История огненного цветка

Почему же в кислороде горение идет энергичнее, чем в воздухе?

Обладает ли чистый кислород какими-то особыми свойствами, которых нет у кислорода воздуха? Конечно, нет. И в том и в другом случае мы имеем один и тот же кислород, с одинаковыми свойствами. Только в воздухе кислорода содержится в 5 раз меньше, чем в таком же объеме чистого кислорода, и, кроме того, в воздухе кислород перемешан с большими количествами азота, который не только сам не горит, но и не поддерживает горение.

Поэтому, если непосредственно около пламени кислород воздуха уже израсходован, то другой его порции необходимо пробиваться через азот и продукты горения. Следовательно, более энергичное горение в атмосфере кислорода можно объяснить более быстрой подачей его к месту горения.

"получение кислорода. понятие о катализаторах" (методическая разработка урока для 8-го класса)

❶ как добыть кислород

А горит ли сам кислород?

Возьмите цилиндр и опрокиньте его вверх дном. Подведите под цилиндр трубку с водородом. Так как водород легче воздуха, он полностью заполнит цилиндр.

Зажгите водород около открытой части цилиндра и введите в него сквозь пламя стеклянную трубку, через которую вытекает газообразный кислород. Около конца трубки вспыхнет огонь, который будет спокойно гореть внутри цилиндра, наполненного водородом. Это горит не кислород, а водород в присутствии небольшого количества кислорода, выходящего из трубки.

Что же образуется в результате горения водорода? Какой при этом получается окисел?

Водород окисляется до воды. Действительно, на стенках цилиндра постепенно начинают осаждаться капельки конденсированных паров воды. На окисление 2 молекул водорода идет 1 молекула кислорода, и образуются 2 молекулы воды (2Н2 O2 → 2Н2O).

Если кислород вытекает из трубки медленно, он весь сгорает в атмосфере водорода, и опыт проходит спокойно.

Стоит только увеличить подачу кислорода настолько, что он не успеет сгореть полностью, часть его уйдет за пределы пламени, где образуются очаги смеси водорода с кислородом, появятся отдельные мелкие вспышки, похожие на взрывы.

Смесь кислорода с водородом — это гремучий газ. Если поджечь гремучий газ, произойдет сильный взрыв: при соединении кислорода с водородом получается вода и развивается высокая температура. Пары воды и окружающие газы сильно расширяются, создается большое давление, при котором может легко разорваться не только стеклянный цилиндр, но и более прочный сосуд. Поэтому работа с гремучей смесью требует особой осторожности.

Кислород обладает еще одним интересным свойством. Он вступает в соединение с некоторыми элементами, образуя перекисные соединения.

Приведем характерный пример. Водород, как известно, одновалентен, кислород двухвалентен: 2 атома водорода могут соединиться с 1 атомом кислорода. При этом получается вода. Строение молекулы воды обычно изображают Н — О — Н. Если к молекуле воды присоединить еще 1 атом кислорода, то образуется перекись водорода, формула которой Н2O2.

Куда же входит второй атом кислорода в этом соединении и какими связями он удерживается? Второй атом кислорода как бы разрывает связь первого с одним из атомов водорода и становится между ними, образуя при этом соединение Н—О—О—Н. Такое же строение имеет перекись натрия (Na—О—О—Na), перекись бария.

Характерным для перекисных соединений является наличие 2 атомов кислорода, связанных между собой одной валентностью. Поэтому 2 атома водорода, 2 атома натрия или 1 атом бария могут присоединить к себе не 1 атом кислорода с двумя валентностями (—О—), а 2 атома, у которых в результате связи между собой также остается только две свободные валентности (—О—О—).

Перекись водорода можно получить действием разбавленной серной кислоты на перекись натрия (Na2O2) или перекись бария (ВаO2). Удобнее пользоваться перекисью бария, так как при действии на нее серной кислотой образуется нерастворимый осадок сернокислого бария, от которого перекись водорода легко отделить путем фильтрования (ВаO2 H2SO4 → BaSO4 Н2O2).

