Уравнение реакции при горении спички

Разработка урока химии «Спички – глазами химика»

Разделы: Химия

ТИП ДАННОГО УРОКА – урок повторения.

ФОРМА ОРГАНИЗАЦИИ УРОКА – урок исследования объекта.

МЕТОДЫ ОБУЧЕНИЯ НА УРОКЕ:

• по характеру деятельности – исследовательская деятельность;
• по виду источника знаний – словестно-наглядно-практический с применением ИКТ;
• по форме совместной деятельности – сотрудничество и мониторинг.

ФОРМЫ ОРГАНИЗАЦИИ РАБОТЫ УЧАЩИХСЯ: диалог; работа в парах; эксперимент; элементы самостоятельной деятельности; самооценка.

ОБОРУДОВАНИЕ: на каждом столе образцы веществ серы, карбоната кальция, бихромата калия, измельченного стекла, оксидов цинка и железа(Ш), костного клея, коробок со спичками, специальные блокноты для работы на уроке у каждого ученика. На столе учителя – красный фосфор, стеклянная трубочка, спиртовка, различные виды спичек. У каждого ученика специальный блокнот для работы (приложение1). Компьютерная презентация (приложение2).

Приветствие учителя. Здравствуйте, я очень надеюсь на взаимное сотрудничество и вашу помощь. Ну, а тему урока мы попробуем определить вместе. Посмотрите на слайд и отгадайте загадку (слайд №1):

Осторожно их берут,
Головой о стенку трут,
Чиркнут ловко раз и два –
Загорится голова.

Вместе с учениками учитель определяет тему урока– спички.

Но мы с вами на уроке химии, поэтому посмотрим на этот обычный предмет глазами химика.

2 слайд – Тема урока: “Спички – глазами химика”.

Сегодня на уроке мы должны с вами узнать все о самом обыденном предмете – спичках, без которых человек уже, наверное, обойтись не может. Мы с вами сегодня исследователи. Для работы нам потребуется блокнот, в который мы будем делать пометки на каждом этапе исследования.

Вопрос: Давайте подумаем, с чего начинается каждое исследование??

Вместе с учениками составляется план исследования объекта на уроке.

3 слайд – План исследования: История > состав > свойства > применение

1 этап – история рождения современных спичек.

По наметкам ученых, огнем научились пользоваться 400 тысяч лет назад. Но уметь пользоваться — одно, иметь огонек всегда под рукой — другое. Сколько слез, наверное, было пролито при утрате живого уголька, искорки. Четыреста тысяч лет тревог и забот об огне. Но недавно у африканского озера Виктория археологи наткнулись на остатки древнего очага, и тот на миллион лет старше ранее найденных!

Вопрос: Как же люди добывали огонь?

4 слайд – добывание человеком огня трением и высеканием.

По историческим меркам, способ консервировать пламя отыскался “вот только что”.

5 слайд – первые химические спички назывались макательными спичками.

Приспособления для получения огня, основанные на химических реакциях, начали делать в конце XVIII в. Это были древесные лучинки, на кончике которых в виде головки закреплялись бертолетова соль (KСlO₃) – взрывчатое вещество и сера. Головка погружалась в серную кислоту, происходила вспышка и лучинка загоралась. Но использовать такие спички было неудобно.

Вопрос: Как вы думаете, почему неудобно было использовать такие спички? В чем состоит это неудобство?

Учитель демонстрирует опыт: действие концентрированной серной кислоты на белок. Объяснение опасности использования серной кислоты.

Это химическое “огниво” можно рассматривать как прародитель современных спичек.

6 слайд – фосфорные спички.

После открытия белого фосфора австриец Ирини в 1833 году ввел его в состав массы спичечной головки. Он предложил предпринимателю Ремеру, способ изготовления спичек: “нужно взять горячего клея, бросить в него кусок фосфора, и сильно взболтать. В горячем клее при взбалтывании, фосфор разобьётся на мелкие частицы. Они так сильно слипаются с клеем, что образуется густая жидкость беловатого цвета. К этой смеси прибавить мелко растёртый порошок перекиси свинца. Всё размешать до тех пор, пока не будет однообразная бурая масса. Приготовить лучинки, концы которых покрыть серой. Сверху серу покрыть слоем фосфорной массы. Таким образом, получаются спички. Они воспламеняются очень легко, стоит только чиркнуть о стенку”.

