XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование пламени

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Синявский Сергей Викторович 1

---

1МОУ "СОШ №1" г.Магнитогорска

Синявская Елена Вячеславовна 1

---

1МОУ "СОШ №1" г.Магнитогорска

Работа в формате PDF

480.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Однажды на уроке химии, мы проводили эксперимент, нагревали пробирку с жидкостью. Обсудив технику безопасности при работе со спиртовкой, приступили к работе. Учитель нам сказал: «Пробирку нужно держать так, чтобы лишь верхняя часть пламени касалась её». Мне стало интересно, в чем причина этого условия. Объяснение о том, что именно в этом месте пламени находится самая высокая температура, меня не остановили. Возникли новые вопросы…

А если буду держать пробирку ниже при ее нагреве, что тогда? Неужели в разных местах пламени разная температура? А температура пламени спиртовки и пламени на конфорке кухонной плиты одинакова?

И я поставил себе цель: изучить строение пламени и определить зависимость его температуры от природы горящего вещества.

Задачи:

выяснить, что такое горение, какова структура пламени;

установить перечень лабораторного нагревательного оборудования и материалов, используемых в школьной лаборатории, изучить правила работы с ними;

разобрать инструкцию опыта «Изучение строения пламени» и провести эксперимент, направленный на определение зависимости температуры пламени от природы горящего вещества (спирт, парафин, древесина, сухое горючее).

Гипотеза: температура пламени зависит от природы горящего вещества, поэтому пламя разных веществ имеет разную температуру.

Объект исследования: пламя.

Предмет исследования: температура зон пламени.

Методы исследования: изучение и обобщение, анализ, уточнение, эксперимент.

ГЛАВА 1. ПЛАМЯ И ЕГО СТРОЕНИЕ

1.1 Что такое пламя?

Горение — это процесс, в котором сочетаются и физическое, и химическое явление. Излучение света и большого количество тепла – это пример физической составляющей горения. Образование новых веществ, при горении, признак химического явления.

Любое горение веществ образует пламя.

«Пламя — раскаленная газообразная среда, образующаяся при горении и электроразрядах, состоящая в значительной степени из частично ионизированных частиц, в которой происходят химические взаимодействия и физико-химические превращения составных частиц среды (в том числе горючего, окислителя, примесных частиц, продуктов их взаимодействия). Сопровождается интенсивным излучением и выделением тепла». [3]

Как известно, горение поддерживает кислород, поэтому, чем его больше, тем пламя интенсивней.

1.2 Цвет пламени

Пламя может быть разного цвета. Это обуславливается природой горящего вещества. Так, в новостных лентах социальных сетей, зачастую можно встретить ролики, где поджигают разные вещества одновременно и демонстрируют разнообразие оттенков пламени (можно увидеть чуть-ли не все цвета радуги) от красного, до фиолетового цвета.

«Химия в строении пламени играет немалую роль, ведь его различные оттенки происходят от разных химических элементов, которые находятся в горящем топливе. Например, в огне может присутствовать натрий, который входит в состав соли. Когда натрий горит, он излучает яркий желтый свет. Еще в огне может быть кальций – минерал. Например, кальция очень много в молоке. Когда кальций нагревается, он излучает темно-красный свет. А если в огне присутствует такой минерал, как фосфор, он даст зеленоватый цвет. Все эти элементы могут быть как в самом дереве, так и других материалах, попавших в огонь. В конце концов, смешивание всех этих разных цветов в пламени может образовать белый цвет – совсем как радуга цветов, собранных вместе, образует солнечный свет». [4]

1.3 Зоны пламени

Если же посмотреть на процесс горения любого вещества, то можно заметить разные оттенки на разных участках пламени. Это зоны пламени.

Вне зависимости от типа горючего, пламя имеет три зоны (Приложение 1, Рис.1). «Темная зона находится в нижней части пламени (где кислорода практически нет). Это самая холодная зона по сравнению с другими. Темную зону окаймляет самая яркая часть пламени. Температура здесь выше, чем в темной зоне, но наиболее высокая температура – в верхней части пламени» [3].

Каждая зона пламени имеет температурные характеристики. Так темная зона, имеет температуру в переделах от 300 до 350 ᵒС. Самая яркая часть пламени, характеризуется пределами температур от 500 до 800 ᵒС. В верхней части пламени, температура может достигать 1500 ᵒС.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод, что горение — это физико-химический процесс, сопровождающийся образованием пламени. Характеристика пламени (цвет, температура) завит от природы горящего вещества, от компонентов, входящих в состав этого вещества.

ГЛАВА 2. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПЛАМЕНИ В ЛАБОРАТОРИИ

2.1 Лабораторное оборудование и материалы

В школьной лаборатории для проведения различных экспериментов, опытов, требующих нагрева, применяют такое оборудование как спиртовка, газовая горелка, также часто используют сухое горючее.

