Dyldina Julia

Płomień może mieć inny kolor, wszystko zależy tylko od dodanej do niego soli metalu.

Pobierać:

Zapowiedź:

Szkoła średnia MAOU nr 40

Temat

Barwienie płomieniowe jako jedna z metod chemii analitycznej.

Dyldina Judija,

Klasa IX, Liceum MAOU nr 40

Kierownik:

Gurkina Swietłana Michajłowna,

Nauczyciel biologii i chemii.

Perm, 2015

1. Wstęp.
2. Rozdział 1 Chemia analityczna.
3. Rozdział 2 Metody chemii analitycznej.
4. Rozdział 3 Reakcje barwienia płomienia.
5. Wniosek.

Wstęp.

Od najmłodszych lat fascynowała mnie praca chemików. Wydawali się czarodziejami, którzy poznawszy ukryte prawa natury, stworzyli nieznane. W rękach tych czarodziejów substancje zmieniały kolor, zapalały się, podgrzewały lub ochładzały i eksplodowały. Kiedy przyszedłem na lekcje chemii, kurtyna zaczęła się podnosić i zacząłem rozumieć, jak zachodzą procesy chemiczne. Kurs chemii, który ukończyłem, nie był dla mnie wystarczający, więc zdecydowałem się pracować nad projektem. Chciałam, żeby temat, nad którym pracowałam, był sensowny, pomógł mi lepiej przygotować się do egzaminu z chemii i zaspokoił mój głód pięknych i żywych reakcji.

Na lekcjach chemii badamy zabarwienie płomieni przez jony metali w różnych kolorach, gdy uczymy się metali alkalicznych. Kiedy zainteresowałem się tym tematem, okazało się, że w tym przypadku nie został on do końca ujawniony. Postanowiłem przestudiować to bardziej szczegółowo.

Cel: Za pomocą tej pracy chcę dowiedzieć się, jak określić skład jakościowy niektórych soli.

Zadania:

1. Zapoznaj się z chemią analityczną.
2. Zapoznaj się z metodami chemii analitycznej i wybierz tę, która jest najbardziej odpowiednia dla mojej pracy.
3. Korzystając z doświadczenia, określ, jaki metal wchodzi w skład soli.

Rozdział 1.

Chemia analityczna.

Chemia analityczna -kierunek studiów chemicznych skład chemiczny i częściowo struktura substancji.

Celem tej nauki jest określenie pierwiastków chemicznych lub grup pierwiastków tworzących substancje.

Przedmiotem jego badań jest doskonalenie istniejących i rozwój nowych metod analizy, poszukiwanie ich możliwości praktyczne zastosowanie, badanie podstawy teoretyczne Metody analityczne.

W zależności od celu metod rozróżnia się analizę jakościową i ilościową.

1. Analiza jakościowa to zespół metod chemicznych, fizykochemicznych i fizycznych służących do wykrywania pierwiastków, rodników i związków wchodzących w skład analizowanej substancji lub mieszaniny substancji. W analizie jakościowej można zastosować łatwo wykonalne, charakterystyczne reakcje chemiczne, w których obserwuje się pojawienie się lub zanik koloru, uwolnienie lub rozpuszczenie osadu, powstawanie gazu itp. Takie reakcje nazywane są jakościowymi i za pomocą Dzięki nim można łatwo sprawdzić skład substancji.

Analizę jakościową najczęściej przeprowadza się w roztworach wodnych. Opiera się na reakcje jonowe i pozwala na wykrycie kationów lub anionów substancji tam zawartych. Za twórcę tej analizy uważa się Roberta Boyle’a. Wprowadził tę ideę pierwiastki chemiczne jako nierozkładalne główne części substancji złożonych, po czym usystematyzował wszystkie znane w jego czasach reakcje jakościowe.

1. Analiza ilościowa to zestaw chemicznych, fizykochemicznych i fizycznych metod określania proporcji składników zawartych w kompozycji

analit. Na podstawie wyników tego można wyznaczyć stałe równowagi, produkty rozpuszczalności, masy cząsteczkowe i atomowe. Taka analiza jest trudniejsza do przeprowadzenia, ponieważ wymaga ostrożnego i bardziej żmudnego podejścia; w przeciwnym razie wyniki mogą powodować duże błędy, a praca zostanie zredukowana do zera.

Analizę ilościową zwykle poprzedza analiza jakościowa.

Rozdział 2.

Metody analizy chemicznej.

Metody analizy chemicznej dzielą się na 3 grupy.

1. Metody chemicznew oparciu o reakcje chemiczne.

W takim przypadku do analizy można wykorzystać tylko te reakcje, którym towarzyszy widoczny efekt zewnętrzny, na przykład zmiana koloru roztworu, uwolnienie gazów, wytrącenie lub rozpuszczenie opadów itp. Te efekty zewnętrzne będą w tym przypadku służyć jako sygnały analityczne. Zachodzące zmiany chemiczne nazywane są reakcjami analitycznymi, a substancje wywołujące te reakcje nazywane są odczynnikami chemicznymi.