Вопрос: Почему же эти спички тоже были не совсем удобны?

Эти спички были весьма огнеопасны, поскольку загорались даже от взаимного трения в коробке или о любую твёрдую поверхность, например, подошву сапога. В то время ходил английский анекдот, в котором целая спичка говорит другой, полуобгоревшей: “Видишь, чем заканчивается твоя скверная привычка чесать затылок!”

Ремер построил целые спичечные фабрики и нажил на этом большое состояние. Но при горении спички создавали неприятный запах и главное, их производство было весьма вредно для рабочих. Рабочие подвергались тяжелейшему заболеванию – фосфорному некрозу костей. Прежде всего, некрозу подвергались кости челюстей людей.

Вопрос: Вспомните, чем опасен белый фосфор и почему производство спичек было вредным производством?

Доза фосфора в 0,05–0,15 г для человека смертельна. Профессиональным заболеванием рабочих первых спичечных фабрик был фосфорный некроз – поражение челюстей, так как фосфор проникал через кариозные зубы. Белый фосфор не только является сильным ядом, при попадании на кожу он вызывает долго не заживающие ожоги. Вредность этого производства превосходила даже производство зеркал. Кроме того, раствор зажигательной массы в воде давал сильнейший яд, которым пользовались самоубийцы (а нередко и убийцы).

7 слайд – Следующим этапом было изобретение безопасных или шведских спичек.

В 1847 г. Шретер открыл красный фосфор (амфорный). Немецкой химик Бетхер (1865год) заменил им опасный белый фосфор.

Он приготовил смесь из серы, бертолетовой соли и клея. Нанес смесь на лучинки, покрытые парафином. Но эти спички невозможно было зажечь о шершавую поверхность. Тогда он придумал смазать бумажку особым составом, содержащим красный фосфор.

Эти спички называли безопасными или шведскими, так как фабричным способом их впервые начали изготавливать в Швеции в 1867. 1869 гг.

2 этап – изучение состава современных спичек.

Ну, а теперь посмотрим, из каких же компонентов состоят современные спички? (из головки и спичечного коробка, головки и терки или намазки). В состав этих компонентов входят вещества окислители, восстановители, наполнители, красители и другие. Эти компоненты представлены на слайде.

6 слайд – состав спичечной головки.

Задание: внимательно прочитайте состав спичечной головки (читают вслух) впишите недостающие формулы в своем блокноте. (Правильность выполнения задания проверяется на слайде). За правильно выполненное задание поставьте себе оценку (За каждую формулу по одному баллу, максимально – 6 баллов).

7 слайд – состав “терки”.

Задание: выполните такое же задание для компонентов терки. Оценки ставьте, не учитывая уже написанные формулы. Вещества, которые входят в состав головки и терки, стоят у вас на столе, кроме бертолетовой соли.

Вопрос: Почему же на столах нет этого вещества? Кто внимательный! (за формулы максимально – 2 балла).

3 этап – изучение процессов, происходящих при горении спичек.

Ну, а теперь давайте займемся исследованием и разберемся, что же происходит со спичками в момент их использования. Посмотрите за моими действиями и сделайте также. Для начала возьмите спичку и медленно проведите по терке спичечного коробка, наблюдая за происходящим.

1. Что наблюдаете? (светящаяся полоса, огонь, дым, запах)
2. Какой процесс происходит первым – физический или химический? (трение)
3. Попробуйте потереть ладошки. Что происходит? (выделение тепла)
4. Почему при проведении спичкой по коробку наблюдается светящаяся полоса? (красный фосфор превращается в белый).

Чтобы вы лучше запомнили этот процесс, посмотрим опыт по превращению красного фосфора в белый (демонстрационный опыт превращения красного фосфора в белый).

5. Почему появился белый дым? Какую формулу он имеет?
6. Откуда берется кислород для окисления фосфора?

Запишите в блокнотах реакции: разложения бертолетовой соли; окисления фосфора (образование дыма); окисления серы (появление запаха); горения древесины на примере углерода (для “продвинутых” ребят можно дать формулу целлюлозы).