2.1.1 Спиртовка. Правила работы со спиртовкой

Спиртовка — это лабораторное оборудование, используемое для проведения экспериментов, требующих нагревания. Спиртовка (Приложение 1, Рис.2) состоит из стеклянного резервуара, который заполняют спиртом не более чем на 2/3 её объема. Спиртовка имеет фитиль, который сделан из хлопчатобумажных нитей. Фитиль одним концом погружают в спирт, а другим он удерживается в горлышке резервуара с помощью специальной трубочки с диском. Зажигают спиртовку только с помощью спичек, для этой цели нельзя использовать другую горящую спиртовку, так как при этом может разлиться и вспыхнуть пролитый спирт. Фитиль должен быть ровно обрезан ножницами, в противном случае он начинает обгорать. Чтобы потушить спиртовку, используют стеклянный колпачок, нельзя дуть на пламя. Колпачок также не дает спирту быстро испариться [6].

Существуют правила, требующие соблюдения при работе со спиртовкой:

1) Перед зажиганием спиртовки следует произвести внешний осмотр и удостовериться, что корпус ее исправен, фитиль вытащен на требуемую высоту и достаточно распушен, а горловина и держатель фитиля совершенно сухие. Необходимо приподнять диск, для удаления паров спирта, скопившихся в сосуде.

2) Если спиртом смочены держатель фитиля и горловина спиртовки, почти неизбежно произойдет взрыв паров внутри, следствием чего может быть нарушение целостности корпуса, выброс держателя, растекание спирта и пожар. Поэтому ни в коем случае нельзя зажигать спиртовку с остатками жидкости, а следует выждать некоторое время и дать ей обсохнуть.

3) Фитиль должен плотно входить в направляющую трубу держателя, иначе не исключена возможность вспышки паров внутри спиртовки.
Зажженную спиртовку нельзя переносить с места на место, нельзя также зажигать одну спиртовку непосредственно от другой. Для зажигания спиртовки пользуйтесь спичками.

4) Гасить спиртовку можно только одним способом – накрывать пламя фитиля колпачком. Колпачок должен находиться всегда под рукой. Заполняются спиртовки только этиловым спиртом. В самом крайнем случае можно заливать в спиртовки керосин (но не бензин, не метанол!).

5) В нерабочем состоянии спиртовки хранят в металлических ящиках для ЛВЖ или под тягой (в изолированном от других реактивов отсеке)» [2].

Соблюдение этих правил позволит безопасно провести любую работу, требующую нагревание.

2.1.2 Газовая горелка. Правила работы с газовой горелкой

Газовая горелка, в отличие от спиртовки, в качестве горючего имеет не спирт, а газ (отсюда и ее название). Наиболее часто применяют газовые горелки Бунзена и Теклю (Приложение 1, Рис.3).

Использование этого оборудования удобно, если есть необходимость регулирования размера пламени.

«Зажигать газовую горелку нужно только через одну, две секунды после пуска газа и при небольшом доступе воздуха. Затем следует отрегулировать доступ воздуха так, чтобы пламя стало несветящимся. Если пускать газ в горелку при полном доступе воздуха и зажженную спичку поднести к горелке одновременно с пуском газа, то иногда наблюдается так называемый проскок пламени: газ воспламеняется внутри трубки, тогда как нормально он должен гореть при выходе из верхнего конца трубки» [1].

«Проскок пламени может получиться и в процессе работы. Обычно при проскоке слышится характерный хлопок, пламя делается узким, трубка горелки сильно нагревается и появляется неприятный запах продуктов неполного сгорания светильного газа. «Проскочившее» пламя нужно тотчас же погасить, повернув газовый кран, и вновь зажечь при закрытом поддувале через 1-2с после пуска газа. Если проскок обнаружен не сразу и трубка горелки успела сильно нагреться, надо подождать, пока она охладится, и лишь затем вновь зажечь газ» [1].

Плюсом использования газовых горелок является не только возможность регулировки объема пламени, но и его формы (применение насадки «ласточкин хвост», для получения широкого и плоского пламени). А если говорить о температуре пламени, то также есть преимущества перед спиртовкой: температура пламени выше.

В нашей школьной лаборатории газовых горелок нет.

2.1.3 Сухое горючие. Правила работы с сухим горючим

«Сухое горючее — топливо, также известно в быту под названием «сухой спирт». На самом деле сухое горючее к спиртам не относится. Сухое горючее состоит из уротропина, спрессованного с небольшим количеством парафина. Уротропин был получен в 1859 году русским химиком-органиком Александром Михайловичем Бутлеровым, это азотсодержащее органическое вещество» [5].