Wszystkie metody chemiczne dzielą się na dwie grupy:

1. Reakcję prowadzi się w roztworze, tzw. „drogą mokrą”.
2. Metodę przeprowadzania analizy ciał stałych bez użycia rozpuszczalników nazywa się „drogą suchą”. Dzieli się ją na analizę pirochemiczną i analizę rozcierania. Naanaliza pirochemiczna iBadaną substancję podgrzewa się w płomieniu palnika gazowego. W tym przypadku lotne sole (chlorki, azotany, węglany) wielu metali nadają płomieniowi określony kolor. Inną metodą analizy pirotechnicznej jest produkcja kolorowych pereł (szkła). Aby otrzymać perły, sole i tlenki metali stapia się z tetraboranem sodu (Na2B4O7 „10H2O) lub wodorofosforanem sodu (NaNH4HP04·4H20) i obserwuje się barwę powstałych szkieł (pereł).
3. Metoda wcierania zaproponowano w 1898 przez FM Flavitsky. Stałą substancję badaną rozdrabnia się ze stałym odczynnikiem i obserwuje się efekt zewnętrzny. Na przykład sole kobaltu z tiocyjanianem amonu mogą dawać niebieski kolor.

1. Podczas analizy metodami fizycznymibadanie właściwości fizyczne substancji za pomocą instrumentów bez uciekania się do reakcji chemicznych. Metody fizyczne obejmują analizę spektralną, luminescencję, dyfrakcję promieni rentgenowskich i inne metody analizy.
2. Stosowanie metod fizykochemicznychbadać zjawiska fizyczne zachodzące w reakcjach chemicznych. Na przykład metodą kolorymetryczną mierzy się intensywność koloru w zależności od stężenia substancji; w analizie konduktometrycznej mierzy się zmianę przewodności elektrycznej roztworów.

Rozdział 3.

Praca laboratoryjna.

Reakcje barwne płomienia.

Cel: Badanie zabarwienia płomienia lampy alkoholowej przez jony metali.

W swojej pracy zdecydowałem się zastosować metodę pirotechnicznej analizy zabarwienia płomienia jonami metali.

Substancje testowe:sole metali (fluorek sodu, chlorek litu, siarczan miedzi, chlorek baru, chlorek wapnia, siarczan strontu, chlorek magnezu, siarczan ołowiu).

Sprzęt: kubki porcelanowe, alkohol etylowy, pręt szklany, stężony kwas solny.

Aby wykonać pracę, przygotowałem roztwór soli alkohol etylowy a następnie podpalić. Eksperyment przeprowadzałem kilkukrotnie, na ostatnim etapie wyselekcjonowano najlepsze próbki, po czym nakręciliśmy film.

Wnioski:

Lotne sole wielu metali barwią płomień różne kolory charakterystyczne dla tych metali. Kolor zależy od gorących oparów wolnych metali, które powstają w wyniku termicznego rozkładu soli wprowadzanych do płomienia palnika. W moim przypadku sole te zawierały fluorek sodu i chlorek litu, dawały jasne, nasycone kolory.

Wniosek.

Analiza chemiczna jest wykorzystywana przez człowieka w wielu dziedzinach, jednak na lekcjach chemii poznajemy jedynie niewielki obszar tej złożonej nauki. Techniki stosowane w analizie pirochemicznej wykorzystywane są w analizie jakościowej jako badanie wstępne przy analizie mieszaniny substancji suchych lub jako reakcje przesiewowe. W analizie jakościowej reakcje „suche” pełnią jedynie rolę pomocniczą, zwykle służą jako testy pierwotne i reakcje weryfikacyjne.

Ponadto reakcje te są wykorzystywane przez człowieka w innych gałęziach przemysłu, na przykład w fajerwerkach. Jak wiemy, fajerwerki to dekoracyjne światła o różnych kolorach i kształtach, uzyskiwane w wyniku spalania kompozycji pirotechnicznych. Dlatego pirotechnicy dodają do składu fajerwerków różnorodne substancje łatwopalne, wśród których szeroko reprezentowane są pierwiastki niemetaliczne (krzem, bor, siarka). Podczas utleniania boru i krzemu uwalnia się duża liczba energię, ale nie powstają produkty gazowe, dlatego substancje te wykorzystuje się do wytwarzania zapalników opóźnionych (w celu zapalenia innych związków w określonym czasie). Wiele mieszanin zawiera organiczne materiały zawierające węgiel. Na przykład, węgiel drzewny(stosowane w czarny proszek, fajerwerki) lub cukier (granaty dymne). Stosowane są metale reaktywne (aluminium, tytan, magnez), których spalanie w wysokich temperaturach daje jasne światło. Nieruchomość ta służyła do odpalania sztucznych ogni.

W trakcie pracy zdałem sobie sprawę, jak trudna i ważna jest praca z substancjami; nie wszystko poszło tak pomyślnie, jak bym chciał. Z reguły na lekcjach chemii brakuje zajęć praktycznych, dzięki którym rozwijane są umiejętności teoretyczne. Projekt pomógł mi rozwinąć tę umiejętność. Ponadto z wielką przyjemnością zapoznałem moich kolegów z wynikami mojej pracy. Pomogło im to utrwalić wiedzę teoretyczną.