Перекись водорода, как и озон, — соединение неустойчивое и разлагается на воду и атом кислорода который в момент выделения обладает большой окислительной способностью. При низких температурах и в темноте разложение перекиси водорода идет медленно. А при нагревании и на свету оно происходит значительно быстрее.

Песок, порошок двуокиси марганца, серебра или платины также ускоряют разложение перекиси водорода, а сами при этом остаются без изменения. Вещества, которые только влияют на скорость химической реакции, а сами остаются неизмененными, называются катализаторами.

Если налить немного перекиси водорода в склянку, на дне которой находится катализатор — порошок двуокиси марганца, разложение перекиси водорода пойдет с такой быстротой, что можно будет заметить выделение пузырьков кислорода.

Способностью окислять различные соединения обладает не только газообразный кислород, но и некоторые соединения, в состав которых он входит.

Хорошим окислителем является перекись водорода. Она обесцвечивает различные красители и поэтому применяется в технике для отбеливания шелка, меха и других изделий.

Способность перекиси водорода убивать различные микробы позволяет применять ее как дезинфицирующее средство. Перекись водорода употребляется для промывания ран, полоскания горла и в зубоврачебной практике.

Сильными окислительными свойствами обладает азотная кислота (HNO3). Если в азотную кислоту добавить каплю скипидара, образуется яркая вспышка: углерод и водород, входящие в состав скипидара, бурно окислятся с выделением большого количества тепла.

Бумага и ткани, смоченные азотной кислотой, быстро разрушаются. Органические вещества, из которых сделаны эти материалы, окисляются азотной кислотой и теряют свои свойства. Если смоченную азотной кислотой бумагу или ткань нагреть, процесс окисления ускорится настолько, что может произойти вспышка.

Азотная кислота окисляет не только органические соединения, но и некоторые металлы. Медь при действии на нее концентрированной азотной кислотой окисляется сначала до окиси меди, выделяя из азотной кислоты двуокись азота, а затем окись меди переходит в азотнокислую соль меди.

Не только азотная кислота, но и некоторые ее соли обладают сильными окислительными свойствами.

Азотнокислые соли калия, натрия, кальция и аммония, которые в технике получили название селитры, при нагревании разлагаются, выделяя кислород. При высокой температуре в расплавленной селитре тлеющий уголек сгорает так энергично, что появляется яркобелый свет.

Если же в пробирку с расплавленной селитрой вместе с тлеющим угольком бросить кусочек серы, горение пойдет с такой интенсивностью и температура повысится настолько, что стекло начнет плавиться. Эти свойства селитры давно были известны человеку; он воспользовался этими свойствами для приготовления пороха.

Черный, или дымный, порох приготовляется из селитры, угля и серы. В этой смеси уголь и сера являются горючими материалами. Сгорая, они переходят в газообразный углекислый газ (СO2) и твердый сернистый калий (K2S). Селитра, разлагаясь, выделяет большое количество кислорода и газообразный азот. Выделившийся кислород усиливает горение угля и серы.

В результате горения развивается такая высокая температура, что образовавшиеся газы могли бы расшириться до объема, который в 2000 раз больше объема взятого пороха. Но стенки замкнутого сосуда, где обычно производят сжигание пороха, не позволяют газам легко и свободно расширяться.

Так из калийной селитры, угля и серы образуется смесь, обладающая огромной разрушительной силой.

К соединениям с сильными окислительными свойствами относятся и соли кислородосодержащих кислот хлора. Бертолетова соль при нагревании распадается на хлористый калий и атомарный кислород.

Аммиачная селитра в сельском хозяйстве

Нитрат аммония (аммиачная селитра), пожалуй, является самым известным из видов. Представляет собой гранулы белого цвета. Они иногда имеют желтый или красный оттенок, что говорит о наличии в составе добавок. 

Аммиачная селитра обычно используется для удобрения ржи, пшеницы, вишни, яблони, малины и так далее. Важно при этом, что она не подходит для подкормки бахчевых видов, так как они имеют свойство накапливать нитраты. 

