зажали его в тисках и начали работать напильником. Вниз летят серебристые стружки. Вы предвкушаете, как смешаете их и подожжете. Но вот напильник случайно задевает тиски, высекаются искры. По кучке магниевых опилок пробегает волна бело-розового света, и… вам придется сильно пожалеть о своей любви к химии (если, конечно, вы заранее не позаботились об огнетушителе).
— Ну это уж слишком! — скажете вы, если недавно зажигали магниевую стружку. — Нам это удалось с таким трудом!
Да, но вспомните, что мелкий порошок куда менее активного железа или никеля обладает пирофорными свойствами (самовоспламеняется на воздухе). Так что, если и удивляться, то тому, что свеженапиленный магний обычно успевает дождаться, пока вы его с чем-то смешаете.
Еще стандартный случай из жизни любителей огня и взрывов. Вы раздобыли и опробовали состав искристой свечи ("бенгальского огня"), а потом решили его усовершенствовать — сделать, например, пламя голубым или сине-зеленым. Вы уже знаете, что стоит примешать галогениды меди, и огонь будет именно такого цвета. Поэтому вы добавляете немного хлорной меди к смеси нитратов, чугунных и алюминиевых опилок. И вот у вас в руках полная спичечная коробка нового искристого состава. Но она почему-то горячая. Вы слышите легкое шипение и отбрасываете коробку подальше, в безопасное место. Ну, а теперь представьте, что приготовленную смесь вы успели спрятать в любимый ящик под кроватью, где хранятся другие смеси, ракеты и взрывпакеты…
А ведь всего-то надо было вспомнить про железный гвоздь в растворе медного купороса, про то, что полностью обезводить кристаллогидрат хлорной меди обычно невозможно, да про то, что большинство реакций сопровождается выделением тепла.
Кстати, о тепле. Это весьма важное понятие. Горючие и взрывчатые свойства веществ и их смесей можно оценить, рассматривая только тепловой эффект и механическую работу реакции — изменение энтальпии данной химической системы. Есть специальные таблицы, в которых собраны стандартные энтальпии образования химических соединений. По определению, энтальпия (ее еще называют теплосодержанием) — это теплота, поглощенная системой в процессе реакции, плюс механическая работа, совершенная системой против внешних сил при постоянном давлении. Для расчетов полезна стандартная энтальпия образования Н°298. Ее вычисляют для химических реакций (иногда даже гипотетических), в которых соединения получают при 25 °C и 1 атмосфере из простых веществ. У простых веществ в наиболее устойчивой форме (при данных стандартных условиях) принято нулевое значение энтальпии.
Пример 1.
Для жидкой ртути при 25 °C и 1 атм. Н°298 = 0; для паров ртути в тех же условиях Н°298 = 60,8 кДж/моль. Положительная Н°298 означает, что, испаряясь, ртуть поглощает энергию.
Пример 2.
Для реакций:
Н2(г) + 1/2О (г) = Н2О (г)
ΔН°298 = -242 кДж/моль;
Н2(г) + 1/2О (г) = Н2О (ж)
ΔН°298 = -286 кДж/моль;
Эти величины — табличные значения энтальпии образования воды. На их основе можно сделать вывод, что при конденсации паров воды (стандартные условия):
Н2О (г)-> Н2О (ж) выделится 44 кДж/моль тепла.
Изменение энтальпии здесь, как и в случае любой химической реакции, равно алгебраической разности стандартных энтальпии образования продуктов и исходных веществ.
Теперь вернемся к "взрывчатой" теме. Мы не будем рассматривать синтез и свойства индивидуальных ВВ (тротила, гексогена, гремучей ртути и тому подобного). Красивые и, если очень хочется, громкие эффекты можно получить, пользуясь пиротехническими смесями, которые состоят из горючего и окислителя с различными добавками. Однако прежде чем смешивать, надо оценить, насколько безопасным будет продукт. Для простейшей оценки мы будем учитывать только тепловые эффекты возможных реакций.
Большинство пиротехнических составов — это стехиометрическая смесь горючего и окислителя. Часто они способны гореть без доступа воздуха.
Пиротехнические смеси должны быть:
1 — стойкими при длительном хранении;
2 — минимально чувствительными к механическим воздействиям (не загораться при случайном трении или ударе);
3 — не слишком легко воспламеняемыми (обычно температура зажигания не менее 200 °C);
4 — не взрывчатыми (то есть горение не должно переходить в детонацию);
5 — минимально токсичными (не содержать солей ртути, кадмия, таллия и тому подобного);
6 — максимально однородными, сгорать равномерно с определенной скоростью).
Возможно, вам покажется странным, что дальше я буду рассказывать и о весьма экзотических веществах. Однако мне хорошо известно, как в нынешних условиях всеобщего разгильдяйства в руки юных химиков попадают самые невероятные реагенты, причем свойства многих из них в доступной литературе не описаны. К сожалению, происходит все больше случаев, когда неграмотное обращение с химическими продуктами, "найденными" в районе оборонных заводов, кончалось трагически.
ЗАНЯТИЕ № 2
Красивые и, если очень хочется, громкие эффекты можно получить с помощью пиротехнических составов. Но прежде чем что-то смешивать и поджигать, надо прикинуть, какими могут быть последствия.
В прошлый раз мы уже говорили о том, что пиротехнические смеси состоят из горючего (то есть восстановителя) и окислителя. Горючим в пиротехнике могут быть самые разные вещества — от древесных опилок до порошка вольфрама. Но с очень мелкими металлическими порошками надо обращаться с особой осторожностью: ведь они часто сами по себе воспламеняются.
Порошок неизвестного металла, о котором вы знаете лишь то, что он "вот только с завода и здорово горит", может причинить большие неприятности. Вы обязательно должны знать состав металла или сплава, с которыми собираетесь химичить. Конечно, безопаснее работать с крупными (диаметром не меньше 0,1 мм) металлическими опилками, пролежавшими несколько дней на воздухе.
Фосфор — весьма опасное горючее вещество. Лучше не использовать его в самодельных смесях. И вообще избегайте любых контактов с белым фосфором (яд)!
В качестве окислителей для пиротехнических смесей тоже годны самые разнообразные соединения — от бертолетовой соли до гипса и гексахлорэтана. Так вот, расчет по термохимическим уравнениям нужен именно для прогноза поведения окислителя в смеси. Дело в том, что некоторые окислители способны и без горючего распадаться с выделением тепла. Причем они могут не только загореться, но и сдетонировать. Смеси таких окислителей с восстановителями обладают повышенной чувствительностью к трению и удару. Конечно, чтобы точно предсказать способность смеси к детонации, надо проанализировать все кинетические параметры системы (энтропийный фактор, энергию активации, автокатализ и тому подобное). Но главное, что окислители, неспособные к экзотермическому разложению, практически не детонируют.
Уточним терминологию. При горении выделяющаяся в зоне реакции теплота передается от слоя к слою за счет теплопроводности. Поэтому зона горения распространяется со скоростью от нескольких миллиметров до нескольких метров в секунду. При детонации же химическая реакция распространяется волною сжатия (ударной волной) со скоростью до нескольких километров в секунду.
Попробуем предсказать опасность неизвестного вам окислителя на примере нитрата аммония. Это