Вызвать к доске 4-х человек. Каждую реакцию разобрать с точки зрения ОВР. Проверить результаты на слайде и поставить себе оценки (по 1 баллу за молекулярное уравнение и по 1 баллу за составление электронного баланса, максимально – 8 баллов).

4 этап – применение спичек.

Ну, а теперь, скажите, о каких видах спичек вы ещё знаете?

9 слайд – виды спичек. Демонстрация на слайде.

10 слайд – Но, СПИЧКИ ДЕТЯМ НЕ ИГРУШКА!

Вопрос: Что может произойти при неправильном использовании спичек? Правильно говорят: в маленькой коробочке спрятано сто пожаров.

11 слайд – фото пожара.

Итог урока: Итак, что же мы с вами сегодня изучили?

Если вам понравился урок, и вы хотите продолжить изучение спичек, предлагаю выполнить на ваш выбор одно из домашних заданий в ваших блокнотах.

Учитель просит заполнить раздел блокнота “Размышляем над уроком…”, подсчитать баллы и оценить свое участие в работе на уроке.

Максимальный балл – 16 баллов + (активность).

Путешествие в мир химии

Горение спички

Некоторые реакции сравнительно легко «повернуть вспять». Например, при высокой температуре идёт реакция СаСO3 = СаО + СO2, а при низкой — обратная ей реакция СаО + СO2 = СаСО3.

При горении водорода образуется вода: 2Н2 + O2 = 2Н2O.

Но если воду (в виде её паров) очень сильно нагреть, она снова разложится на водород и кислород. Эти же газы можно получить, если через воду при обычной температуре пропустить постоянный электрический ток. Значит ли это, что любую реакцию, изменив условия, можно заставить идти в обратном направлении?

Возьмём в качестве примера горение обычной спички.

Вот ею чиркнули о коробок.

Появилось пламя, запахло «серой».

При горении произошла химическая реакция (на самом деле не одна реакция, а много).

Процесс начался под действием трения, когда спичкой чиркнули о Коробок. Сначала загорелся красный фосфор, который был на спичечной коробке.

Фосфор, дающий при горении высокую температуру, поджёг смесь серы и бертолетовой соли в спичечной головке, а головка уже подожгла древесину, пропитанную около головки воском, чтобы она лучше загоралась.

Вместо сгоревшей спички остался уголь; кроме него образовались и не видимые глазом новые вещества: сернистый газ, углекислый газ. Можно ли из всех этих веществ снова получить спичку? Очевидный ответ — нельзя.

Нельзя заставить идти «справа налево» и каждую из прошедших реакций, например горения фосфора: 4Р + 5О2 = 2Р2О5. Эта реакция необратимая.

Почему так происходит? Можно ли здесь выявить какие-то закономерности?

Как мы знаем, общим для всех химических реакций является неизменность атомов.

Они лишь переходят в ходе реакции от одного вещества к другому.

В реакции горения спички (вернее, в реакциях, так как их много) все атомы, которые были в составе спички, перешли в продукты реакции.

При этом общее число атомов каждого химического элемента (водорода, кислорода, углерода, серы и других) в составе спички в точности равно числу атомов этих элементов в продуктах горения.

Например, все атомы хлора в составе бертолетовой соли (хлората калия КСlO3) перешли в один из продуктов реакции — хлорид калия КС1; в него же, скорее всего, перешли и все атомы калия.

А при сгорании серы все её атомы перешли в состав сернистого газа: S + O2 = SO2 (этот газ — один из основных компонентов неприятного запаха сгоревшей спички), а атомы фосфора перешли в состав его оксида. А что происходит при горении основной массы спички, состоящей в основном из целлюлозы?

Целлюлоза имеет состав С6Н10О5. Известно, какие продукты образовались при её сгорании — это вода, углекислый газ и уголь.

Нетрудно записать уравнение реакции горения целлюлозы и подобрать к нему коэффициенты: С6Н10О5 + 6O2 = 6СO2 + 5Н2O.

Очевидно, что и эта реакция необратимая: из углекислого газа и воды, как эту смесь ни нагревать, чем бы ни облучать, целлюлозу не получишь!

Значит, «правильно» записанное (то есть с выполнением закона сохранения атомов) уравнение реакции ничего не говорит о том, будет ли она обратимой или нет. Не говорит оно и о том, возможна ли данная реакция.