Любовь аграриев этот вид селитры заслужил также благодаря концентрации азота в её составе. Она составляет 33-34% процента, что на порядок выше, чем у других нитратов. 

Гори синим пламенем

Еще один способ повышения экологической чистоты пиротехники — разработка добавок, которые снижают нежелательные выбросы продуктов горения пиротехники в окружающую среду. Первыми кандидатами на замену оказались хлорид меди (компонент синих огней) и соединения бария, придающие пламени зеленую окраску.

Обычно пиротехнические составы, дающие светло-голубое пламя, получают, используя металлическую медь или медьсодержащие вещества в комбинации с источником хлора. Принцип действия составов основан на том, что при высокой температуре хлор реагирует с медью, образуя хлорид меди (I).

Другими способами получить полноценное голубое пламя очень сложно. Тот же Томас Клапотке в сотрудничестве с Джессом Сабатини, работающим в подразделении пиротехнических составов Армии США, смог получить смесь химических веществ без хлора, которая горит светло-голубым пламенем (Angewandte Chemie Int. Ed., 2022, 53, 36, 9665–9668, doi: 10.1002/anie.202205195).

Новая пиротехническая смесь содержит иодид меди (I), который горит почти таким же красивым голубым цветом, как хлорид. Помимо того что CuI экологичнее существующих пиротехнических составов, новый состав дает более чистый цвет, чем традиционные комбинации веществ, которые применяют в пиротехнике.

Джесс Сабатини также обнаружил, что при использовании в фейерверках карбида бора получается такая же зеленая окраска, какую дают применяющиеся сегодня производные бария (Angewandte Chemie Int. Ed., 2022; 50, 20, 4624–4626, doi:10.1002/anie.

202207827). Работа началась с того, что руководство Армии США заказало ему разработку аналога дешевой ручной сигнальной ракеты зеленого пламени M125A1, которая в основном состоит из смеси нитрата бария с поливинилхлоридом. Аналог сигнальной ракеты не должен был содержать бария.

В поисках кандидатов на новый пиротехнический состав без бария и хлора исследователи обратили внимание на бор. Порошок аморфного бора сгорает зеленым пламенем с образованием оксида бора, но это происходит слишком быстро, чтобы применять его в пиротехнических составах.

Исследователи решили провести скрининг «экзотических» производных бора. В ставших уже классикой химических статьях 1950–1960-х годов Сабатини с соавторами обнаружили информацию о том, что карбид бора, крайне химически инертный при комнатной температуре, становится активным при повышенной.

Добавление карбида бора в аморфный бор значительно увеличило время горения пиротехнического состава, но оказалось, что наиболее эффективным временем горения отличается чистый B4C. Эти результаты удивили всех коллег Сабатини по пиротехнике: ведь когда-то именно химическая инертность карбида бора привела к тому, что его не рассматривали как возможный компонент.

Пиротехники XXI века работают и над инициирующими взрывчатыми веществами. Военные и полицейские боеприпасы сегодня содержат довольно много токсичного азида и тринитрорезорцината свинца, инициирующих детонацию. Кроме того, их применяют и в детонаторах, которые используют в ходе горных разработок.

Только в США ежегодно производится около 10 млн тонн таких устройств, из-за этого в окружающую среду попадает около 350 килограммов свинца в год. Такая же проблема и на армейских стрельбищах: концентрация свинца в подобных местах очень высока, он накапливается там десятилетиями, что не способствует здоровью военнослужащих, равно как и гражданского персонала.

Клапотке удалось найти первичное взрывчатое вещество, не содержащее свинца или других опасных для окружающей среды тяжелых металлов (Angewandte Chemie Int. Ed., 2022, 53, 31, 8172–8175, doi: 10.1002/anie.202204790). Единственный металл, присутствующий в новом веществе — 1,1′-динитрамино-5,5′-бистетразоляте калия (K2DNABT), — это калий.

