Способы объяснения разных цветов пламени. Опыты: Цветное пламя

18.12.2017 08:06 772

Почему огонь бывает разных цветов?

Огонь всегда был для людей источником света и тепла. Его завораживающее свечение привлекало человека своей таинственностью с давних времён. Многие народы совершали у огня разные ритуалы. Известно, что огонь - это совокупность раскалённых газов, которые выделяются в результате нагревания каких-нибудь горючих материалов, например дерева.

Сидя у костра, и наблюдая за его ярким пламенем, создаётся впечатление, что огонь бывает только двух цветов: красного и жёлтого. Но на самом деле это так. Огонь может быть разных цветов. Почему так происходит?

Цвет пламени зависит от состава горящего материала. Во время процесса горения происходят химические реакции, придающие пламени разные цвета. Вы наверное замечали, ребята, что при включении газовой плиты огонь на конфорках светится голубым цветом. Это происходит потому, что газ во время горения распадается на водород и углерод. При этом образуется углекислый газ, который придаёт пламени голубой цвет.

Если пламя сияет зелёным цветом, значит в горящем материале присутствует медь или фосфор. Жёлтый цвет огня возникает при горении соли. При сжигании древесины пламя также будет иметь жёлтый оттенок, поскольку соль присутствует и в дереве.

Также огонь может иметь красный оттенок, если в составе горящего материала присутствует литий или калий.

Вот мы и узнали ответ на интересующий нас вопрос. Но следует помнить, ребята, что огонь представляет для человека большую опасность. Поэтому, пользоваться огнём без присутствия взрослых категорически запрещено.

На протяжении многих веков огонь играет очень важную роль в жизни человека. Без него практически невозможно представить наше существование. Он используется во всех сферах промышленности, а также для приготовления пищи, согревания дома и развития технического прогресса.

Впервые огонь появился в эпоху раннего палеолита. Изначально он применялся в борьбе против различных насекомых и нападений диких животных, а также давал свет и тепло. И только потом пламя огня применяли в кулинарии, изготовлении посуды и орудий труда. Так огонь вошел в нашу жизнь и стал «незаменимым помощником» человека.

Многие из нас замечали, что пламя может быть разным по своей цветовой гамме, но не многие знают, почему же огненная стихия обладает пестрой окраской. Как правило, цветовая гамма огня зависит от того, какое химическое вещество в нем сгорает. Благодаря воздействию высокой температуры все атомы химических веществ освобождаются, таким образом, придавая оттенок огню. Также было проведено большое количество экспериментов, о которых в этой статье будет написано чуть ниже, с целью того, чтобы понять, каким образом эти вещества оказывают воздействие на цвет полымя.

Еще издавна ученые прилагали усилия, чтобы понять, какие химические вещества сгорают в пламени, в зависимости от того, какую окраску принимал огонь.

Все мы дома при приготовлении пищи можем наблюдать огонек с голубым оттенком. Это предопределено легкосгораемым углеродом и угарным газом, который и придает огоньку этот голубой оттенок. Соли натрия, которыми наделена древесина, придают огню желто-оранжевый оттенок, которым пылает обыкновенный костер или спички. Если посыпать конфорку плиты обычной солью, то можно получить тот же самый колер. Зеленый цвет огню придает медь. При очень высокой концентрации меди, огонек обладает весьма ярким оттенком зеленого цвета, что фактически идентичный бесцветному белому. Такое можно наблюдать, если посыпать конфорку медной стружкой.

Также проводились эксперименты с обыкновенной газовой горелкой и разными минералами, с целью того, чтобы установить их составляющие химические вещества. Для этого минерал аккуратно берут пинцетом и подносят к огню. И, по оттенку, который принимал огонь, можно сделать выводы о разных химических добавках, которые присутствуют в элементе. Зеленый оттенок придают такие минералы, как медь, барий, фосфор, молибден, а бор и сурьма дают сине-зеленый цвет. Еще в синий цвет пламя придает селен. Красное пламя получают при добавке лития, стронция и кальция, фиолетовое получается при сгорании калия, а желто-оранжевый колер дает натрий.