Итак, прежде чем взяться за получение новых веществ, химикам необходимо было научиться кое-что предсказывать.

И тут возникают вопросы двух типов.

Первый из них такой: можно ли узнать теоретически, не проводя экспериментов, возможна ли данная реакция, пойдёт ли она, если смешать те или иные реагенты? И что нужно сделать, чтобы она пошла (можно, например, изменять давление и температуру, вводить катализаторы, освещать смесь ультрафиолетом…

)? Требуется также знать, пройдёт ли реакция до конца или остановится вскоре после начала. А если остановится, то на какую глубину пройдёт при данных условиях.

А вот вопросы другого типа. Почему одни реакции идут очень быстро (многие реакции горения), другие — медленнее (растворение железа в кислоте) или даже очень медленно (превращение виноградного сока в вино или уксус, ржавление железа и др.)? Что можно сделать, чтобы ускорить нужные реакции, а ненужные замедлить?

И, наконец, самый сложный вопрос. Вот у нас есть точный план, молекулярная конструкция каких-то веществ.

И мы знаем, как устроено вещество, которое нам нужно получить.

Сможем ли мы его синтезировать и как? Сможем ли из природного газа метана СН4 и кислорода воздуха O2 получить очень важный для химической промышленности метиловый спирт СН3ОН?

Ведь это не детали в конструкторе, которые можно разъединить, а потом собрать из них что-то новое.

Значит, реакции идут как-то иначе. А как? Дело в том, что правильно расставленные коэффициенты в уравнении реакции (например, С6Н10О5 + 6O2 = 6СО2 + 5Н2O) ничего не говорят о механизме процесса.

Они показывают только, в каких соотношениях вступают в реакцию исходные вещества и образуются продукты реакции. Самый же трудный вопрос, который может возникнуть по поводу реакции горения целлюлозы (а также почти любой другой реакции), заключается в том, каким же образом исходные вещества (реагенты) превращаются в продукты реакции.

Каков их механизм? Можно ли указать, какой атом куда «пошёл» и какими путями к своей цели «пришёл»?

Что происходит в тот промежуток времени, когда исходные вещества превращаются в продукты реакции?

В ходе любой химической реакции изменяется взаимное расположение атомов, то есть порядок, в котором они друг с другом связаны. Но что происходит с атомами, когда они переходят из одного вещества в другое?

Как они «отсоединяются» друг от друга и соединяются вновь — уже в другом порядке?

Как спичка зажигается и виды спичек

Открытие Шарля Сориа

Спички в России

Закон в России о спичках XIX века

Физико-химический процесс зажигания спички

Виды спичек

Каждый день люди встречаемся с необычным явлением. С тем самым явлением — чудом, которое титан Прометей принес человечеству, за что и был наказан разгневанными богами. Это чудо хранится скромной деревянной коробочке и называется стачками.

Впрочем, вы вправе спросить, — какое же это чудо, что может быть проще спички?

Но вспомним, сколько веков понадобилось людям, чтобы изобрести простенькую спичку.

Открытие Шарля Сориа

В 1831 году были изобретены предшественники современной спички — фосфорные спички. Их изобрел девятнадцатилетний француз Шарл Сориа.

Сориа было известно, что смесь бертолетовой соли с серой взрывается при ударе. К этой смеси юный экспериментатор добавил белый фосфор.

Как спичка зажигается и виды спичек

В эксперименте, все лучинки, смазанные таким составом, стали воспламеняться при трении о любой предмет, так как белый фосфор загорается уже при температуре 50 ℃.

Сориа не удалось зарегистрировать патент на изобретение — это стоило больших денег. Поэтому через год спички были изобретены вновь немецким учителем Камерером.

Спички в России

В Россию, впервые, фосфорные спички попали 1836 году. Первые импортные спички продавали по фантастической цене того времени, более рубля за сотню.

Цены, естественно, снизились, когда год спустя в Петербурге была открыта первая русская фабрика «по выделыванию зажигательных спичек». Через пять лет таких фабрик было уже девять. Рекордное количество фабрик – 263, было зарегистрировано в 1882 году.

Со временем, импорт спичек сошел на нет, а отечественные спички стоили довольно дешево — по пятаку за сотню. Входящий в состав фосфорных спичек белый фосфор ядовит и взрывоопасен, поэтому и производство, и потребление спичек были сопряжены с отравлениями и пожарами.