Еще одно направление повышения экологичности фейерверков и пиротехники — замена сгорающего с образованием целого букета вредной хлорорганики полихлорвинила на менее опасные связующие материалы. Возможно, его место займут популярные в настоящее время металлоорганические каркасные структуры (Chemical Communications, 2022, 51, 12185–12188, doi: 10.1039/c5cc04174k).

За века и тысячелетия человек приручил огонь, сделал его управляемым, расцветил «огненный цветок» почти всеми цветами радуги. Сегодня он пытается сделать его менее опасным и для себя, и для окружающей среды. Сложно сказать, как будет эволюционировать химия взрывчатых веществ и пиротехнических составов дальше, одного можно пожелать — чтобы новая пиротехника применялась только для решения мирных задач. Не хотелось бы, чтобы огонь, создавший человеческую цивилизацию и самого человека, послужил ее разрушению.

Еще больше нитрогрупп

Теперь немного об органических взрывчатых соединениях. Еще в XIX веке, выяснив опытным путем, что нитросоединения взрываются тем громче, чем больше в их структуре нитрогрупп, исследователи начали активный поиск органических аналогов. Органические нитросоединения сразу после разработки технологии их получения становились в пиротехнике и взрывчатыми веществами, и окислителями.

Началось все относительно скромно — у тринитротолуола отрицательный кислородный баланс (−74%), и кислорода в нем всего 42,3%. Со временем количество групп –NO2 или –NO3 увеличивалось, и последний рекорд по содержанию кислорода и кислородному балансу для органического соединения был поставлен в 2022 году (Chemical Communications, 2022, 52, 916–918; doi: 10.

1039/c5cc09010e). Исследователи из Мюнхенского технического университета, работающие в группе Томаса Клапотке, сообщили о синтезе исключительно богатого кислородом тетранитратэтана C2H2N4O12. Причем протокол его получения достаточно прост.

Тетранитратэтан не только отличается рекордным содержанием кислорода по сравнению с известными твердыми окислителями (70,1%) — это весьма редкий пример соединения, в котором с одним атомом углерода одновременно связано больше одной нитратогруппы –O–NO2.

Он мог бы стать весьма перспективным окислителем, поскольку его кислородный баланс 40,9%: расчеты эффективности горения ракетных топлив позволяют говорить о том, что смеси топливо / тетранитратэтан эффективнее смеси топливо / перхлорат аммония и многих других.

Но авторы исследования пока еще сомневаются в возможности практического применения своего детища — тетранитратэтан отличается низкой термической устойчивостью, уже при незначительном нагревании разлагается со взрывом, чувствителен к трению и толчкам и может самопроизвольно взорваться.

Калиевая селитра – ценное удобрение

Нитрат калия представляет собой бесцветные кристаллы. Им подкармливают овощи и фрукты, а также применяют в пиротехнике, металлургии, при изготовлении дымного пороха и стекла. Известен также как добавка E252, которая обычно используется в пищевой промышленности при работе с мясом, сыром и рыбой.

Интересно, что еще одним названием нитрата калия считается Индийская селитра. Исторически сложилось, что “местом ее рождения” является аналогичная страна. 

Ценность калиевой селитры, как бы банально это ни звучало, лежит на поверхности – в её составе есть калий. Данный нитрат укрепляет корни растений, увеличивает урожай в несколько раз за счет повышения стойкости к перепадам температур и улучшения питания. Однако его не стоит использовать для удобрения картофеля, редьки, капусты и зелени.

Не стоит забывать, что нитрат калия повышает кислотность грунта.

Неандертальское средство для розжига

Огонь недаром так притягателен для нас: он не только породил человеческую цивилизацию, но, по мнению некоторых палеоантропологов, привел к появлению человека разумного. С того момента, когда наши предки начали жарить пищу на кострах, они стали меньше тратить времени на пережевывание и переваривание сырых продуктов.