Aluminium - metal łatwopalny, masa atomowa 26,98; gęstość 2700 kg/m 3, temperatura topnienia 660,1 °C; temperatura wrzenia 2486 °C; wartość opałowa -31087 kJ/kg. Wióry aluminiowe i pył mogą zapalić się pod wpływem lokalnego działania niskokalorycznych źródeł zapłonu (płomień zapałki, iskra itp.). Kiedy proszek aluminiowy, wióry i folia wchodzą w interakcję z wilgocią, tworzy się tlenek glinu i wydziela się duża ilość ciepła, co prowadzi do ich samozapalenia, gdy zgromadzą się w hałdach. Proces ten ułatwia zanieczyszczenie tych materiałów olejami. Uwolnienie wolnego wodoru podczas interakcji pyłu aluminiowego z wilgocią ułatwia jego eksplozję. Temperatura samozapłonu próbki pyłu aluminiowego o dyspersji 27 mikronów wynosi 520 °C; temperatura tlenia 410°C; dolna granica stężenia rozprzestrzeniania się płomienia 40 g/m 3 ; maksymalne ciśnienie wybuchu 1,3 MPa; szybkość wzrostu ciśnienia: średnia 24,1 MPa/s, maksymalna 68,6 MPa/s. Maksymalne stężenie tlenu, przy którym wykluczony jest zapłon zawieszenia pneumatycznego przez iskrę elektryczną, wynosi 3% objętości. Osadzony pył stwarza ryzyko pożaru. Temperatura samozapłonu 320°C. Aluminium łatwo reaguje z temperatura pokojowa wodnymi roztworami zasad i amoniaku z wydzieleniem wodoru. Mieszanie proszku aluminiowego z zasadą roztwór wodny może spowodować eksplozję. Reaguje energicznie z wieloma metaloidami. Wiórki aluminiowe spalają się na przykład w bromie, tworząc bromek glinu. Oddziaływanie aluminium z chlorem i bromem zachodzi w temperaturze pokojowej, a z jodem - po podgrzaniu. Po podgrzaniu aluminium łączy się z siarką. Jeśli do pary wrzącej siarki dodasz proszek aluminiowy, aluminium się zapali. Mocno zmielone aluminium reaguje z węglowodorami halogenowanymi; niewielka ilość obecnego chlorku glinu (powstającego podczas tej reakcji) działa jak katalizator, przyspieszając reakcję, w niektórych przypadkach prowadząc do eksplozji. Zjawisko to obserwuje się, gdy proszek aluminiowy ogrzewa się z chlorkiem metylu, czterochlorkiem węgla, mieszaniną chloroformu i czterochlorku węgla do temperatury około 150°C.

Aluminium w postaci zwartego materiału nie wchodzi w interakcję z czterochlorkiem węgla. Zmieszanie pyłu aluminiowego z niektórymi chlorowanymi węglowodorami i alkoholem powoduje samozapłon mieszaniny. Mieszanka proszku aluminiowego z tlenkiem miedzi, tlenkiem srebra, tlenkiem ołowiu, a zwłaszcza dwutlenkiem ołowiu, pali się wybuchowo. Mieszanka azotanu amonu, proszku aluminiowego z węglem lub związkami nitrowymi jest materiałem wybuchowym. Środki gaśnicze: suchy piasek, tlenek glinu, proszek magnezytowy, koc azbestowy. Zabrania się używania wody i gaśnic.

W czysta forma aluminium nie występuje w przyrodzie, ponieważ bardzo szybko ulega utlenieniu pod wpływem tlenu atmosferycznego, tworząc mocne warstwy tlenkowe, które chronią powierzchnię przed dalszą interakcją.

Zazwyczaj jako materiał konstrukcyjny stosuje się nie czyste aluminium, lecz różne stopy na jego bazie, które charakteryzują się połączeniem zadowalającej wytrzymałości, dobrej ciągliwości, bardzo dobrej spawalności i odporności na korozję. Ponadto stopy te charakteryzują się dużą odpornością na wibracje.

Spalanie aluminium

Płonące aluminium w powietrzu

W przeciwieństwie do magnezu, pojedyncze cząsteczki aluminium nie zapalają się po podgrzaniu w powietrzu lub parze wodnej do temperatury 2100 K. Do zapalenia aluminium wykorzystano płonące cząstki magnezu. Te ostatnie umieszczano na powierzchni elementu grzejnego, a cząstki aluminium umieszczano na czubku igły w odległości 10-4 m nad pierwszym.

Kiedy cząstki aluminium ulegają zapaleniu, zapłon następuje w fazie gazowej, a intensywność strefy żarzenia pojawiającej się wokół cząstki powoli wzrasta. Spalanie stacjonarne charakteryzuje się występowaniem strefy żaru, która nie zmienia swojej wielkości aż do prawie całkowitego wypalenia metalu. Stosunek wielkości strefy jarzenia do cząstki wynosi 1,6-1,9. W strefie jarzenia tworzą się małe kropelki tlenku, które łączą się po zderzeniu.

Pozostałością po spaleniu cząstki jest pusta skorupa niezawierająca metalu w środku. Zależność czasu spalania cząstki od jej wielkości wyraża wzór (spalanie symetryczne).

Spalanie aluminium w parze wodnej

Zapłon aluminium w parze wodnej zachodzi niejednorodnie. Wodór uwolniony podczas reakcji przyczynia się do zniszczenia warstwy tlenkowej; w tym przypadku ciekły tlenek glinu (lub wodorotlenek) natryskuje się w postaci kropelek o średnicy do 10-15 mikronów. Takie niszczenie powłoki tlenkowej powtarza się okresowo. Sugeruje to, że znaczna część metalu spala się na powierzchni cząstki.