Сухое горючее горит бесцветным пламенем, так же, как и спирты. Не коптят и не оставляют золы при горении. Единственный минус сухого горючего — это выделение неприятного запаха при принудительном его тушении.

Для безопасного использования сухого горючего необходимо помнить следующее:

брать небольшое количество;

помещать на металлическую основу;

для зажигания применять спички;

тушить специальным колпачком (металлическим или фарфоровым), при этом работать под тягой, так как при тушении появляется неприятный запах, выделяются токсичные вещества.

Выбор между спиртовкой, газовой горелкой или сухим горючим определяется как потребностью в работе, так и в возможностях лаборатории.

На уроках мы чаще пользуемся спиртовками.

2.2 Правила по нагреванию пробирки

Уроки естествознания у нас проходят в кабинете химии. Когда мы впервые зашли в этот кабинет нам рассказали о технике безопасности, где одним из требований является соблюдение правил согласно инструкциям выполнения конкретной работы.

Что касается вопроса нагревания веществ в пробирке с помощью спиртовки, необходимо помнить:

«1) пробирку при нагревании нужно направить в сторону от себя и рядом находящихся людей;

2) вначале пробирку с раствором нужно прогреть всю, а затем нагревать в нужном месте под углом 45°, не вынимая из пламени;

3) нельзя нагревать пробирку долго в одном месте;

4) нагревать пробирку нужно ниже уровня жидкости в ней;

5) при нагревании жидкости нельзя касаться пробиркой горящего фитиля спиртовки» [3].

Также нужно пробирку держать пробиркодержателем и не брать ее руками после завершения нагрева, чтобы избежать ожогов.

Таким образом, выполняя работу с использованием пламени, нужно знать правила нагрева веществ. Технику безопасности, при работе с оборудованием, поддерживающим горение.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПЛАМЕНИ

Исследование пламени в нашей школе можно провести, используя цифровую лабораторию по химии. В методическом руководстве по работе с комплектом представлен опыт «Изучение строения пламени» и мы решили эту инструкцию взять за основу.

Чтобы определить температуру в разных зонах пламени, необходимо воспользоваться термопарным датчиком температуры.

3.1 Термопарный датчик температуры

«Данный датчик температуры – термопара – позволяет измерять температуру от 0 до 1000 °С, а в ряде случаев – в еще более широком диапазоне. Этим датчиком можно измерять температуру пламени, растворов и расплавов солей и щелочей, расплавов металлов. Используется при изучении строения пламени, определении знака тепловых эффектов реакций, температуры фазовых переходов и начала протекания реакции» [7].

«Чувствительный элемент, находящийся на кончике датчика, представляет собой спай двух металлов (термопару). Принцип действия термопары основан на эффекте Зеебека: если спаи двух разнородных металлов, образующих замкнутую электрическую цепь, имеют неодинаковую температуру, то в цепи протекает электрический ток. Это есть следствие возникновения на спаях электродвижущей силы, зависящая от разности температур. Она называется термоЭДС. Чтобы её измерить, к каждому из металлов термопары приходится припаивать проводники из третьего металла, который ведёт к вольтметру. На контактах возникает своя термоЭДС, и общая ЭДС получившейся системы зависит от разности температур и спаев термопары с третьим проводником, который ещё называют «холодным спаем» («закон промежуточных металлов»). Поэтому в идеале при измерении ЭДС термопары нужно термостатировать её спаи с проводниками, которые ведут к измерительному блоку. На практике этим требованием обычно пренебрегают, программно принимая температуру этих спаев за 20°С (например, спай взяли в тёплую руку, или он нагрелся от исследуемой системы), измеренная температура будет настолько же отличаться от истинной» [7].

«Диапазон рабочих температур составляет от 0 до 1000°C. Разрешение датчика составляет 1°С и даже менее. Показания датчика устанавливаются не более чем за 1 секунду» [7].

Чтобы измерить температуру с помощью этого датчика, его подключают к компьютеру и запускают программу «Химия-практикум». Затем закрепляют датчик в штативе, после этого кончик чувствительного элемента вносят в исследуемую среду. На экране компьютера отражается температура и время. После стабилизации показателей, фиксируется замер.

Проведение эксперимента

Определение зависимости температуры пламени от природы горящего вещества

Для того чтобы определить зависимость температуры пламени от природы горящего вещества мы решили взять спиртовку (спирт), свечу (парафин), лучину (древесина), сухое горючее (уротропин + парафин).

Сначала сделали зарисовку пламени и определились с точками измерения температуры в различных зонах пламени (Приложение 1, Рис.3). Так точку 1 разместили в зоне пламени с самой низкой температурой, точку 2 определили на внешней стороне пламени, но тоже в нижней ее части. Точки 3 и 4 установили в самой яркой части пламени, с высокими температурами. А точку 5 разместили в самой горячей зоне. Приступили к эксперименту (Приложение 1, Рис. 5, 6).