Соответственно у них оставалось больше времени и энергии на другие занятия (к примеру, на общение или поиск и обработку орудий). Снизились энергетические затраты на расщепление термически обработанной еды, и организм перенаправил свои ресурсы на другие биохимические процессы — это в конечном счете привело к росту мозга и его дальнейшей эволюции. Так, отчасти благодаря огню, человек стал разумным.

Огонь способствовал и появлению химии. Когда-то первобытные люди поняли, что можно не собирать «огненный цветок» на месте природных пожаров, а разводить его, высекая камушками искры. Чуть позже обнаружили, что, если посыпать на дрова черный порошок, полученный из растертых темных камней, огонь разгорается легче, — при раскопках стоянок неандертальцев археологи нашли куски оксида марганца с повышенным содержанием диоксида марганца, которые явно терли обо что-то.

Сейчас мы знаем, что добавление MnO2 к дровам и сухой лучине снижает температуру воспламенения примерно на 100ºС. Ни про температуру возгорания, ни про диоксид марганца неандертальцы ничего не знали, но, поскольку они все же нашли причинно-следственную связь между обработкой дров порошком пиролюзита и легкостью разведения костра (Scientific Reports, 2022, 6, 22159, doi:10.1038/srep22159), их вполне можно считать первыми химиками-технологами.

Итак, огню нужны топливо и окислитель, а также искра, которую можно получить трением. Тепло вспышки инициирует реакцию горения — взаимодействие топлива с окислителем, и далее экзотермическая реакция идет сама собой. Кажется, что все просто, но детали этого процесса остаются тайной и для современной науки.

О военной мощи и сельском хозяйстве

Проходили столетия, огонь помогал человеку и строить цивилизации, и разрушать их. В какой-то момент (снова методом проб и ошибок) выяснилось, что поддерживать горение может не только кислород воздуха — для получения огненного цветка подойдет и твердый окислитель.

Опять же это произошло задолго до открытия кислорода и кислородной теории горения, равно как и до первых представлений о процессах окисления и восстановления. Китайские алхимики получили горючий состав, в котором топливом служили уголь и сера, а окислителем — селитра.

Воины Поднебесной использовали его в военных кампаниях как зажигательную смесь для снаряжения первых ракет: пугая лошадей, они расстраивали ряды кавалерии противника и наносили вред легкой пехоте. Также они изобрели прототип современного ружья — хо цян, «копье яростного огня».

Европейцы не возились с ручным вооружением: легендарный европейский открыватель пороха, монах Бертольд Шварц (в миру Константин Анклитцен), сразу же изобрел пороховую артиллерию. По легенде, Шварц растирал в ступке куски серы, селитры и древесного угля и получил черный порошок, который взорвался, расколов ступку и выбросив все ее содержимое.

Дальнейшие эксперименты показали, что если сделать ступку побольше и не из керамики, а из бронзы, то она не разрушается, а бросает содержимое на хорошее расстояние. Так на вооружении венецианцев, а потом и других европейских армий появились первые пороховые артиллерийские системы — мортиры, получившие название в честь погибшей ступки Шварца (ступка по-латыни — mortarium).

Изобретение порохового оружия не только перекроило карты Старого и Нового Света (об этом написано столько книг, что только перечисление их названий займет не одну книгу). Важнее, что это породило новый тип химиков-технологов и даже химиков-биотехнологов, занятых делом государственной важности.

Когда мы слышим про биотехнологию, то представляем себе сверкающие реакторы из нержавеющей стали, специалистов в белоснежных халатах, пипетки, шприцы и управляемые компьютерами процессы, протекающие в безукоризненно чистых лабораториях. Вряд ли мы думаем о лопатах, ржавых котлах в человеческий рост, моче и навозе.

Возможно, современных химиков это сравнение покоробит, однако именно с селитрянщиков начиналась спонсируемая государством химическая промышленность. Презираемые нанимателями и дворянством, но хорошо организованные отряды селитрянщиков были ужасом крестьян XVI–XVII веков.

