Химия · Химические реакции · 7 класс

Горение, пламя и оксиды

Почему свеча гаснет под стаканом и какая часть пламени самая горячая?

Ситуация

Зимний вечер: на кухне горит газовая плита с синим пламенем, а на столе — свеча. Кто-то накрыл свечу стеклянным стаканом — через несколько секунд пламя уменьшилось и погасло: неужели кончился кислород? Какое место пламени свечи самое горячее, почему пламя газовой плиты синее, а свечи — жёлтое? Какие оксиды образуются при горении угля, серы, фосфора, железа и магния в кислороде и какую среду они дают в воде?

Тема

Горение, пламя и оксиды. Газовая плита и пламя свечи: треугольник горения, зоны пламени и тушение пожара

Ключевые понятия

Треугольник горения
Зоны пламени
Оксиды

Формулы

горение = топливо + кислород + температура воспламенения

Треугольник горения: если исчезнет одно из трёх условий, огонь гаснет.

CH_{4} + 2 O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 H_{2} O

Горение природного газа (метана): $Δ H$ = −890 кДж/моль, то есть ≈ 55,5 МДж/кг теплоты.

C_{25} H_{52} + 38 O_{2} \overset{}{\to} 25 CO_{2} + 26 H_{2} O

Горение парафиновой свечи (приближённая формула C₂₅H₅₂).

t = \frac{V (x_{0} - x_{\min})}{r}

Сколько горит свеча под стаканом: $x_{0}$ = 20,95 %, $x_{\min}$ ≈ 16 %, $r$ — расход O₂ свечой (мл/с).

P_{2} O_{5} + 3 H_{2} O \overset{}{\to} 2 H_{3} PO_{4}

Кислотный оксид + вода → кислота; основный оксид + вода → основание: $MgO + H_{2} O \overset{}{\to} Mg (OH)_{2}$ .

Теория

Горение и треугольник горения

Горение — быстрое соединение вещества с кислородом, при котором выделяются теплота и свет. Для горения нужны три условия: топливо, кислород (воздух) и нагрев топлива до температуры воспламенения. Уберём одно — огонь погаснет. Свеча под стаканом расходует не весь кислород: когда доля O₂ в воздухе падает до ≈ 16 %, пламя не может поддерживаться и гаснет (это граница модели на сцене; в опытах 15–17 %). Свеча сжигает в минуту ≈ 0,1 г парафина — это ≈ 4,5 мл/с кислорода. Холодная медная спираль отбирает у пламени теплоту — пары парафина остывают ниже температуры воспламенения, и огонь гаснет. Если зажать фитиль, топливо (пары парафина) перестаёт поступать.

Практическая работа: строение пламени

В пламени свечи три зоны. Внутренняя тёмная зона — пары парафина вокруг фитиля, они ещё не горят (≈ 600 °C: испарение поглощает теплоту). Средняя светящаяся зона — кислорода не хватает, горение неполное: раскалённые мелкие частицы сажи (углерода) излучают жёлтый свет (≈ 1000–1200 °C); если поднести к ней холодную фарфоровую чашечку, на ней осядет сажа. Внешняя зона — тонкая, почти невидимая; кислорода воздуха достаточно, горение полное, это самое горячее место (≈ 1400 °C). Лучинка, горизонтально проведённая через пламя, обугливается с двух краёв, а середина остаётся почти целой. Если в горелке воздушное отверстие закрыто, пламя жёлтое и коптящее; если открыто, газ заранее смешивается с воздухом: синее пламя, внутри более холодный внутренний конус (несгоревшая смесь). Самая горячая точка — немного выше вершины внутреннего конуса (в источниках 1200–1600 °C; в модели ≈ 1500 °C). Посуду нагревают именно в этой верхней части пламени.

Газовая плита: горение природного газа

Природный газ в наших домах — в основном метан: $CH_{4} + 2 O_{2} \overset{}{\to} CO_{2} + 2 H_{2} O$ , при сгорании 1 моль метана выделяется 890 кДж теплоты (≈ 55,5 МДж на 1 кг). Синее пламя плиты означает, что газ хорошо смешан с воздухом. Если пламя жёлто-красноватое и коптит, воздуха не хватает: образуются сажа и угарный газ CO — бесцветный, не имеющий запаха и очень ядовитый газ. Поэтому комнату, где горит газ, проветривают; если пахнет газом — спички не зажигают, кран закрывают и открывают окна.