Со временем это приняло столь катастрофические формы, что уже в 1862 году было издано распоряжение об ограничении продажи белого фосфора.

Во многих странах фосфорные спички были запрещены еще в конце прошлого века, сейчас их нигде не делают.

Как спичка зажигается и виды спичек

Закон в России о спичках XIX века

Первый в России закон о спичках появился 29 ноября 1848 года. В то время в деревнях и городах свирепствовали пожары.

Спички стали козлом отпущения. Николай I, «обратив особое внимание на чрезвычайное распространение употребления зажигательных спичек, усмотреть изволил, что при случившихся в текущем году пожарах, потребивших в одних городах более как на 12 000 000 рублей серебром обывательских имуществ, поджигатели весьма часто совершали свое преступление посредством спичек».

Закон предусматривал, «чтобы заведения для выделки зажигательных спичек допускаемы были в одних столицах… чтобы отпускаемые из фабрик для продажи спички были заделываемы по тысяче штук в жестяные коробочки с приклеенными к сим последним бандеролями, которые должны быть выдаваемы от городских дум, с взысканием за всякий бандероль по рублю серебром в пользу городских доходов».

Кроме того, была запрещена продажа спичек вразнос.

Совершенно ясно, что правительство заботилось не только о борьбе с пожарами, но и о доходах. Высокое обложение спичек акцизным, государственным налогом, привело к тому, что вскоре в России осталась всего одна спичечная фабрика.

Употребление спичек, однако, не только не уменьшилось, но намного возросло. В течение десяти лет в дело идут всякие эрзацы спичек, чаще всего «серянки» — лучинки, покрытые с одного конца серой, которые воспламенялись при помощи трута.

С такими нелегальными «серянками», которые изготовлялись и продавались тайком, число несчастных случаев стало больше, чем до принятия закона.

Правительство Александра II было вынуждено отменить закон 1848 года. Через двадцать один год было издано постановление о разрешении «повсеместно, как в империи, так и в царстве Польском, производить выделку фосфорных спичек и продажу их без особых ограничений…».

Как спичка зажигается и виды спичек

Физико-химический процесс зажигания спички

Что же происходит, если вы чиркнули спичкой о шероховатую поверхность коробка.

Прежде всего, воспламенился коробок В состав коричневой намазки коробка входит красный фосфор. Правда, воспламенить его не так-то легко.

Но под действием тепла, а оно возникает при трении, происходит аллотропное превращение: перестраивается кристаллическая решетка, и красный фосфор переходит в белый.

Белый фосфор менее устойчив и более активен, чем красный, -воспламеняется уже при 50 ℃.

Кстати, поверхность коробка не зря делают шероховатой. Головка спички, трется об отдельные выступы, энергия как бы концентрируется на них.

Достаточно небольшого усилия, чтобы вызвать локальный нагрев отдельных микроучастков, следовательно, и воспламенение фосфора.

Как спичка зажигается и виды спичек

Но если коробок загорелся, то что же мешает ему сгореть?

Помимо фосфора, в состав намазки коробка входят флегматизаторы — вещества, разъединяющие частички фосфора и поглощающие выделенное тепло. Не будь их, для каждой спички пришлось бы делать отдельный спичечный коробок.

Итак, частички белого фосфора вспыхнули на коробке и подожгли головку спички. И только теперь начинается собственно горение спички. В какие-то доли секунды в спичечной головке проносится настоящий ураган химических реакций.

При температуре около 200 ℃ сера, перешедшая при 115 ℃ в жидкое состояние, начинает взаимодействовать с бертолетовой солью:

При температурах 370 – 400 ℃ начинается такая реакция:

Бертолетова соль разлагается, выделяя кислород. Он немедленно вступает в реакцию с серой:

Сера пока находится в жидком состоянии, но при 441 ℃ она закипает и превращается в пар. Реакция вступает в последнюю фазу — газовую. В это же время идут другие реакции — разлагается калиевый хромпик, горят клеи.

С горящей головки спички огонь перебрасывается на осиновую соломку. Но попробуйте сунуть на секунду лучинку в огонь она не загорится! Соломка спички воспламеняется лишь потому, что под головкой находится тонкий слой парафина.