Na początku spalania stosunek rsv /R 0 równa się 1,6-1,7. Podczas procesu spalania wielkość cząstek maleje, a stosunek gs/o wzrasta do 2,0-3,0. Szybkość spalania cząsteczki aluminium w parze wodnej jest prawie 5 razy większa niż w powietrzu.

Spalanie stopów aluminiowo-magnezowych

Spalanie stopów aluminiowo-magnezowych w powietrzu

Zapłon cząstek stopów aluminiowo-magnezowych o zmiennym składzie w powietrzu, mieszaninach tlenu i argonu, parze wodnej i dwutlenku węgla przebiega z reguły podobnie jak zapłon cząstek magnezu. Początek zapłonu poprzedzają reakcje utleniania zachodzące na powierzchni.

Spalanie stopów aluminiowo-magnezowych różni się znacznie od spalania zarówno aluminium, jak i magnezu i silnie zależy od proporcji składników w stopie oraz od parametrów środowiska utleniającego. Najważniejsza cecha Spalanie cząstek stopu jest procesem dwuetapowym (rys. 2.6). W pierwszym etapie cząstkę otacza się zestawem pochodni, tworząc niejednorodną strefę luminescencji produktów reakcji. Porównując charakter i wielkość strefy świetlnej otaczającej cząstkę stopu podczas pierwszego etapu spalania z charakterem i wielkością strefy świetlnej wokół płonącej cząstki magnezu (patrz rys. 2.4), możemy stwierdzić, że na tym etapie występuje głównie magnez wypala się z cząstki.

Ryż. 2.6. Spalanie cząstek stopu 30% Al + 70% Mg pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym w mieszaninie zawierającej 15% objętościowo O 2i 85% Ar:

1, 2 – wypalenie magnezu; 3-6 – wypalenie aluminium

Cechą pierwszego etapu spalania stopu jest stałość wielkości cząstek i strefy płomienia. Oznacza to, że kropla cieczy stopu jest zawarta w stałej powłoce tlenkowej. W warstwie tlenkowej dominuje tlenek magnezu. Przez defekty folii wypływa magnez, spalając się w płomieniu dyfuzyjnym w fazie pary.

Pod koniec pierwszego etapu wzrasta występowanie reakcji heterogenicznych, o czym świadczy pojawienie się ognisk jasnej luminescencji na powierzchni cząstki. Ciepło wydzielane podczas reakcji heterogenicznych przyczynia się do ogrzania cząstki do temperatury topnienia tlenku i rozpoczęcia drugiego etapu spalania.

W drugim etapie spalania cząstka otoczona jest jednolitą, jaśniejszą strefą żaru, która zmniejsza się w miarę wypalania metalu. Jednorodność i kulistość strefy płomienia wskazuje, że warstwa tlenku na powierzchni cząstki jest stopiona. Dyfuzję metalu przez folię zapewnia niski opór dyfuzyjny ciekłego tlenku. Wielkość strefy płomienia znacznie przewyższa wielkość cząstek, co wskazuje na spalanie metalu w fazie gazowej. Porównanie charakteru drugiego etapu spalania ze znanym schematem spalania aluminium wskazuje na duże podobieństwo, prawdopodobne jest, że aluminium pali się na tym etapie procesu. W miarę wypalania zmniejsza się wielkość płomienia, a w konsekwencji spadająca kropla spalania. Spalona cząstka świeci przez długi czas.

Zmiana wielkości strefy żarzenia się cząstki zgodnie z opisanym mechanizmem jest złożona (rys. 2.7). Po zapłonie wartość RŚw. /R 0 szybko (w -0,1 ms) osiąga wartość maksymalną (sekcja ok). Ponadto, w głównym czasie pierwszego etapu spalania, stosunek R St/ R 0 pozostaje stałe (sekcja bv). Kiedy wypalenie magnezu się skończy, R CV/ R 0 jest zredukowane do minimum (pkt G), a następnie wraz z początkiem spalania aluminium wzrasta (pkt bz). Wreszcie, ale w miarę wypalania się aluminium RŚw. /R 0 maleje monotonicznie (sekcja de) do wartości końcowej odpowiadającej wielkości utworzonego tlenku.

Ryż. 2.7.:

1 – stop 30% Al + 70% Mg, powietrze; 2 – stop 30% A1 + 70% Mg, mieszanina 15% O2 + 85% Ar; 3 – stop 50% A1 + 50% Mg, powietrze

Mechanizm i parametry procesu spalania stopów aluminiowo-magnezowych zależą w istotny sposób od składu stopu. Wraz ze spadkiem zawartości magnezu w stopie zmniejsza się wielkość strefy żarzenia w pierwszym etapie spalania oraz czas trwania tego etapu. Gdy zawartość magnezu w stopie jest mniejsza niż 30%, proces pozostaje procesem dwuetapowym, ale staje się przerywany. Pod koniec pierwszego etapu strefa żaru zostaje zredukowana do wielkości samej cząstki, proces spalania zostaje zatrzymany, a aluminium spala się dopiero po ponownym zapaleniu cząstki. Cząstki, które nie zapalają się ponownie, to puste w środku, porowate otoczki tlenkowe zawierające wewnątrz kropelki niespalonego aluminium.

Zależność czasu spalania cząstek od ich średnicy początkowej wyrażają następujące wzory empiryczne:

Spalanie stopów aluminiowo-magnezowych w mieszaninach tlenu z argonem, w parze wodnej i w dwutlenku węgla.