Для изучения различных минералов и определения их состава применяется бунзеновская горелка, изобретенная в XIX веке Бунзеном, которая дает бесцветный окрас пламени, не мешающий ходу эксперимента.

Именно Бунзен стал основоположником методики определения химического состава вещества по цветовой палитре пламени. Конечно же, и до него были попытки провести такие опыты, но такие эксперименты не увенчались успехом, так как отсутствовала горелка. Он внедрял в огненную стихию горелки разные химические компоненты на проволоке, сделанной из платины, потому что платина никак не влияет на цвет огня и не придает ему какого-либо оттенка.

На первый взгляд может показаться, что тут не нужно какое-либо сложное химическое исследование, поднес компонент к огню – и моментально можно увидеть его состав. Однако не все так просто. В природе вещества в чистом виде встречаются весьма редко. Как правило, они включают в себя немалый набор разных примесей, которые способны изменять окраску.

Следовательно, с помощью характерных свойств молекул и атомов излучать свет определенной цветовой гаммы – был создан способ определения химического состава веществ. Такой способ определения называется спектральным анализом. Ученые изучают спектр, которое выделяет вещество. К примеру, во время горения, его сравнивают со спектрами известных компонентов, и, таким образом, устанавливают его химический состав.

Температура огня заставляет в новом свете увидеть привычные вещи - вспыхнувшую белым спичку, голубое свечение горелки газовой печки на кухне, оранжево-красные язычки над пылающим деревом. Человек не обращает внимания на огонь, пока не обожжёт кончики пальцев. Или не спалит картошку на сковороде. Или не прожжёт подошву кроссовок, сохнущих над костром.

Когда первая боль, испуг и разочарование проходят, наступает время философских размышлений. О природе, цветовой гамме, температуре огня.

Горит, как спичка

Кратко о строении спички. Она состоит из палочки и головки. Палочки изготавливают из дерева, картона и хлопчатобумажного жгута, пропитанного парафином. Дерево выбирают мягких пород - тополь, сосну, осину. Сырьё для палочек называют спичечной соломкой. Чтобы избежать тления соломки, палочки пропитывают фосфорной кислотой. Российские заводы мастерят соломку из осины.

Головка спички проста по форме, но сложна по химическому составу. Темно-коричневая голова спички содержит семь компонентов: окислители - бертолетова соль и дихромат калия; стекляннюу пыль, сурик свинцовый, серу, цинковые белила.

Головка спички при трении воспламеняется, нагреваясь до полутора тысяч градусов. Порог воспламенения, в градусах Цельсия:

• тополь - 468;
• осина - 612;
• сосна - 624.

Температура огня спички равна температуре Поэтому белая вспышка серной головки сменяется желто-оранжевым язычком спички.

Если пристально разглядывать горящую спичку, то взгляду предстают три зоны пламени. Нижняя - холодная голубая. Средняя в полтора раза теплее. Верхняя - горячая зона.

Огненный художник

При слове «костёр» вспыхивают не менее ярко ностальгические воспоминания: дым костра, создающий доверительную обстановку; красные и желтые огни, летящие к ультрамариновому небу; переливы язычков с голубого до рубиново-красного цвета; багровые остывающие угли, в которых печётся «пионерская» картошка.

Изменяющийся колер пылающего дерева сообщает о колебаниях температуры огня в костре. Тление дерева (потемнение) начинается со 150°. Возгорание (задымление) происходит в интервале 250-300°. При одинаковом поступлении кислорода породы при несовпадающих температурах. Соответственно, градус костра тоже будет отличаться. Берёза горит при 800 градусах, ольха - при 522°, а ясень и бук - при 1040°.

Но цвет огня также определяется химическим составом горящего вещества. Желтый и оранжевый вносят соли натрия. Химический состав целлюлозы содержит и соли натрия, и соли калия, придающие пылающим углям дерева красный оттенок. Романтические в древесном костре возникают из-за недостатка кислорода, когда вместо СО 2 образуется СО - угарный газ.

