Hur fungerar kemisk energi i fireworks?

Fyrverkeri-del I. Första, låt oss definiera våra fyrverkeri. Det är en 4", 12 ga stål rör med två separata kammare med undantag för en 1/8" hål mellan dem och det är försedd med fenor och en 2 "lång, 1/4" i.d. bit av slangar, en raket munstycke och en säkring. Båda kamrarna är fyllda med en blandning av fin, torr, kemikalier, men blandas med kemikalier i den övre kammaren är BB-stora klot med flera brandfarliga kemiska beståndsdelar. Den undre kammaren innehåller rätt mängd drivmedel att lansera fyrverkeri över 1000 ft i luften. Detta händer när den upplysta säkringen når de kemikalier, vilka sedan bränna snabbt att framställa rök och heta gaser. Heta gaser och partiklar av rök spännande raket munstycket med hög hastighet är vad orsaka fyrverkeri som skall drivas i luften enligt Newtons tredje lag i rörelse. När fyrverkeri når ungefär 1000 ft, den sista biten av brinnande drivmedel når hålet mellan de två kammarna och antänder torr, pulveriserad kemikalier i den övre kammaren. Denna kemiska blandning reagerar så snabbt att det bara bränner i några sekunder innan den exploderar, och när den gör det, sfärernas heta, fast bränna från syret i luften som de matas ut utåt i alla riktningar.

Kemisk energi. Det sätt som kemisk energi fungerar i fireworks och i nästan alla explosiva ämnen och blandningar är paradoxalt. Detta kommer att förklaras strax, men först: Vad är "kemiska energi?" Var kommer det ifrån och hur det orsaka raketer från NASA eller våra fyrverkeri att lyfta upp i luften och när det gäller våra fyrverkeri, explodera? I vilken typ av energi omvandlas kemisk energi?

Bevarande av energi. Kom ihåg att energi kan inte förstöras eller skapade, det kan bara ändra former, inklusive när materia omvandlas till energi enligt Einsteins berömda ekvation E = m·c2. Frågan är bara omvandlas till energi i en stjärna, en kärnreaktor, i en atombomb eller vid radioaktivt sönderfall. Ingen av dessa saker är involverad med ställa ut en fyrverkeri, men jag tycker det är coolt att föreställa sig att mängden materia plus energi i hela universum idag är exakt samma som det var 13,8 miljarder år sedan direkt efter universum skapades.

Energi i kemiska bindningar. Kemisk energi är en typ av potentiell energi. Det är den energi i samband med kemiska bindningar; framför allt är det den energi som krävs eller befriade när en specifik kemisk bindning är bruten eller bildas. Omfattningen av energin är densamma oavsett om en specifik obligation är bruten eller bildade, men energin är negativt i ett fall och i den andra positiva. Konventionen är att när energi ges av dess värde är negativa, och när energi krävs dess värde är positivt. I nästan samtliga fall energi krävs för att bryta en kemisk bindning och energi frigörs när en kemisk bindning bildas. Men innehåller mest "unstable" föreningar, såsom acetylen, minst en bond som avger energi när den är trasig. Detta beskrivs i nästa stycke. När våra fyrverkeri lyfter sedan exploderar, några av den potential som kemisk energi har förvandlats till kinetisk energi. energi i samband med objektets rörelse. Det är uppenbart fyrverkeri har rörelseenergi som det är i rörelse, men glöm inte bort partiklarna av rök och gaser som matas ut från raket munstycket och metall bitar som kommer att skickas flyger på grund av explosionen. Den kemiska energin också förvandlas till ljus, värme, ljud och potential kinetisk energi som fyrverkeri stiger mot jordens gravitationsfält. Slutligen har produkterna av kemiska reaktioner i våra fyrverkeri kemiska bindningar vilket innebär att en del av den ursprungliga kemiska energin lagras i de kemiska bindningarna av våra blandningar förblir i de kemiska bindningarna av rök och gaser produceras när de kemiska blandningarna reagerade.