С дозволения короля или парламента они перерывали хлева, конюшни, а иногда и отхожие места, собирая селитру, или нитрат калия KNO3. Селитру получали и в специально организованных для этого ямах, но производить «ассенизацию» уже готовых отхожих мест было проще.

Селитра оказалась самым редким из трех компонентов дымного пороха. В те времена леса занимали большую часть Европы, и в сырье для производства древесного угля недостатка не было. Серу добывали во многих государствах, в том числе и европейских, а вот селитра была завозным товаром, который импортировали в Северную или Западную Европу из Южной Европы и Азии. Одним из основных экспортеров нитрата калия была Индия, отсюда его несколько более позднее название — «индийская селитра».

Зависимость армий от привозного сырья не могла не беспокоить королей и парламенты Франции, Англии и Швеции, поэтому стратегия импортозамещения селитры своими местными источниками вскоре стала одним из приоритетных направлений военно-экономической политики государств Европы.

Оказалось (опять же, скорее всего, случайно), что если прокипятить в большом количестве воды верхний слой почвы стойла, отфильтровать от твердых остатков, а затем добавить к раствору поташ, то из кипящего котла можно выделить белые кристаллы селитры.

Была организована целая сеть селитрянщиков, работа которых регламентировалась соответствующими предписаниями. Единственными их аналитическими инструментами были интуиция и вкусовые сосочки языка. Без сомнения, этим химикам, работавшим на военно-промышленные комплексы различных стран и княжеств эпохи Возрождения, требовались недюжинное умение и опыт.

Хотя разорение амбаров для селитрянщиков было делом весьма прибыльным, крестьяне, чьи постройки подвергались регулярным налетам, не получали никакой компенсации. Чтобы отвадить «химиков с большой дороги», фермеры начали мостить полы в хлевах — твердое напольное покрытие портило лопаты.

Эта практика распространилась широко, но селитра стоила настолько дорого, что в странах, где ее особенно не хватало (в Англии и Швеции), постройка помещений для скота с твердым напольным покрытием была объявлена вне закона. Король Швеции Густав I Васа вообще объявил, что земля в шведских конюшнях и коровниках является собственностью короны.

Переработка продуктов жизнедеятельности крупного рогатого скота в компоненты черного пороха стала чуть менее интенсивной после Великих географических открытий — в Новом Свете нашли залежи нитрата натрия (чилийской селитры). Но все равно изготовление черного пороха оставалось недешевым, и воюющие армии почти всегда испытывали его дефицит.

Так, в мемуарах британцев, противостоявших армиям Наполеона во время его Пиренейских кампаний, можно встретить упоминания о том, что, отбив обоз противника, солдаты даже в крайней степени истощения сначала наполняли пороховницы и набирали порох про запас и лишь затем набрасывались на еду.

С точки зрения сельского хозяйства

Также необходимо помнить, к какому растению вы применяете селитру: ее лучше не использовать с некоторыми ботаническими объектами, поскольку они могут накапливать нитраты. Работать с ней нужно аккуратно: при попадании на побеги или листья растений она может вызвать их ожоги.

У нитрата особые отношения с влажностью. Помещение или тара, в которой хранится сырье, должны быть сухими, иначе селитра будет впитывать воду. 

Использование селитры как удобрения существенно увеличило урожаи по всему миру. Это относится не только к овощам и фруктам, выращенным на дачных участках, но, что важнее – к промышленному сельскому хозяйству, занимающемуся возделыванием зерновых культур.

Однако вырастить их просто, а вот сохранить сложнее. Чтобы ваше зерно долго оставалось хорошего качества, необходимо его сушить.  В этом деле вам помогут конвейерные зерносушилки. Ещё больше полезной информации у нас в каталоге.

Салюты и фейерверки

Сперва «дьявольский порошок» использовали только для штурмов и осад, но потом его начали применять и в мирных целях — для фейерверков. Правда, крайне редко. Во-первых, это все же было чрезмерное расточительство — тратить стратегическое сырье на развлечение горожан и аристократов.