Энтузиасты научных опытов измеряют температуру огня в костре прибором под названием пирометр. Изготовляют три типа пирометров: оптические, радиационные, спектральные. Это бесконтактные приборы, разрешающие оценивать мощность теплового излучения.

Изучаем огонь на собственной кухне

Кухонные газовые плиты работают на двух видах топлива:

1. Магистральный природный газ метан.
2. Пропан-бутановая сжиженная смесь из баллонов и газгольдеров.

Химический состав топлива определяет температуру огня газовой плиты. Метан, сгорая, образует огонь мощностью 900 градусов в верхней точке.

Сжигание сжиженной смеси даёт жар до 1950°.

Внимательный наблюдатель отметит неравномерность раскраски язычков горелки газовой плиты. Внутри огненного факела происходит деление на три зоны:

• Тёмный участок, расположенный возле конфорки: здесь нет горения из-за недостатка кислорода, а температура зоны равна 350°.
• Яркий участок, лежащий в центре факела: горящий газ разогревается до 700°, но топливо сгорает не до конца из-за недостатка окислителя.
• Полупрозрачный верхний участок: достигает температуры 900°, и сгорание газа полноценное.

Цифры температурных зон огневого факела приведены для метана.

Правила безопасности при огневых мероприятиях

Разжигая спички, плиту, позаботьтесь о вентиляции помещения. Обеспечьте приток кислорода к топливу.

Не пытайтесь самостоятельно ремонтировать газовое оборудование. Газ не терпит дилетантов.

Хозяйки отмечают, что горелки светятся голубым цветом, но иногда огонь становится оранжевым. Это не глобальное изменение температуры. Изменение цвета связано с изменением состава топлива. Чистый метан горит без цвета и без запаха. В целях безопасности в бытовой газ добавляют серу, которая при сгорании окрашивает газ в голубые оттенки и сообщает продуктам сгорания характерный запах.

Появление оранжевых и желтых оттенков в огне конфорки сообщает о необходимости профилактических манипуляций с плитой. Мастера прочистят оборудование, удалят пыль и сажу, горение которых и изменяет привычный цвет огня.

Иногда огонь в горелке становится красным. Это сигнал опасного содержания угарного газа в Поступления кислорода к топливу настолько мало, что плита даже тухнет. Угарный газ без вкуса и запаха, и человек рядом с источником выделения вредного вещества заметит слишком поздно, что отравился. Поэтому красный цвет газа требует немедленного вызова мастеров для профилактики и наладки оборудования.

Несложно догадаться, что цвет пламени будет зависеть от того, какие химические вещества в нем сгорают , если под действием высокой температуры отдельные атомы этих веществ высвобождаются – давая окраску. Было проведено множество экспериментов, о которых я напишу чуть ниже, для того, чтобы понять, как вещества влияют на цвет огня .

Еще в древние времена ученые и алхимики пытались понять, что за вещества сгорают в огне, в зависимости от того, в какой цвет окрашивался огонь.

Практически у всех дома есть газовые плиты или колонки, пламя в которых окрашено в голубой оттенок . Это обусловлено сгораемым углеродом , угарным газом, который и дает этот оттенок. Соли натрия, которыми богата природная древесина, дают желто-оранжевое пламя , которым горит обычный лесной костер или бытовые спички. Посыпав конфорку газовой плиты обычной поверенной солью, вы получите тот же самый оттенок. Медь дает зеленый цвет пламени. Думаю, вы не раз замечали, что обычная, не обработанная защитным составом, медь окрашивает кожу в зеленый оттенок, если долго носить кольцо или цепочку. Так и во время процесса горения. При высоком содержании меди пламя имеет очень яркий зеленый цвет, практически идентичный белому. Вы можете это наблюдать, посыпав медной стружкой все ту же газовую конфорку.

Проводились опыты с обычной газовой горелкой и различными минералами для того, чтобы определить их состав. Минерал берется пинцетом и подносится в пламя – по оттенку, в который окрашивается огонь, можно судить о различных примесях, присутствующих в элементе. Зеленый и его оттенки дают такие минералы как барий, медь, молибден, фосфор, сурьма и бор, дающий сине-зеленый цвет. Также в синий окрашивает пламя селен. Красное пламя даст литий, стронций и кальций, фиолетовое – калий, желто-оранжевый оттенок выходит при сгорании натрий.