Как спичка зажигается и виды спичек

При вспышке начинает действовать миниатюрный «газовый завод»: парафин закипает, и газообразные углеводороды, входящие в его состав, вспыхивают. Они-то и поджигают древесину.

Наконец, загорается спичка. Начинается во многом еще таинственный, не изученный до конца процесс сухой перегонки древесины. Образуются десятки и сотни самых разнообразных химических соединений.

Они испаряются, претерпевают многочисленные превращения, участвуя в реакциях пиролиза, разлагаются в горячей зоне при недостатке кислорода, выделяя свободный углерод — сажу.

Раскаленные частицы сажи ярко светятся. Все эти мгновенные процессы завершаются во внешней зоне пламени, где при избытке кислорода все сгорает, образуя углекислый газ и воду, и где выделяется большое количество тепла. Появляется доброе, светлое пламя спички.

Но спичку надо еще погасить. Непогасшая, беспечно брошенная спичка может причинить немало бед. Спичка должна сразу погаснуть. Чтобы она не тлела, ее пропитывают фосфорнокислыми солями. При температуре горения они расплавляются и обволакивают уголек. Доступ воздуха к соломке прекращается, и спичка немедленно гаснет.

Виды спичек

Существуют спички, резко отличающиеся от обычных не только размером и цветом, но и химическим составом зажигательной массы и, следовательно, характером горения.

Такими спичками можно пользоваться в дождь и в ветер. У некоторых спичек столь высокая температура горения, что ими можно сваривать металл (например, телефонного кабеля).

Для геологов и строителей выпускают спички, не дающие открытого огня, — тлеющие. Их назначение только одно, чтобы поджигать запал взрывчатки. Вот как устроены некоторые специальные спички.

Охотничьи спички

У них обычная соломка и обычная головка, но кроме соломки и головки у этих спичек есть еще «тело» — дополнительная обмазка. Тело спички состоит из зажигательной массы, содержащей меньше бертолетовой соли и больше наполнителя.

Как спичка зажигается и виды спичек

Чтобы спичка не портилась от влаги, ее покрывают лаком. Как явствует из названия, эти спички предназначены для охотников, рыболовов, туристов и для тех, кому случается разжигать костер в любую погоду.

Выиграть традиционное туристское соревнование и быстро разжечь костер одной спичкой, пользуясь охотничьими спичками, проще простого. Их зажигательная масса горит 8 — 10 секунд и дает большое, жаркое пламя.

Штормовые или ветровые спички

Соломка этих спичек тоже обычна, а вот головки у них вообще нет. Зато тело у спички, значительно толще, чем у охотничьих. И состав его иной. Зажигательная масса ветровой спички содержит больше бертолетовой соли (поэтому им и не нужна головка).

Как спичка зажигается и виды спичек

Чуткость их очень высока, и горят они в самых сложных условиях, им не страшен даже шторм до 12 баллов. Поэтому ветровыми спичками пользуются, в основном, рыбаки и моряки. Горит спичка тоже около 10 секунд.

Спички цветного огня

Как известно, некоторые соли обладают способностью окрашивать пламя. Если в состав зажигательной массы ввести такие соли, то спички будут гореть цветным пламенем розовым, красным, синим, зеленым.

Как спичка зажигается и виды спичек

Но это ближе к пиротехнике, чем к спичечному производству. Выпускают такие спички крайне редко лишь по специальным заказам.

Шведская спичка

«Употребляли эти спички помещики, да и то не все», — говорит Дюковский, один из персонажей рассказа А. П. Чехова «Шведская спичка».

Этот рассказ был написан в 1883 году. С тех пор многое изменилось, и спички перестали быть роскошью. Однако далеко не все знают, что те спички, которые мы употребляем ежедневно, тоже «шведские». Безопасные, шведские, спички изобретены в 1848 году химиком Беттгером.

До семидесятых годов XIX века, эти спички ввозились в Россию шведскими фирмами. И лишь когда истек срок, предусмотренный лицензией, появились и отечественные безопасные спички.

Впрочем, русские фабриканты не сразу признали новые спички. Для их производства требовались большие капиталовложения.

А. Крылов О. Гладкий

SOS сигнал и его история

Видео: Легенды индейцев о золотой пещере Башни дьяволов