Во-вторых, горящий порох отвратительно пах диоксидом серы, и далеко не все изнеженные аристократы могли выдержать этот запах. В-третьих, пороховые фейерверки были однообразно желтого цвета, поскольку горение пороха не давало достаточной энергии для ионизации металлов, а именно они делают разноцветными современные салюты.

«Развлекательные взрывы» стали разноцветными благодаря работам Луи Бертолле (1748–1822), а бертолетова соль (хлорат калия KClO3) — первый окислитель не нитратной природы, который начали добавлять в пиротехнические составы. Это вещество французский химик впервые получил в 1786 году, пропуская хлор через горячий концентрированный раствор гидроксида калия:

6KOH  3Cl2 → KClO3  5KCl  3H2O. После охлаждения раствора образовался белый осадок (при низких температурах бертолетова соль растворяется в воде гораздо хуже других солей калия). Бертолетова соль при нагревании дает больше кислорода по сравнению с селитрой, поэтому топливо горит интенсивнее и энергии хватает для возбуждения металлов — пламя окрашивается их ионами.

Сейчас, создавая фейерверки, специалисты подбирают такие химические соединения, которые при вспышке дают определенные цвета. Соли бария, например, окрашивают пламя в зеленые цвета, соли меди — в зеленые и голубые, соли натрия — в желтые. Литий дает красные тона, магний — сверкающий белый цвет, а стронций — искрящийся красный.

После работ Бертолле не только фейерверки заиграли новыми красками. Благодаря новым подходам к химии горения ученые получили возможность определять металлы по цвету их пламени (о, эти знакомые со школьной скамьи карминово-красный, малиново-красный и кирпично-красный цвета). Сначала это был простой качественный анализ, а потом — с развитием атомно-адсорбционного анализа — и количественный.

В наши дни бертолетову соль почти не используют в пиротехнических составах по соображениям безопасности — она чересчур реакционноспособна. Смесь бертолетовой соли с серой чрезвычайно чувствительна даже к трению, поэтому в Великобритании ее запретили еще в XIX веке.

С работ Бертолле и появления огневых составов, предназначенных исключительно для «небоевого» использования, появился и термин «пиротехнический состав» — смесь материалов, способных к сгоранию с определенным эффектом при подходящем способе инициирования.

Топливо должно сгорать с большим экзотермическим эффектом, поэтому чаще всего используют простые вещества — металлы (алюминий, хром, магний, марганец, титан) и неметаллы (бор, кремний, сера). Окислителями в большинстве пиротехнических составов служат перхлораты и нитраты (органические и неорганические), реже — хлораты, хроматы и пероксиды.

Свойства селитры

Селитра как товар стала широко использоваться только недавно. Раньше её могли купить исключительно крупные агрокомпании, поскольку она является взрывоопасным веществом. При взаимодействии с некоторыми веществами селитра выделяет азот, кислород и тепло. Далее происходит нагрев газов, увеличение температуры и возгорание.

В наше время приобрести селитру может любой человек.  

К свойствам селитры можно отнести:

• растворимость в воде, 
• разложение при нагревании.

В составе селитры присутствует азот – важный элемент для здорового растения. Однако важно помнить, что как его переизбыток, так и недостаток неблагоприятны для аграриев.

Например, слишком большая концентрация вещества может привести к ухудшению вкусовых качеств плодов, уменьшению их размеров, замедлению роста и развития растения в целом, снижению устойчивости к низким температурам. 

Селитра и аммиачная селитра: разница очевидна?

Для лучшего понимания ситуации приведем пример. Вы заходите в магазин, подходите к продавцу и просите показать вам селитру. Скорее всего, он резонно скажет: “Какую именно? У нас в магазине представлен обширный ассортимент. Например, есть аммиачная, калиевая, кальциевая”.

Это можно объяснить, в первую очередь, химическими формулами веществ. В составе селитры могут присутствовать различные металлы, а в нитрате аммония – катион NH4.