Charakter spalania cząstek stopów aluminiowo-magnezowych w mieszaninach tlenu i argonu jest taki sam jak w powietrzu. Wraz ze spadkiem zawartości tlenu wielkość strefy żarzenia podczas wypalania magnezu zauważalnie maleje. Zależność czasu spalania cząstek stopu 50% Al + 50% Mg od wielkości cząstek i zawartości tlenu w mieszaninie w procentach objętościowych wyraża się wzorem

Spalanie stopów w parze wodnej przebiega znacząco inaczej (ryc. 2.8). Utworzona w pierwszym etapie warstwa tlenkowa zostaje zniszczona przez wodór, a cząsteczka przybiera wygląd koralowca. Aluminium pozostałe w koralowcach zapala się dopiero 1–10 ms po zakończeniu pierwszego etapu. Taka nieciągłość procesu jest typowa dla stopów o dowolnym składzie.

Ryż. 2.8. Spalanie cząstek stopu aluminiowo-magnezowego (50:50) sferycznego(A) i źle(B) tworzy się w parze wodnej pod normalnym ciśnieniem atmosferycznym:

1 – cząstka początkowa; 2 – cząstka przed zapłonem; 3 – wypalenie magnezu; 4 – wypalenie aluminium; 5 – koral powstały po cząsteczce

Kiedy stopy aluminiowo-magnezowe spalają się w dwutlenku węgla, z cząsteczki wypala się tylko magnez, po czym proces spalania zatrzymuje się.

Spalanie stopów aluminiowo-magnezowych w płomieniu wysokotemperaturowym

Aby zbadać proces spalania cząstek metalu w wysokich temperaturach, sprasowaną tabletkę mieszanin nadchloranu amonu i heksaminy, o obliczonych temperaturach spalania 2500, 2700 i 3100 K, spalono pod cząstką umieszczoną na czubku igły.

Spalanie cząstek stopów aluminiowo-magnezowych w tych warunkach następuje z reguły wraz z eksplozją. Obecność eksplozji jest typowa dla cząstek wszystkich składów. W wyniku wybuchu powstaje znaczna strefa luminescencji, co świadczy o dominacji spalania w fazie gazowej. Zdjęcia płonącej cząstki na początku spalania (ryc. 2.9, A) pokazują, że reakcje heterogeniczne zachodzą na całej powierzchni powłoki tlenkowej. Ze względu na ciepło reakcji heterogenicznych następuje szybkie odparowanie metalu (ryc. 2.9, B), sprzyjając pękaniu powłoki tlenkowej i rozpryskiwaniu nieodparowanej kropli (ryc. 2.9, V).

Ryż. 2.9. Spalanie 95% cząstek stopu Al z 5% Mg w płomieniu utleniającym (temperatura 2700 K):

A – etap początkowy spalanie; B– spalanie stacjonarne; V- rozstanie

Według B. G. Lrabeya, S. E. Salibekowa i Yu. V. Leninsky'ego kruszenie cząstek stopów aluminiowo-magnezowych jest spowodowane bardzo dużą różnicą temperatur wrzenia magnezu i aluminium, w wyniku czego wrzenie magnezu gdy cząstka znajduje się w strefie wysokiej temperatury, jest wybuchowy i prowadzi do zmiażdżenia pozostałego aluminium. Do wystąpienia wybuchowego spalania wystarczy już temperatura 2500 K, co jest całkiem naturalne, gdyż temperatura ta przekracza temperaturę wrzenia obu składników.

• Arabey B. G., Salibekov S. E., Levinsky Yu. Niektóre cechy zapłonu i spalania pyłów metalicznych // Metalurgia proszków. 1964. nr 3. s. 109-118.

Zajrzyjmy za kulisy

Formułując prawa zachodzących procesów, możemy ograniczyć się do rozważenia kationów i wykluczyć aniony, ponieważ one same nie biorą udziału w reakcji. (Jednak na szybkość osadzania wpływa rodzaj anionów.) Jeśli dla uproszczenia założymy, że zarówno uwolnione, jak i rozpuszczone metale są dwuwartościowe, możemy napisać:

Ja 1 + Ja 2 2+ => Ja 1 2+ + Ja 2

Ponadto dla pierwszego doświadczenia Me 1 = Fe, Me 2 = Cu. Proces ten polega więc na wymianie ładunków (elektronów) pomiędzy atomami i jonami obu metali. Jeśli osobno rozważymy (jako reakcje pośrednie) rozpuszczanie żelaza lub wytrącanie miedzi, otrzymamy:

Fe => Fe 2+ + 2е -
Сu 2+ + 2е - => Сu

Rozważmy teraz przypadek, gdy metal zanurzony jest w wodzie lub roztworze soli, z kationem, którego wymiana jest niemożliwa ze względu na jego położenie w szeregu naprężeń. Mimo to metal ma tendencję do rozpuszczania się w postaci jonu. W tym przypadku atom metalu oddaje dwa elektrony (jeśli metal jest dwuwartościowy), powierzchnia metalu zanurzonego w roztworze zostaje naładowana ujemnie w stosunku do roztworu, a na granicy faz tworzy się podwójna warstwa elektryczna. Ta różnica potencjałów zapobiega dalszemu rozpuszczaniu metalu, przez co proces szybko się kończy. Jeśli w roztworze zanurzymy dwa różne metale, oba będą się ładować, ale mniej aktywny będzie nieco słabszy, ze względu na to, że jego atomy są mniej podatne na utratę elektronów. Połączmy oba metale przewodnikiem. Ze względu na różnicę potencjałów przepływ elektronów będzie płynął od metalu bardziej aktywnego do metalu mniej aktywnego, który tworzy biegun dodatni pierwiastka. Zachodzi proces, w którym bardziej aktywny metal przechodzi do roztworu, a kationy z roztworu uwalniają się na bardziej szlachetnym metalu.