Для исследования минералов и определения их состава используется бунзеновская горелка , дающая ровный бесцветный цвет пламени, не мешающий ходу эксперимента, изобретенная Бунзеном в середине XIX века.

Бунзен был ярым поклонником огненной стихии, часто возился с пламенем. Его увлечением было стеклодувное дело . Выдувая из стекла различные хитрые конструкции и механизмы, Бунзен мог не замечать боли. Бывали, что его заскорузлые пальцы начинали дымиться от горячего еще мягкого стекла, но он не обращал на это внимания. Если боль уже выходила за грань порога чувствительности, то он спасался своим методом – сильно прижимал пальцами мочку уха, перебивая одну боль другой.

Именно он и был родоначальником метода определения состава вещества по цвету пламени . Конечно, и до него ученые пытались ставить такие эксперименты, но у них не было бунзеновской горелки с бесцветным пламенем , не мешающим эксперименту. Он вводил в пламя горелки различные элементы на платиновой проволоке, так как платина не влияет на цвет пламени и не окрашивает его.

Казалось бы, метод хороший, не нужен сложный химический анализ, поднес элемент к пламени – и сразу виден его состав. Но не тут то было. Очень редко вещества встречаются в природе в чистом виде, обычно они содержат большой набор различных примесей , изменяющих окраску.

Бунзен пробовал различные методы вычленения цветов и их оттенков. Например, пытался смотреть через цветные стекла . Скажем, синее стекло гасит желтый цвет, который дают наиболее распространенные соли натрия, и можно было различить малиновый или лиловый оттенок родного элемента. Но и с помощью этих ухищрений определить состав сложного минерала удавалось лишь раз из ста.

В процессе горения образуется пламя, строение которого обусловлено реагирующими веществами. Его структура поделена на области в зависимости от температурных показателей.

Определение

Пламенем называют газы в раскаленном виде, в которых присутствуют составляющие плазмы или вещества в твердой дисперсной форме. В них осуществляются преобразования физического и химического типа, сопровождающиеся свечением, выделением тепловой энергии и разогревом.

Наличие же в газообразной среде ионных и радикальных частичек характеризует его электрическую проводимость и особое поведение в электромагнитном поле.

Что такое языки пламени

Обычно так называют процессы, связанные с горением. По сравнению с воздухом, газовая плотность меньше, но высокие температурные показатели обуславливают поднятие газа. Так и образуются языки пламени, которые бывают длинными и короткими. Часто происходит и плавный переход одних форм в другие.

Пламя: строение и структура

Для определения внешнего вида описываемого явления достаточно зажечь Появившееся несветящееся пламя нельзя назвать однородным. Визуально можно выделить три его основные области. Кстати, изучение строения пламени показывает, что различные вещества горят с образованием различного типа факела.

При горении смеси из газа и воздуха вначале происходит формирование короткого факела, цвет которого имеет голубые и фиолетовые оттенки. В нем просматривается ядро - зелено-голубое, напоминающее конус. Рассмотрим это пламя. Строение его разделяется на три зоны:

1. Выделяют подготовительную область, в которой происходит нагревание смеси из газа и воздуха при выходе из отверстия горелки.
2. За ней следует зона, в которой происходит горение. Она занимает верхушку конуса.
3. Когда имеется недостаток воздушного потока, газ сгорает не полностью. Выделяется углерода двухвалентный оксид и водородные остатки. Их догорание протекает в третьей области, где есть кислородный доступ.

Теперь отдельно рассмотрим разные процессы горения.

Горение свечи

Горение свечи подобно горению спички или зажигалки. А строение пламени свечи напоминает раскаленный газовый поток, который вытягивается вверх за счет выталкивающих сил. Процесс начинается с нагревания фитиля, за которым следует испарение парафина.

Самую нижнюю зону, находящуюся внутри и прилегающую к нити, называют первой областью. Она обладает небольшим свечением из-за большого количества топлива, но малого объема кислородной смеси. Здесь осуществляется процесс неполного сгорания веществ с выделением который в дальнейшем окисляется.