Как показал пример, разница между селитрой и аммиачной селитрой всё же есть. Селитра – общее название удобрения, аммиачная селитра – конкретная его разновидность.

Химический состав селитры: просто о сложном

Селитра представляет собой химическое соединение, состоящее из соли азотной кислоты и щелочного или щелочноземельного металла (либо аммония). 

Это определение весьма трудно воспринимать человеку без химического образования, поэтому давайте попробуем его разобрать. 

Для начала вспомним: что такое соль? Это химическое соединение, которое состоит из металла и кислотного остатка (в нашем случае этоNO3). 

Селитра является нитратом. В ее формуле есть “союз” азота (N) и кислорода (O). 

В состав селитры, которую используют в сельском хозяйстве, могут входить аммоний, а также металлы: барий, калий, магний, кальций и натрий.

В зависимости от того, какой металл находится в химическом соединении, будет варьироваться название селитры. Например, в состав бариевой селитры входит барий, натриевой – натрий и так далее.

Существует 6 видов селитры, самые популярные из них:

• аммиачная селитра, 
• кальциевая селитра, 
• калийная селитра.

Химия взрыва

Современная пиротехника — это не только фейерверки, а еще и автомобильные подушки безопасности, ракетное топливо, сигнальные ракеты военного и гражданского назначения. Конкретная область применения состава диктует необходимость введения добавок, отвечающих либо за увеличение объема продуктов сгорания, либо за особо яркое и окрашенное пламя.

Существуют добавки, которые создают звуковые сигналы (многие помнят шутку из «сборника армейских маразмов» про «сигнал к атаке — три зеленых свистка вверх»; на самом деле ничего особенно смешного командир не сказал), другие дают густой и устойчивый сигнальный дым или дымовую завесу.

Естественно, что при взрыве пиротехнического изделия высвобождается коктейль ядовитых соединений, опасных для человека и для окружающей среды: тяжелые металлы, хлораты и диоксины, аэрозоли дымов, моноксид углерода, оксиды серы (Angewandte Chemie Int. Ed., 2008, 47, 18, 3330–3347, doi: 10.1002/anie.200704510).

Жизнь требует создания новых пиротехнических составов с новыми «спецэффектами», а с другой стороны, они должны быть безопасными для окружающей среды. Именно поэтому сегодня ситуация с химией и пиротехникой изменилась. Если примерно до середины XIX века открытие нового взрывчатого вещества или состава влекло за собой новые открытия в химии и других естественных науках (пиротехника была одним из локомотивов химического прогресса), то сейчас действует обратная причинно-следственная связь.

Очевидно, что один из способов решения экологических проблем — это простая оптимизация горения пиротехники, чтобы не оставалось продуктов неполного сгорания. В идеале при вспышке должны образоваться только вода и диоксид углерода, до которых окислятся органические вещества, входящие в состав пиротехнической смеси, а если топливом служит металл, то также и оксиды металлов (MgO, Al2O3).

Кислородный баланс взрывчатого вещества или пиротехнической смеси положительный, если общего количества связанного кислорода, входящего в его состав, хватает до полного сгорания смеси до углекислого газа, воды и оксидов металлов, и кислород даже остается в избытке, выделяясь в виде простого вещества.

Если же кислорода в составе пиротехники не хватает до образования продуктов полного сгорания, а продукты неполного сгорания догорают в атмосферном кислороде, то кислородный баланс отрицательный. Гипотетически можно предположить и существование нулевого кислородного баланса (весь кислород пиротехнического состава ушел на его полное сгорание, избыточного кислорода не осталось), однако на практике так подгадать вряд ли удастся.

К тому же пиротехнические изделия одной партии могут незначительно отличаться по составу, поскольку не всегда удается добиться равномерного перемешивания окислителя, связующего и топлива. Поэтому производители пиротехники, насколько возможно, стараются выдерживать положительный кислородный баланс.

https://www.youtube.com/watch?v=ycMZDyMxYOw

ОБ, % = (d − 2a − b/2) / M(CaHbNcOd) · 1600.