Istota ogniwa galwanicznego

Zilustrujmy teraz kilkoma eksperymentami nieco abstrakcyjne rozumowanie podane powyżej (co ponadto stanowi rażące uproszczenie).

Najpierw napełnij zlewkę o pojemności 250 ml do połowy 10% roztworem kwasu siarkowego i zanurz w niej niezbyt małe kawałki cynku i miedzi. Przylutuj lub przynituj obie elektrody kabel miedziany, których końce nie powinny dotykać rozwiązania.

Dopóki końce drutu nie są ze sobą połączone, będziemy obserwować rozpuszczanie cynku, czemu towarzyszy wydzielanie się wodoru. Cynk, jak wynika z szeregu napięć, jest bardziej aktywny niż wodór, dlatego metal może wypierać wodór ze stanu jonowego. Na obu metalach tworzy się podwójna warstwa elektryczna. Najłatwiejszym sposobem wykrycia różnicy potencjałów między elektrodami jest użycie woltomierza. Natychmiast po podłączeniu urządzenia do obwodu strzałka wskaże około 1 V, ale potem napięcie szybko spadnie. Jeśli podłączysz do elementu małą żarówkę pobierającą napięcie 1 V, to zaświeci ona - początkowo dość mocno, a potem blask osłabnie.

Na podstawie polaryzacji zacisków urządzenia możemy stwierdzić, że elektroda miedziana jest biegunem dodatnim. Można to udowodnić bez urządzenia, biorąc pod uwagę elektrochemię procesu. W małej zlewce lub probówce przygotowujemy nasycony roztwór soli kuchennej, dodajemy około 0,5 ml alkoholowego roztworu wskaźnika fenoloftaleiny i zanurzamy w tym roztworze obie elektrody zamknięte drutem. W pobliżu bieguna ujemnego można zaobserwować słabe czerwonawe zabarwienie, spowodowane tworzeniem się wodorotlenku sodu na katodzie.

W innych eksperymentach można umieścić w ogniwie różne pary metali i określić powstałe napięcie. Na przykład magnez i srebro dadzą szczególnie dużą różnicę potencjałów ze względu na znaczną odległość między nimi a szeregiem napięć, podczas gdy cynk i żelazo, wręcz przeciwnie, dadzą bardzo małą, mniejszą niż jedna dziesiąta wolta. Stosując aluminium, dzięki pasywacji nie otrzymamy praktycznie żadnego prądu.

Wszystkie te elementy, czyli jak mówią elektrochemicy obwody, mają tę wadę, że przy pomiarze prądu napięcie na nich bardzo szybko spada. Dlatego elektrochemicy zawsze mierzą tą metodą rzeczywistą wartość napięcia w stanie beznapięciowym kompensacja napięcia, czyli porównując je z napięciem innego źródła prądu.

Rozważmy bardziej szczegółowo procesy zachodzące w elemencie miedziano-cynkowym. Na katodzie cynk przechodzi do roztworu zgodnie z następującym równaniem:

Zn => Zn 2+ + 2е -

Jony wodorowe kwasu siarkowego są wyładowywane na anodzie miedzianej. Przyłączają elektrony przechodzące przez drut z katody cynkowej, w wyniku czego powstają pęcherzyki wodoru:

2Н + + 2е - => Н 2

Po krótkim czasie miedź pokryje się cienką warstwą pęcherzyków wodoru. W takim przypadku elektroda miedziana zamieni się w wodorową, a różnica potencjałów zmniejszy się. Proces ten nazywa się polaryzacja elektroda. Polaryzację elektrody miedzianej można wyeliminować dodając do ogniwa niewielką ilość roztworu dwuchromianu potasu po spadku napięcia. Następnie napięcie ponownie wzrośnie, ponieważ dwuchromian potasu utlenia wodór do wody. Dwuchromian potasu działa w tym przypadku jako depolaryzator

W praktyce stosuje się obwody galwaniczne, których elektrody nie są spolaryzowane, lub obwody, których polaryzację można wyeliminować poprzez dodanie depolaryzatorów.

Jako przykład elementu niepolaryzowalnego rozważ element Daniela, który był często używany w przeszłości jako źródło prądu. Jest to również pierwiastek miedziano-cynkowy, jednak oba metale zanurzone są w różnych roztworach. Elektrodę cynkową umieszcza się w porowatym ogniwie glinianym wypełnionym rozcieńczonym (około 20%) kwasem siarkowym. Ogniwo gliniaste zawieszone jest w dużym szkle zawierającym stężony roztwór siarczanu miedzi, a na dnie znajduje się warstwa kryształów siarczanu miedzi. Drugą elektrodą w tym naczyniu jest cylinder wykonany z blacha miedziana.

Element ten można wykonać ze szklanego słoika, dostępnego w handlu ogniwa glinianego (w skrajnych przypadkach używamy doniczki, zamykając otwór w dnie) i dwóch elektrod o odpowiedniej wielkości.

