

Page 10: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Następcy czarnego prochu

azotan (V) celulozy nitroceluloza

trójazotan(V) glicerolu nitrogliceryna -wybucha nawet przy wstrząsaniu

Page 11: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Alfred Nobel i wybuchowy wynalazek

A) Materiał porowaty,materiał palny nitrogliceryna,azotan celulozy i azotan (V) amonu

Alfred Nobel

Dynamit wynaleziono w 1865 roku

D) Lont

E) Paski ściskające

B) Osłonka

C) Spłonka

Page 12: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Trotyl i działanie szybkodziałających materiałów wybuchowych

Trotyl czyli 1,3,5- trinitrotoluen

→14C + 5 H2O +3N2+3.5 O2 →7 CO +7 C+5 H2O +7N2

Reorganizacja atomów w cząsteczce trotylu. Mała ilość tlenu w cząsteczce toluenu powoduje, że nie powstaje tlenek węgla (IV) , ale powstaje trujący tlenek węgla II a nawet węgiel.

Zasada działania materiałów wybuchowych szybkodziałających polega na rozpadzie struktury cząsteczkowej z utworzeniem nowych prostych atomów i cząsteczek.

Page 13: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Włochy – europejska stolica fajerwerków

Używane przez Chińczyków rakiety wojenne zastąpione zostały przez wybuchające w kolorach srebra i złota rakiety

Odkryto pierwsze fontanny świetlne (rakiety przymocowane do drewnianych kół kręciły się wraz z nimi tworząc świetlne młyny)

Uświetniały śluby, uroczystości koronacyjne i święta religijne

Page 14: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Środki pirotechniczne

KLASA 1bardzo niski stopnień zagrożenia,do użytku wewnątrz oraz na

zewnątrz budynków np. zimneognie,

KLASA 2niski stopnień zagrożenia,przeznaczone do użytku nazewnątrz budynków np.małe rakiety, petardyhukowe

KLASA 3charakteryzują się średnimstopniem zagrożenia,przeznaczone do użytkuwyłącznie na zewnątrz, nadużych, otwartychprzestrzeniach np. baterie,race

Page 15: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

BUDOWA FAJERWERKÓW

lont

zapalnik

czarny proch

fajerwerki (gwiazdy)

Page 16: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Para idealna – utleniacz i substancja palna czyli podstawowy skład petard

Utleniacze - substancje łatwo przyjmujące elektrony podczas reakcji redoks

Azotany (V) np. KNO3

Chlorany (VII) i (V) KClO4, KClO3

Chromiany (VI) np. K2CrO4 i dichromiany (VI) K2Cr2O7

Siarczany (VI): np. potasu K2SO4, baru BaSO4 , strontu SrSO4, amonu (NH4)2SO4

Substancje palne

fosfor

cynk

glin

magnezNiemetale

Metale nieszlachetne

siarka

węgiel

inne

węglowodory

węglowodany

Page 17: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Co w racach huczy – czyli jak powstają efekty dźwiękowe przy odpalaniu fajerwerków.

Efekt głośnych eksplozji zawdzięczamy mieszaninie:pyłu magnezowego lub aluminiowego z chloranem VII potasu (KClO4)

Efekt świstu: rozkład KClO4

4Mg + KClO4 → 4MgO + KCl

KClO4 → 2O2 + KCl

wydzielenie dużej ilości gazów , którego gwałtowny wypływ daje efekt świstu

Wielokrotność wybuchów zapewnia ułożenie składników wydzielających gaz w osobnych przegrodach połączonych materiałem zapalnym - prochem

Page 18: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Co nadaje barwę fajerwerkom - czyli czysta chemia bez alchemii

Kolory sztucznych ogni zawdzięczamy głównie solom metali

Wapń Sód Chlorek miedziLitZwiększenie temperatury, a przez to jaskrawość barw, zwiększa się dodając do solipyłów magnezowych lub aluminiowych i uzyskując w ten sposób nawet temperaturę2100 stopni C

Bar

Page 19: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Co się dzieje z jonami soli w płomieniu palnika ?

e-e-

e-

e-e-

e-

Rekombinacja???Daj ELEKTRONA!!!!!

kation metalu

atom metalu

Page 20: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Dlaczego atomy świecą?P

ozi

om

y e

ne

rget

yczn

e e

lekt

ron

ów

Stan podstawowy

Stan wzbudzony

Elektron walencyjny

Kolejny niespokojny

Page 21: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Dlaczego atomy świecą?P

ozi

om

y e

ne

rget

yczn

e e

lekt

ron

ów

Stan podstawowy

Stan wzbudzony

Page 22: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Inne efekty specjalne fajerwerków

Kolor iskier zależy od rodzaju metalu jak itemperatury metalu

Efekt lśniących iskier – wywołują drobinki metali np.żelazo, magnez

Page 23: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Inne efekty specjalne fajerwerków

Za dym podczas fajerwerków odpowiada cynk

Dłużej i jaśniej palące się fajerwerki to kwestia dodatku większej ilości utleniaczy wytwarzających tlen

Świetlne „palmy” i „fontanny” – uzyskuje się układając warstwami drobinki metali o różnych wielkościach

Page 24: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 1

Barwne płomienieOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyAlkoholowe roztwory soli: litu, baru, potasu, sodu i miedziSzkiełka zegarowe, zapałki

Palące się roztwory soli barwią się na różne kolory

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Pod wpływem ciepła atomy zostają wzbudzone, które oddają dostarczaną im energię w postaci barwnego światła.