Практическая работа: горение веществ в кислороде

Горящее вещество опускают в банку с кислородом в ложечке. Уголь раскаляется бело-жёлтым светом: $C + O_{2} \overset{}{\to} CO_{2}$ . Сера горит ярким сине-фиолетовым пламенем: $S + O_{2} \overset{}{\to} SO_{2}$ (газ с резким запахом). Красный фосфор дает ослепительное пламя и густой белый дым: $4 P + 5 O_{2} \overset{}{\to} 2 P_{2} O_{5}$ . Железная проволока горит, разбрасывая искры: $3 Fe + 2 O_{2} \overset{}{\to} Fe_{3} O_{4}$ . Магний горит ослепительно белым светом: $2 Mg + O_{2} \overset{}{\to} 2 MgO$ . В банку заранее наливают немного воды — чтобы горячие капли железной окалины не разбили стекло. Затем воду взбалтывают и добавляют индикатор.

Оксиды: названия и классы

Оксид — вещество из двух элементов, один из которых кислород (степень окисления −2). Название: «оксид» + название элемента (с валентностью): CO₂ — оксид углерода(IV), SO₂ — оксид серы(IV), P₂O₅ — оксид фосфора(V), MgO — оксид магния. Основные оксиды — оксиды большинства металлов (Na₂O, CaO, MgO, CuO): с кислотами дают соль, растворимые в воде образуют щёлочь. Кислотные оксиды — чаще всего оксиды неметаллов (CO₂, SO₂, SO₃, P₂O₅, SiO₂): с основаниями дают соль, большинство с водой образует кислоту (SiO₂ с водой не реагирует). Амфотерные оксиды (ZnO, Al₂O₃) реагируют и с кислотой, и со щёлочью. Несолеобразующие оксиды: CO, NO, N₂O. В опыте раствор CO₂, SO₂ и P₂O₅ окрашивает лакмус в красный цвет, а MgO окрашивает фенолфталеин в малиновый (Mg(OH)₂, pH ≈ 10); Fe₃O₄ в воде не растворяется.

Из истории, пожаротушение, безопасность и модель

В 1770-х годах Антуан Лавуазье сжигал металл и фосфор в закрытом сосуде и взвешивал их: масса вещества увеличивается за счёт присоединения части воздуха — кислорода. Так была создана кислородная теория горения, а старое представление о «флогистоне» отвергнуто. При тушении огня убирают одну сторону треугольника: вода охлаждает, песок, войлок и углекислотный огнетушитель перекрывают доступ кислорода, при закрытии газового крана топливо перестаёт поступать. Горящее масло и прибор под напряжением водой не заливают. Безопасность: защитные очки; длинные волосы собрать; серу и фосфор сжигают в вытяжном шкафу, используют только красный фосфор; на свет магния не смотрите. Модель: свеча расходует O₂ с постоянной скоростью и гаснет при 16 % O₂; газ в стакане полностью перемешан; температуры пламени — приближённая гладкая модель; pH растворов оксидов рассчитан по закону Генри и константам при 25 °C, растворы идеальные.

Знаете ли вы?

Антуан Лавуазье в 1770-х годах, нагревая металлы в закрытом сосуде, показал, что их масса растёт за счёт кислорода, присоединённого из воздуха, и создал кислородную теорию горения. Название «Oxygène» (кислород) тоже дал он.
Майкл Фарадей читал в Королевском институте в Лондоне Рождественские лекции для детей о свече в 1848 и 1860 годах; лекции 1860 года вышли в 1861 году книгой «Химическая история свечи» — до сих пор одной из самых известных научно-популярных книг по химии.

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Уравнения реакций — 7 класс
Скорость реакции и катализатор — 8 класс
Обратимая реакция и равновесие — 8 класс
Химическая промышленность и заводы — 9 класс