Podczas pracy ogniwa cynk rozpuszcza się, tworząc siarczan cynku, a na elektrodzie miedzianej uwalnia się metaliczna miedź. Ale jednocześnie elektroda miedziana nie jest spolaryzowana i element wytwarza napięcie około 1 V. Właściwie teoretycznie napięcie na zaciskach wynosi 1,10 V, ale przy odbiorze prądu mierzymy nieco mniejszą wartość, ze względu na opór elektryczny komórki.

Jeśli nie usuniemy prądu z elementu, elektrodę cynkową musimy wyjąć z roztworu kwasu siarkowego, gdyż w przeciwnym razie rozpuści się ona tworząc wodór.

Na rysunku pokazano schemat prostego ogniwa, które nie wymaga porowatej przegrody. Elektroda cynkowa znajduje się w górnej części szklanego słoika, a elektroda miedziana znajduje się w dolnej części. Całą celę wypełnia się nasyconym roztworem soli kuchennej. Umieść garść kryształków siarczanu miedzi na dnie słoika. Powstały stężony roztwór siarczanu miedzi bardzo powoli będzie mieszać się z roztworem soli kuchennej. Dlatego też, gdy ogniwo działa, miedź będzie uwalniana na miedzianej elektrodzie, a cynk rozpuści się w postaci siarczanu lub chlorku w górnej części ogniwa.

Obecnie wykorzystuje się je niemal wyłącznie do zasilania akumulatorów. suche elementy, które są wygodniejsze w użyciu. Ich przodkiem jest element Leclanche’a. Elektrody to cylinder cynkowy i pręt węglowy. Elektrolit jest pastą składającą się głównie z chlorku amonu. Cynk rozpuszcza się w paście, a na węglu wydziela się wodór. Aby uniknąć polaryzacji, pręt węglowy zanurza się w lnianym worku zawierającym mieszaninę proszku węglowego i piroluzytu. Proszek węglowy zwiększa powierzchnię elektrody, a piroluzyt działa jako depolaryzator, powoli utleniając wodór. To prawda, że ​​​​zdolność depolaryzacyjna piroluzytu jest słabsza niż w przypadku wspomnianego wcześniej dwuchromianu potasu. Dlatego po odebraniu prądu w suchych elementach napięcie szybko spada, „męczą się” z powodu polaryzacji. Dopiero po pewnym czasie następuje utlenianie wodoru za pomocą piroluzytu. Zatem elementy „odpoczywają”, jeśli przez pewien czas nie przepływa prąd. Sprawdźmy to na akumulatorze latarki, do którego podłączamy żarówkę. Woltomierz podłączamy równolegle do lampy, czyli bezpośrednio do zacisków. Na początku napięcie będzie wynosić około 4,5 V. (Najczęściej takie akumulatory mają trzy ogniwa połączone szeregowo, każde o teoretycznym napięciu 1,48 V.) Po pewnym czasie napięcie spadnie i żarówka zgaśnie osłabiać. Na podstawie wskazań woltomierza możemy ocenić, jak długo akumulator potrzebuje odpoczynku.

Szczególne miejsce zajmują elementy regenerujące zwane akumulatorami. Ulegają odwracalnym reakcjom i można je ponownie naładować po rozładowaniu ogniwa poprzez podłączenie do zewnętrznego źródła prądu stałego.

Obecnie najpopularniejsze są akumulatory kwasowo-ołowiowe; Elektrolitem w nich jest rozcieńczony kwas siarkowy, w którym zanurzone są dwie płytki ołowiane. Elektroda dodatnia jest pokryta nadtlenkiem ołowiu PbO2 (współczesna nazwa to dwutlenek ołowiu), elektroda ujemna to ołów metaliczny. Napięcie na zaciskach wynosi około 2,1 V. Podczas rozładowywania na obu płytkach tworzy się siarczan ołowiu, który podczas ładowania ponownie zamienia się w metaliczny ołów i nadtlenek ołowiu.

Płomienie występują w różnych kolorach. Zajrzyj do kominka. Na kłodach tańczą żółte, pomarańczowe, czerwone, białe i niebieskie płomienie. Jego kolor zależy od temperatury spalania i materiału palnego. Aby to sobie wyobrazić, wyobraźmy sobie spiralę kuchenki elektrycznej. Jeśli płytka jest wyłączona, spiralne zwoje są zimne i czarne. Załóżmy, że postanawiasz podgrzać zupę i włączyć kuchenkę. Na początku spirala zmienia kolor na ciemnoczerwony. Im wyższa temperatura, tym jaśniejszy jest czerwony kolor spirali. Gdy płytka osiągnie maksymalną temperaturę, cewka zmienia kolor na pomarańczowo-czerwony.

Naturalnie spirala się nie pali. Nie widzisz płomienia. Jest po prostu naprawdę gorąca. Jeśli podgrzejesz dalej, kolor się zmieni. Najpierw kolor spirali zmieni się na żółty, potem biały, a gdy nagrzeje się jeszcze bardziej, będzie z niej emanować niebieski blask.