Stabila kemiska föreningar. Föreningar som sägs vara "stabil" bo runt under lång tid utan att ändra villkor vid normal temperatur och normalt tryck och utan att underkastas onormala nivåer eller frekvenser av elektromagnetisk strålning. Låt oss titta på vattnet som ett exempel. Vatten är en mycket stabil kemisk förening eftersom den energi som krävs för att bryta av dess två likvärdiga syre-(O-H) Väteförbindelser ligger nära den energi som behövs för att bryta en O-H bond i andra kända föreningar. Antingen O-H bond i vatten kommer bara paus om det absorberar mer energi än släpptes när obligationen bildades, och att mängden energi inte är tillgänglig under normala förhållanden. Obligationerna kan brytas om vattnet värms till en hög nog temperatur, men det kan endast göras om gasformigt vatten är under hårt tryck. En av de enklaste sätten att bryta ner vatten i väte och syre gaser är att passera en elektrisk ström genom den. Saltat vatten är en bra ledare av el. Vätgas och syrgas kan produceras genom att placera två sladdar, en från varje pol av ett batteri i en behållare av saltvatten. När detta är gjort, man kommer att se små bubblor kommer bort av varje tråd och ena sladden kommer att ge bort mer bubblor än den andra. (Vilken gas som produceras i större mängd?) Varning! Försök inte detta experiment om du inte är en vuxen med övervakade laboratorietest erfarenhet med spänning källor. Experimentet är normalt mycket säker, men använder en bil batteri eller försöker använda el från vägguttaget är ytterst farligt och har potential för att orsaka allvarlig skada eller död. Jag har funnit att de rektangulära 9V radio batterierna har den bästa kombinationen av säkerhet och resultat.

Kemisk energi Paradox. Okej, nu vet vi vilken kemisk energi och att det kommer från bryta eller bilda kemiska bindningar, men hur det lyfta upp våra fyrverkeri? Paradoxala är att praktiskt taget varje bond i varje kemisk förening att göra upp båda våra kemiska blandningar i nästan alla fall, inklusive våra fyrverkeri, måste brytas för blandningar att ge tillräckligt med energi för att lyfta våra fyrverkeri och sedan göra det explodera. Men hur kan detta vara när för nästan varje stabil förening energi krävs, inte given av, när kemiska bindningar bryts? Svaret är tvåfaldigt: 1) man måste jämföra den energi och antalet nya kemiska bindningar bildas under en kemisk reaktion med energi och antalet obligationer bruten under reaktionen. Eftersom våra fyrverkeri fungerar och avger energi, måste den energi som avges från antalet nybildade obligationer vara större än den energi som det tog för att bryta alla obligationer. 2) endast en mycket liten del av det totala antalet obligationer som måste brytas krävs innan nya obligationer bildas. Värmen av säkringen är absolut nödvändigt att bryta vissa obligationer i början, men när tillräckligt många nya obligationer bildas, en tillräcklig mängd värme har utvecklats för att upprätthålla reaktionen med gott om värme kvar.

Vår Fyrverkeris kemikalier. Jag vet inte om dig, men jag är redo att skjuta bort våra fyrverkeri! De flesta kemiska reaktioner är oxidation-reduktion reaktioner och att typ av reaktion kommer att användas för att få fyrverkeri i luften och få den att explodera, skicka ut färgade gnistor i varje riktning. För drivmedel beslöt jag att använda samma oxidant och bränsle som NASA används i rymdfärjans fast bränsle raket boosters. Oxidationsmedlet är ammonium perklorat [(NH4)(ClO4)] och bränslet är finfördelat aluminium (Al). Varken reaktionsprodukter eller deras relativa belopp gavs på en NASA hemsida, men jag kunde räkna dem ut och jag är säker på att min balanserade kemiska ekvation är korrekt. Jag kommer inte att dela den balanserade kemiska likställanden i detta forum av säkerhetsskäl. Om du inte är en professionell kemist utbildas om stökiometri, mullvadar, normalisering och exakt vad säkerhetsutrustning att använda, då behaga inte försök att göra eller tända någon typ av drivmedel. Om du är intresserad av raketteknik, har de flesta större städer en klubb. I tid och med rätt kommer utbildning du att kunna säkert förbereda drivmedel och lansera egna raketer. De kemikalier som används för olika drivmedel finns på många webbplatser, även om anskaffning av dem inte skulle bli lätt dessa dagar och vissa är nästan säkert olagligt att inneha. Ingenting jag bifogar här inte kan hittas på många andra platser, och dessutom ser produkterna av reaktionen är en viktig del av svaret på frågan. Obalanserad kemisk ekvationen är:
Al + (NH4)(ClO4)---> Al2O3 + H2O + N2O + Cl2.
Både N2O och Cl2 är starka oxidationsmedel. I den faktiska solid rymdfärjan-raketbränsle reagera dessa två oxidanter med bindemedel används för att göra bränslet en mjuk, plast-liknande material snarare än en lättrinnande pulver. Jag hoppas att du kan se varför reaktionen frigör en massa energi ekvation. Aluminiumoxid är en extremt stabil förening och som sådan en enorm mängd energi frigörs när det bildas. Vatten och lustgas är också mycket stabil, mycket mer så än ammonium perklorat, vilket är mycket reaktiva. Således en betydande mängd energi frigörs när Al-O, O-H, N-O och Cl-Cl obligationer bildas.