Первую зону окружает светящаяся вторая оболочка, характеризующая строение пламени свечи. В нее поступает больший кислородный объем, что обуславливает продолжение окислительной реакции с участием топливных молекул. Температурные показатели здесь будут выше, чем в темной зоне, но недостаточные для конечного разложения. Именно в первых двух областях при сильном нагревании капелек несгоревшего топлива и угольных частичек появляется светящийся эффект.

Вторая зона окружена слабозаметной оболочкой с высокими температурными значениями. В нее заходит много кислородных молекул, что способствует полному догоранию топливных частичек. После окисления веществ, в третьей зоне светящийся эффект не наблюдается.

Схематическое изображение

Для наглядности представляем вашему вниманию изображение горения свечи. Схема пламени включает:

1. Первую или темную область.
2. Вторую светящуюся зону.
3. Третью прозрачную оболочку.

Нить свечи не подвергается горению, а только происходит обугливание загнутого конца.

Горение спиртовки

Для химических экспериментов часто используют небольшие резервуары со спиртом. Их называют спиртовками. Фитиль горелки пропитывается залитым через отверстие жидким топливом. Этому способствует давление капиллярное. При достижении свободной верхушки фитиля, спирт начинает испаряться. В парообразном состоянии он поджигается и горит при температуре не более 900 °C.

Пламя спиртовки имеет обычную форму, оно практически бесцветное, с небольшим оттенком голубого. Его зоны не так четко видны, как у свечки.

У названной в честь ученого Бартеля, начало огня располагается над калильной сеткой горелки. Такое заглубление пламени приводит к уменьшению внутреннего темного конуса, а из отверстия выходит средний участок, который считается самым горячим.

Цветовая характеристика

Излучения различных вызывается электронными переходами. Их еще называют тепловыми. Так, в результате горения углеводородного компонента в воздушной среде, синее пламя обусловлено выделением соединения H-C. А при излучении частичек C-C, факел окрашивается в оранжево-красный цвет.

Трудно рассмотреть строение пламени, химия которого включает соединения воды, углекислого и угарного газа, связь OH. Его языки практически бесцветны, так как вышеуказанные частички при горении выделяют излучения ультрафиолетового и инфракрасного спектра.

Окраска пламени взаимосвязана с температурными показателями, с наличием в нем ионных частиц, которые относятся к определенному эмиссионному или оптическому спектру. Так, горение некоторых элементов приводит к изменению цвета огня в горелке. Отличия в окрашивании факела связаны с расположением элементов в разных группах системы периодической.

Огонь на наличие излучений, относящихся к видимому спектру, изучают спектроскопом. При этом было установлено, что простые вещества из общей подгруппы оказывают и подобное окрашивание пламени. Для наглядности используют горение натрия в качестве теста на данный металл. При внесении его в пламя, языки становятся ярко-желтыми. На основании цветовых характеристик выделяют натриевую линию в эмиссионном спектре.

Для характерно свойство быстрого возбуждения светового излучения атомарных частиц. При внесении труднолетучих соединений таких элементов в огонь горелки Бунзена происходит его окрашивание.

Спектроскопическое исследование показывает характерные линии в области, видимой для глаза человека. Быстрота возбуждения светового излучения и простое спектральное строение тесно взаимосвязаны с высокой электроположительной характеристикой данных металлов.

Характеристика

В основе классификации пламени лежат следующие характеристики:

• состояние агрегатное сгорающих соединений. Они бывают газообразной, аэродисперсной, твердой и жидкой формы;
• тип излучения, которое может быть бесцветным, светящимся и окрашенным;
• распределительная скорость. Существует быстрое и медленное распространение;
• высота пламени. Строение может быть коротким и длинным;
• характер передвижения реагирующих смесей. Выделяют пульсирующее, ламинарное, турбулентное перемещение;
• визуальное восприятие. Вещества горят с выделением коптящего, цветного или прозрачного пламени;
• температурный показатель. Пламя может быть низкотемпературным, холодным и высокотемпературным.
• состояние фазы топливо - окисляющий реагент.