Coś podobnego dzieje się z ogniem. Weźmy na przykład świecę. Różne obszary płomienia świecy mają różną temperaturę. Ogień potrzebuje tlenu. Jeśli przykryjesz świecę szklanym słojem, ogień zgaśnie. Centralna część płomienia świecy, przylegająca do knota, zużywa mało tlenu i wydaje się ciemna. Górna i boczna część płomienia otrzymuje więcej tlenu, dzięki czemu obszary te są jaśniejsze. Gdy płomień przemieszcza się przez knot, wosk topi się i pęka, rozbijając się na drobne cząsteczki węgla. (Węgiel również składa się z węgla.) Cząstki te są unoszone w górę przez płomień i spalają się. Są bardzo gorące i świecą jak spirala twojej płytki. Jednak cząstki węgla są znacznie gorętsze niż cewka najgorętszej płytki (temperatura spalania węgla wynosi około 1400 stopni Celsjusza). Dlatego ich blask jest żółty. W pobliżu płonącego knota płomień jest jeszcze gorętszy i świeci na niebiesko.

Płomienie kominka lub ognia są przeważnie różnorodne. Drewno pali się w niższej temperaturze niż knot świecy, dlatego podstawowym kolorem ognia jest kolor pomarańczowy, a nie żółty. Niektóre cząsteczki węgla w płomieniu ognia mają dość wysoką temperaturę. Jest ich niewiele, ale dodają żółtawy odcień płomieniowi. Ochłodzone cząstki gorącego węgla to osadzająca się sadza kominy. Temperatura spalania drewna jest niższa niż temperatura spalania świecy. Wapń, sód i miedź podgrzane do wysokiej temperatury świecą różne kolory. Dodaje się je do proszku rakietowego, aby pokolorować światła świątecznych fajerwerków.

Kolor płomienia i skład chemiczny

Kolor płomienia może się różnić w zależności od zanieczyszczeń chemicznych zawartych w polanach lub innej substancji łatwopalnej. Płomień może zawierać na przykład zanieczyszczenia sodu.

Już w czasach starożytnych naukowcy i alchemicy próbowali zrozumieć, jakie substancje spalają się w ogniu, w zależności od koloru ognia.

• Sód jest składnikiem soli kuchennej. Po podgrzaniu sodu zmienia kolor na jasnożółty.
• Do ognia może przedostać się wapń. Wszyscy wiemy, że mleko zawiera dużo wapnia. To metal. Gorący wapń zmienia kolor na jaskrawoczerwony.
• Jeśli fosfor spali się w ogniu, płomień zmieni kolor na zielonkawy. Wszystkie te pierwiastki albo zawarte są w drewnie, albo dostają się do ognia wraz z innymi substancjami.
• Prawie każdy w domu ma kuchenki gazowe lub kolumny, w których płomień jest zabarwiony na niebiesko. Dzieje się tak za sprawą palnego węgla, tlenku węgla, który nadaje ten odcień.

Mieszanie kolorów płomienia, jak mieszanie kolorów tęczy, może dać biały kolor, dzięki czemu białe obszary są widoczne w płomieniach ognia lub kominka.

Temperatura płomienia podczas spalania niektórych substancji:

Jak uzyskać równomierny kolor płomienia?

Do badania minerałów i określania ich składu stosuje się go Palnik Bunsena, nadający równomierną, bezbarwną barwę płomienia, nie zakłócającą przebiegu eksperymentu, wymyślonego przez Bunsena w połowie XIX wieku.

Bunsen był zagorzałym fanem żywiołu ognia i często majstrował przy płomieniach. Jego hobby było dmuchanie szkła. Wydmuchując ze szkła różne przebiegłe konstrukcje i mechanizmy, Bunsen nie mógł zauważyć bólu. Bywały chwile, gdy jego zrogowaciałe palce zaczynały dymić od gorącego, wciąż miękkiego szkła, ale nie zwracał na to uwagi. Jeśli ból przekroczył już próg wrażliwości, ratował się własną metodą - mocno przyciskał palcami płatek ucha, przerywając jeden ból drugim.

To on był twórcą metody określania składu substancji na podstawie koloru płomienia. Oczywiście przed nim naukowcy próbowali przeprowadzać takie eksperymenty, ale nie mieli palnika Bunsena z bezbarwnym płomieniem, który nie przeszkadzałby w eksperymencie. Do płomienia palnika wprowadził różne pierwiastki na drucie platynowym, gdyż platyna nie wpływa na barwę płomienia i nie barwi go.

Wydawać by się mogło, że metoda jest dobra, nie ma potrzeby przeprowadzania skomplikowanych analiz chemicznych, wystarczy doprowadzić pierwiastek do płomienia i od razu widać jego skład. Ale tego tam nie było. Bardzo rzadko substancje występują w przyrodzie w czystej postaci; zwykle zawierają szeroką gamę różnych zanieczyszczeń zmieniających kolor.

Bunsen próbował różnych metod izolowania kolorów i ich odcieni. Próbowałem na przykład patrzeć przez kolorowe szkło. Powiedzmy, że niebieskie szkło gasi żółty kolor wytwarzany przez najpowszechniejsze sole sodowe i można dostrzec szkarłatny lub fioletowy odcień rodzimego pierwiastka. Ale nawet przy pomocy tych sztuczek możliwe było określenie składu złożonego minerału tylko raz na sto.

To jest interesujące! Ze względu na właściwość atomów i cząsteczek do emitowania światła o określonej barwie, opracowano metodę określania składu substancji, tzw. Analiza spektralna. Naukowcy badają widmo, jakie emituje substancja np. podczas spalania, porównują je z widmami znanych pierwiastków i w ten sposób określają jej skład.