Prognoser från en kemisk likställande. Även om det är obalanserad, antyder kemiska ekvationen ovan att Al och ammonium perklorat skulle göra ett utmärkt drivmedel (eller explosiva). Vad det inte ut är reaktionen klassar; Ja det finns datormodeller, men i verkligheten, hur snabbt ett oxidationsmedel och ett bränsle reagerar bestäms empiriskt och det är anledningen till att blanda en kraftfulla oxidationsmedel med bra bränsle är så farligt. Anledningen våra drivmedel är så effektivt är att reaktionen omvandlar två fasta reagenser till tre gasformiga föreningar så att det finns en mycket stor volymökning. Som ger upphov till en stor ökning av trycket som vanligtvis resulterar i en explosion om det inte finns ett utlopp för de gaser som produceras. Ju högre tryck och temperatur, ju högre hastigheten av arten ut från munstycket och desto större den specifika inriktningen, förutsatt att munstycket geometri inte har ändrats. Tack vare den värme som frigörs vid bildandet av reaktionsprodukter, främst aluminium oxid, är vattnet produceras i reaktionen i gasfas. En sista fördel av bränslet är att Al genomsnittlig partikelstorlek kan kontrolleras. Detta gör att förbränningshastigheten av drivmedel till varieras, inom gränserna, och det kan förmodligen göra skillnaden mellan en kemisk blandning som brinner och som exploderar.

Fyrverkeri-del II. Slutligen några meningar om andra kemiska blandningen. Vissa kommersiella fyrverkerier använder relativt små mängder av en högexplosiva (en enda kemisk förening som TNT eller PENTYL) i den explosiva fasen av enheten eftersom ljudet av explosionen är många gånger starkare och det skingrar gnistor längre ut från centrum. Det finns en hel del blandningar som kommer att explodera, men deras burn priser är mycket sena att rangordna dem som "sprängämnen". Den explosiva varan i vår fyrverkeri var en mycket fin pulveriserad blandning av en aktiv metall, ett oxidationsmedel liknar ammonium perklorat och nitrometan som små sfärer av kalcium, aluminium, vismut, magnesium, zink och järn lades till. Ytorna av små sfärer av metaller och vismut skulle få extremt varmt när explosiva pulvret bränns i några sekunder, som mest innan exploderar.

Lanseringen. Fjärde juli kväll, min fru och jag gick ut i landet och in saker i en enorm klippa vete fält. Fyrverkeri släden var en 1/8 "x 5" långa stålprodukter stång svetsade till kanten av en 1/4" tjock bit cirkulär stål som var 8" diameter. Jag satt en lång bit säkring genom den fyrverkeri munstycke tills det var inte mer än 1/2" till drivmedel och lyser det. Vi stod ca 30 varv bort ifall drivmedel brände för fort, men jag var övertygad om att det skulle fungera bra eftersom det var nära samma drivmedel används i rymdfärjans fast bränsle raket boosters.
Cirka två sekunder efter lågan från den upplysta säkringen försvunnit, fyrverkeri röt till liv. Jag trodde att det skulle sitta där på det stålplåt för alltid, bara blåser en mycket rökig, vit varm cirkel av avfyrar en bra tio fot brett, men det faktiskt bara satt i ett par sekunder innan det började stiga, långsamt till en början som howl från raket motorn samlade volym. När enheten steg till toppen av guide spö, det verkligen började att påskynda, och det var ungefär 1100 ft hög när stora tungan av skumma brand försvann. Cirka en sekund senare återuppstod osynliga enheten som en stor och lysande gula eldklot, varav fortkörning bitar av ljus i olika färger dök upp, på väg i alla riktningar. Med hjälp av stoppur funktionen på min telefon, gjorde jag mitt bästa att mäta tiden mellan förekomsten av explosion av ljus och den öronbedövande blast av baryton ljud. Tidsskillnaden var 0.988 sekunder, bekräftar att utbrott av ljud var mycket nästan 1100 ft fjärran. Vilken show. Jag ser fram emot nästa 4 juli!

Varning: Även om de tekniska och vetenskapliga fakta och begrepp presenteras i svaret jag förutsatt här är sanningsenliga och riktiga, är handlingen som presenteras här helt fiktiva. Det var med i mitt svar i ett försök att behålla läsarens intresse och underlätta sin förståelse av fysiska och kemiska informationen behövs för att helt förstå den utförligt svar tillhandahålls.

• Relaterade Frågor

• Hur kan kemisk energi vara en dålig sak?

  Fråga brandkåren! Om kemiska energi frigörs för snabbt kan det vara oerhört farligt. De täta skogsbränderna i Australien och de senaste skogsbränderna i Kalifornien är goda exempel. Kemisk energi är också ansvarig för varje explosion och skytte (utom

• Hur fungerar geotermisk energi?

  HUR DET FUNGERAR1. det kommer från energi som frigörs av radioaktiva ämnen djupt i jorden2. värme värmer upp jordytan3. vatten pumpas ner i röret mot den uppvärmda rock4. vattnet avdunstar och förvandlas till ånga5. ånga går upp en annan pipa i högt

• Hur fungerar magnetisk energi?