Возгорание происходит в результате диффузии или при предварительном перемешивании активных компонентов.

Окислительная и восстановительная область

Процесс окисления протекает в слабозаметной зоне. Она самая горячая и располагается вверху. В ней топливные частицы подвергаются полному сгоранию. А наличие в кислородного избытка и горючего недостатка приводит к интенсивному процессу окисления. Этой особенностью следует пользоваться при нагревании предметов над горелкой. Именно поэтому вещество погружают в верхнюю часть пламени. Такое горение протекает намного быстрее.

Восстановительные реакции проходят в центральной и нижней части пламени. Здесь содержится большой запас горючих веществ и малое количество O 2 молекул, осуществляющих горение. При внесении в эти области осуществляется отщепление O элемента.

В качестве примера восстановительного пламени используют процесс расщепления железа двухвалентного сульфата. При попадании FeSO 4 в центральную часть факела горелки, происходит вначале его нагревание, а затем разложение на оксид трехвалентного железа, ангидрид и двуокись серы. В данной реакции наблюдается восстановление S с зарядом от +6 до +4.

Сварочное пламя

Данный вид огня образуется в результате сгорания смеси из газа или пара жидкости с кислородом чистого воздуха.

Примером служит формирование пламени кислородно-ацетиленового. В нем выделяют:

• зону ядра;
• среднюю область восстановления;
• факельную крайнюю зону.

Так горят многие газокислородные смеси. Различия в соотношении ацетилена и окислителя приводят к разному типу пламени. Оно может быть нормального, науглероживающего (ацетиленистого) и окислительного строения.

Теоретически процесс неполного сгорания ацетилена в чистом кислороде можно охарактеризовать следующим уравнением: HCCH + O 2 → H 2 + CO +CO (для реакции необходима одна моль O 2) .

Полученный же молекулярный водород и угарный газ реагируют с воздушным кислородом. Конечными продуктами является вода и оксид четырехвалентного углерода. Уравнение выглядит так: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Для этой реакции необходимо 1,5 моля кислорода. При суммировании O 2 получается, что 2,5 моль затрачивается на 1 моль HCCH. А так как на практике трудно найти идеально чистый кислород (часто он имеет небольшое загрязнение примесями), то соотношение O 2 к HCCH будет 1,10 к 1,20.

Когда значение пропорции кислорода к ацетилену меньше 1,10, возникает науглероживающее пламя. Строение его имеет увеличенное ядро, очертания его становятся расплывчатыми. Из такого огня выделяется копоть, вследствие недостатка кислородных молекул.

Если же соотношение газов больше 1,20, то получается окислительное пламя с кислородным избытком. Лишние его молекулы разрушают атомы железа и другие компоненты стальной горелки. В таком пламени ядерная часть становится короткой и имеет заострения.

Температурные показатели

Каждая зона огня свечи или горелки имеет свои значения, обусловленные поступлением кислородным молекул. Температура открытого пламени в разных его частях колеблется от 300 °C до 1600 °C.

Примером служит пламя диффузионное и ламинарное, которое образовано тремя оболочками. Конус его состоит из темного участка с температурой до 360 °C и недостатком окисляющего вещества. Над ним располагается зона свечения. Ее температурный показатель колеблется от 550 до 850 °C, что способствует разложению термическому горючей смеси и ее горению.

Внешняя область едва заметная. В ней температура пламени доходит до 1560 °C, что обусловлено природными характеристиками топливных молекул и быстротой поступления окисляющего вещества. Здесь горение наиболее энергичное.

Вещества воспламеняются при разных температурных условиях. Так, металлический магний горит только при 2210 °С. Для многих твердых веществ температура пламени около 350 °С. Возгорание спичек и керосина возможно при 800 °С, тогда как древесины - от 850 °С до 950 °С.

Сигарета горит пламенем, температура которого варьируется от 690 до 790 °С, а в пропан-бутановой смеси - от 790 °С до 1960 °С. Бензин воспламеняется при 1350 °С. Пламя горения спирта имеет температуру не более 900 °С.