В лапке штатива закрепили термопарный датчик температуры. Загрузили программу «Химия-практикум» и запустили датчик в работу.

Первым для определения температур различных зон пламени была взята парафиновая свеча. Затем исследовали пламя сухого горючего. Следом работали со спиртовкой (результаты представлены в Приложении 2, Табл.1). В последнюю очередь пытались замерить температуру пламени горящей лучины, но, к сожалению, ничего не получилось. Пламя гасло и устойчивого параметра мы так и не добились.

При замерах температур различных зон пламени мы столкнулись с некоторыми трудностями. Пламя колыхалось при незначительном порыве воздуха, долго ждали стабилизацию параметров. Работа велась в защитном лицевом щитке, чтобы своим дыханием не влиять на пламя. Очень расстроились, когда не получилось замерить пламя горящей древесины.

Если провести сравнительный анализ полученных результатов (Приложение 2, Табл.1), то можно сказать, что температуры различных зон пламени действительно определяются природой горящего вещества. Так замеры температур пламени свечи ниже замеров пламени спиртовки и сухого горючего. А вот если сравнивать последние два, то здесь цифры приблизительно одинаковы.

Если говорить о самих температурах трех зон пламени, которые рассматривали в теоретической части исследовательской работы, то можно сказать, что наши результаты приблизительно совпадают. Лишь в зоне пламени с самыми низкими температурами наши цифры превышают значение: теория – от 300 до 350 ᵒС, практика – от 400 до 600 ᵒС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе исследования мы выяснили, что горение это процесс, сопровождающийся выделением большого количества тепла и света. Узнали, что такое пламя и что его цвет зависит от состава горящего вещества. Определили структуру пламени: имеется три зоны, которые отличаются температурой.

Теперь мы знаем все про лабораторное оборудование и материалы, используемые в школе для экспериментов, требующих нагревания. Изучили правила работы со спиртовкой, газовыми горелками, сухим горючим.

Целью исследовательской работы было определить зависимость температуры пламени от природы горящего вещества. Для эксперимента были выбраны такие вещества как спирт (спиртовка), парафин (свеча), сухое горючее и древесина. Исследование пламени проводили, используя цифровую лабораторию по химии, за основу взяли инструкцию опыта «Изучение строения пламени». Измерения делали термопарным датчиком температуры.

Анализируя полученные данные можно сказать, что наша гипотеза подтвердилась: температура пламени разных веществ отличается и зависит от того какое вещество горит.

Также было решено организовать подобную работу на уроке по химии в своем классе. Мною был составлен план работы для экспериментального выявления зон пламени спиртовки. Я провел викторину по технике безопасности при работе в химической лаборатории. Моим одноклассникам очень понравилось исследование пламени.

Исследовательской работой по химии занимаюсь впервые, хочу отметить, что работа с цифровой лабораторией по химии очень заинтересовала.

Список использованных источников

1. Все о лабораторных горелках. [Электронный ресурс] URL: http://www.bst3m.ru/stgr/indexstgr.html (дата обращения 26.09.22г.)

2. Инструкция по охране труда при работе со спиртовками и сухим горючим в кабинете химии. [Электронный ресурс] URL: http://ohrana-tryda.com/node/364(дата обращения 20.09.22г.)

3. Пламя. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Пламя (дата обращения 01.10.22г.)

Пламя: строение и описание. [Электронный ресурс] URL: https://www.syl.ru/article/359344/plamya-stroenie-i-opisanie (дата обращения 25.09.22г.)

Сухое горючее. [Электронный ресурс] URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Сухое_горючее (дата обращения 25.09.22г.)

6. Химия. 8 класс: учебник / О.С. Габриелян. – 3-е изд., перераб. – М.: Дрофа, 2014. – С. 198 - 201

7. Цифровая лаборатория по химии. Методическое руководство по работе с комплектом. / Д.М. Жилин, О.А. Поваляев, С.В. Хоменко – М.: ООО «Типография МАКССПЕЙС», 2013. – 96 с.

Приложение 1

Рис. 1. Строение пламени

Рис. 2. Спиртовка

Рис. 3. Газовые горелки,
а – Бунзена: 1-смеситель; 2-заслонка; 3-трубка для подачи газа;
б – Теклю: 1-смеситель; 2-винт; 3-трубка для подачи газа; 4-кольцо

Рис. 4. Зоны пламени

Рис. 5. Замер температур термопарным датчиком
в различных зонах пламени

Рис. 6. Отображение кривой при определении температуры пламени

Приложение 2

Таблица 1

Сравнительная оценка температур зон пламени горения разных веществ