  Magnetisk energi är ett energifält som omger en magnet. Magneter innehåller norr och sydpolen som producerar kraftlinjer från Nordpolen till sydpolen.

• Hur den kemiska energi som lagras i ved är bra?

  Det gör värme när trä brinner.

• Hur konvertera kemiska till elektrisk energi?

  Det finns ett antal sätt att detta kan göras, inklusive direkta och indirekta metoder. Det vanligaste sättet är faktiskt en indirekt metod. Detta är hur en mycket stor majoritet av elektricitet produceras i världen. Det görs genom att bränna en kemis

• Hur håller kemisk energi molekyler tillsammans?

  . . . Kemisk energi håller molekyler ihop genom att bilda banden mellan atomer.i form av elektriska obligationer

• Vad är kemisk energi och hur bildas energi?

  Kemisk energi produceras genom reaktioner som uppstår i kemiska föreningar. En kemisk förening är en enkel samling av många atomer som är bundna till varandra. Som banden mellan dessa atomer lossar eller raster, en kemisk reaktion inträffar, och nya

• Hur har den kemiska energi som lagras i minnow ursprungligen kommer från solen?

  Sökvägen till kemisk energi från solen startar när den ljusa energin från solen omvandlas till glukos i en växt genom fotosyntesen. Fisken äter växtmaterial och dess celler utför cellandningen, bryta ner glukos och frigöra den kemiska energin inuti.

• Vad orsakar statisk elektricitet och hur fungerar det?

  Hur fungerar statisk elektricitet? En obalans mellan de negativa och positivaavgifter i objekt. Har du någonsin gick tvärs över rummet till sällskapsdjur din hund, men fick en chock i stället? Kanske du tog din hatt av en torr vinterdag och hade en "

• Hur fungerar jello?

  HUR FUNGERAR JELLOJell-O består av långa, stick-liknande molekyler. När du lös upp den i varmt vatten, de molekylerna separat, men eftersom vätskan kyler, börjar de hålla ihop som en gigantisk hög av strån. Vattnet rinner långsamt genom dessa strån p

• Hur fungerar som med ansvarsförsäkring, om skyldige är underårig?

  Hej tillsammans! För närvarande är jag en FSJ till en skola. Mobil var ute, en tjej tog det och det föll ner tyvärr. Skärmen är inte knäckt, men helt svart, men fungerar fortfarande (tyvärr hela tiden på dörrklockan ringer, men jag ser inga bevis).Li

• Jag skulle vilja göra en online-shop, hur fungerar det?

  Jag skulle sälja min bilder online (små antal, låga pris, inte skattepliktiga), jag gör allt vad måste och observera? Hur fungerar en webbshop alls? Jag har till betala något för din egen sida? Och hur fungerar detta med betalningen om någon vill köp

• Hur fungerar en på planerade omstruktureringsåtgärder, första citat o. första Bank diskussion?

  När en fastighet Renovering, hur fungerar det da bäst? Först ikapp med kostnadsberäkningar och klargöra sedan ner till banken eller finansiering av första och sedan söker hantverkare? För vissa typer av arbete där är också program han KfW bör du inna

• Betala pal. Hur fungerar det om jag är en privat säljare?

  Ha en pay-pal. Konto. Använd det endast som en köpare. Nu har jag så att jag privat vad kommer att sälja och mig frågar en köpare om vi det betala genom pal kan hantera. Hur fungerar det? Hur gör jag att, att han är på min pay pal-konto betalas?

• Hur fungerar det inneboende värdet av en option certifikat?

  Hur fungerar det inneboende värdet av en option certifikat?

• Exakt hur fungerar detta med en aktieportfölj?

  Exakt hur fungerar detta med en aktieportfölj? Sedan dess kommer alla bestånd i, som jag då och jag måste betala avgifter för denna depå? Kan någon berätta för mig hur mycket allt?

• Hur fungerar en rating kreditbeslut?

  Om en kredit begäran och jag har råd med hastigheten, hur fungerar då en rating på kreditbeslut? Tidigare gick det utan, varför behöver vi en alls?

• Överstiga CFD / marginal, hur fungerar det?

  Det är upprepade gånger varnats för att BB´s av marginalen kan överskridas vid handel med CFD. Hur fungerar det? Jag vet att det är så att när den deponerade marginalen används, positionen kommer att stängas.Valfri fråga... Vad är skillnaden mellan s

• Hur fungerar ett företag övertagande?

  Väldigt ofta, förvärv äger rum genom en förändring av ägande, överlämnande till arvingar eller sälja till tredje part. Denna långa eftersom inte varje förvärv planeras, eftersom det kan orsaka plötsliga händelser (död, sjukdom) som ägaren inte ordent