Page 25: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 2

Tajemnica zimnych ogni

Biały proszek jest tlenkiem magnezu

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyWstążka magnezowa, szczypce, palnik

Magnez spala się białym płomieniem, po spaleniu powstaje biały proszek

2Mg + O2→2MgO

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Page 26: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 3Reakcja sodu z wodą

Sód reaguje z wodą z wydzieleniem wodoru ponieważ ma ujemny potencjał.

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnySód, zlewka z wodą i fenoloftaleina, duża zlewka z wodą

Sód gwałtownie reaguje z wodą, pływa po powierzchni i iskrzy, wydziela się gaz, fenoloftaleina barwi się na malinowo

2Na + H2O→2NaOH + H2

Obserwacje:Wyjaśnienie:

Page 27: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 4Burza w probówce

Dochodzi do reakcji między mangania-nem(VII) potasu, a kwasem siarkowym według równania reakcji:

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyKwas siarkowy(VI) H2SO4 (stężony)Manganian(VII) potasu KMnO4,alkohol etylowy C2H5OH (96%)Cylinder (odtłuszczony i suchy)

2KMnO4 + H2SO4→ K2SO4 + Mn2O7Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Mn2O7 + C2H5OH → 2CO2 + 3H2O + 4MnO2

Gdy kryształy manganianu (VII) potasu docierają do granicy faz ciecz zmienia barwę na ciemnobrunatną, pod jej powierzchnią widzimy iskry słyszalne są też charakterystyczne trzaski

Produkt reakcji - siedmiotlenekmanganu jest bardzo nietrwałym związkiem i jednocześnie silnym utleniaczem

Page 28: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 5Samozapłon gliceryny

Nadmanganian potasu utlenia glicerynę. W tym procesie wydziela się ciepło, które powoduje że cały proces ulega gwałtownemu przyspieszeniu. W efekcie powoduje to zapłon substratów.

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyGliceryna bezwodnaManganian(VII) potasu KMnO4,Płytka ceramiczna

14 KMnO4 +4 C3H5OH3→7 K2CO3 +7Mn2O3 + 5 CO2 + 16 H2O

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Gdy na kryształy manganianu (VII) potasu dodamy glicerynę następuje samozapłon

Page 29: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 6Duszek chemicznyOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyNadtlenek wodoru 30%Manganian(VII) potasu KMnO4,Kolba stożkowa

2 KMnO4 + 3 H2O2→2 KOH +MnO2 + 3O2 + H2O

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Gdy do nadtlenku wodoru dodamy manganianu (VII) potasu obserwujemy gwałtowne wydzielenie dużej ilości gazu, roztwór stał się brunatny

Nadtlenek wodoru redukuje manganian (VII )potasu do brunatnego tlenku manganu (IV) . Wydzielającym się gazem jest tlen

Page 30: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 7Purpurowe dymy

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnystały jod, pył cynkowy, płytka ceramiczna, tryskawka z wodą

2 Al + 3 I2→AlI3

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Wydzielają się duże ilości purpurowego dymu

Substancje stałe nie reagują ze sobą, gdy zwilżyliśmy je trochę cząsteczki zbliżyły się do siebie i rozpoczęła się reakcja :

Page 31: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 8Błędne ognieOdczynniki i sprzęt laboratoryjnyKwas solny HCl (stężony),chlorek miedzi CuCl2,glin (folia aluminiowa), zlewka, zapalniczka)

2 Al + 3HCl→2AlCl3 + 3H2

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Dochodzi do zapłonu, nad roztworem powstają niere-gularne, ciągle poruszające się płomienie o pięknej, niebieskiej barwie

Podczas reakcji glinu z kwasem solnym uwalniają się duże ilości gazowego wodoru. Po zapaleniu wodór spala się w atmosferycznym tlenie. Lekka kulka alumi-niowa w czasie reakcji gwałtownie miota się po powierzchni roztworu, dzięki czemu płomienie mają nieprzewidywalny wygląd.

Page 32: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 9Ryczące niedźwiedzie

Odczynniki i sprzęt laboratoryjnyChloran (V) potasu, żelek, probówka, stojakpalnik)

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

Chloranu(V) potasu topi się w temperaturze 368 oC, a w 400 oC następuje jego rozkład zgodnie z równaniem:4KClO3(s) → KCl + 3KClO4

Chloran(VII) potasu reaguje z węglem zawartym w żelkuKClO4 + 2C → KCl + 2CO2

Zelek wrzucony do roztopionego chloranu (V) potasu pali się jasnym płomieniem, wydając charakterystyczne dźwięki

Page 33: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Doświadczenie 10Zapłon lodemOdczynniki i sprzęt laboratoryjny4g pyłu cynkowego, 0,4g azotanu baru,1g chlorku amonu oraz 4g azotanu amonu zmieszane ze sobą,

lód, parowniczka.

Obserwacje:

Wyjaśnienie:

W stanie suchym substancje nie reagują ze sobą. Obecna na powierzchni lodu mikroskopijna warstewka wody wystarcza do roz-poczęcia silnie egzotermicznej reakcji redox między cynkiem, a azo-tanem amonu. Reakcja jest przyspieszana przez chlorek amonu i azotan baru. Obecność soli baru jest także odpowiedzialna za zie-loną barwę płomienia.

Zn + NH4NO3→ZnO+ 2H2O + N2

Po dodaniu lodu na mieszaninę dochodzi do zapłonu.

Page 34: Zobacz slajdy z wykładu oraz opis ćwiczeń

Dziękuję, za uwagę