Как работают хлопушки (и немного о химии горения и термодинамике в целом)

Не будьте занудой! Узнайте науку, лежащую в основе хлопушек! Ведь знания — это дар, который остаётся с вами и после того, как осядет конфетти! Так что давайте встретим Новый год разговором об окислительно-восстановительных реакциях, термодинамике, свободной энергии и конфетти! Блог: ⠀http://bit.ly/partypopperscience В этом году у меня нет хлопушек, но пару лет назад были, поэтому фотографии оттуда. Естественно, мне захотелось узнать, как они работают, поэтому я изучил их (в прямом и переносном смысле) и хочу объяснить это и вам. Внутренний конец нити, выходящей из этих хлопушек, обмотан кусочком бумаги, покрашенной небольшим количеством пороха. Когда вы тянете за нить, возникает трение, которое выделяет тепловую энергию, запускающую реакцию детонации, и создаваемое давление выталкивает конфетти. Иногда эти хлопушки называют «шампанскими хлопушками» из-за их формы. Но эта форма не просто для красоты! Вместо этого колоколообразная форма помогает отвести силу удара от вас. Конечно, это возможно только при правильном использовании, поэтому не направляйте их на людей, держите подальше от лица (и особенно от глаз) и т. д. Примечание: Некоторые хлопушки вообще обходятся без взрывчатки и вместо этого используют сжатый воздух и пружинное основание, но я собираюсь обсудить «оригинальные» модели, которые используют порох (иногда называемый «смесью Армстронга»), представляющий собой смесь хлората калия (KClO₃), сульфида сурьмы (Sb₂S₃) и фосфора (P). В результате реакции происходит следующее: 28 KClO₃ (тв.) + 6 Sb₂S₃ (тв.) + 3 P₄ (тв.) → 28 KCl (тв.) + 3 P₄O₁₀ (тв.) + 6 Sb₂O₃ (тв.) + 18 SO₂ (гв.) Это «окислительно-восстановительная реакция», и чтобы понять, что это значит, давайте подробнее рассмотрим эти химические вещества. Химические вещества в хлопушках состоят из атомов, как и все химические вещества, включая воду! (Помните, что «химическое вещество» не означает «плохое»!) Вода — это химическое вещество, состоящее из 2 атомов водорода и одного атома кислорода (следовательно, дигидромоноксид или H₂O). Химические вещества в фейерверках включают такие соединения, как перхлорат калия, KClO₄, который содержит один атом калия, один атом хлора и 4 атома кислорода. Атомы состоят из более мелких частей, называемых субатомными частицами. Существует три основных типа: нейтральные нейтроны и положительно заряженные протоны, находящиеся в плотном центральном ядре, называемом атомным ядром. Вокруг них в облаке вращаются отрицательно заряженные частицы, называемые электронами. Протоны изо всех сил пытаются использовать принцип «противоположные заряды притягиваются», чтобы удержать вращающиеся вокруг них отрицательно заряженные электроны. Но они могут удержать лишь определённое количество. И подобно выгульщику собак, пытающемуся выгуливать слишком много энергичных собак одновременно, наиболее энергичные электроны, валентные электроны, расположенные дальше всего от ядра, с наибольшей вероятностью убегут (или соединятся с другими молекулами). «Окислительно-восстановительные реакции» — это химические реакции, в которых молекулы, называемые восстановителями (редукторами), отдают часть своих отрицательно заряженных электронов (e⁻), а другие молекулы, называемые окислителями (окислителями), забирают их. Чтобы запомнить, что есть что, вспомните нефтяную вышку: окисление — это потеря электронов (e⁻), а восстановление — это приобретение электронов (e⁻). Мы рассмотрели некоторые важные, но «мелкомасштабные» окислительно-восстановительные реакции — например, восстановление и окислительное восстановление дисульфидных связей в ваших волосах при химической завивке http://bit.ly/cysteinecrosslinks или восстановление воды посредством электролиза, создающее градиент заряда, необходимый для гель-электрофореза. http://bit.ly/2XMLMbG Фейерверки также основаны на окислительно-восстановительных реакциях, но с большим выделением свободной энергии (G). Энергия — это способность совершать работу, которая нам, очевидно, необходима для фейерверков! (работа — это, по сути, просто действие, часто определяемое как движение материи — например, толкание предметов, даже в очень-очень малых масштабах). А изменение свободной энергии (ΔG) — это как мера химической «движущей силы». Мне нравится думать о свободной энергии как о своего рода «покупке дивана». Представьте, что вы сидите на диване. Диван не очень удобный; он тесный и жесткий, поэтому вы немного ерзаете, пытаясь устроиться поудобнее. На другом конце комнаты есть более удобный диван, и, оказавшись на нем, вы можете полностью расслабиться и перестать ерзать. Аааа… НО чтобы добраться до удобного дивана, вам нужно преодолеть свою лень и встать с первого дивана. Стоит ли это того, зависит от того, насколько удобнее второй диван, а это, в свою очередь, зависит от того, насколько меньше вы будете ерзать на нем и насколько свободно сможете развернуться. Аналогично, произойдет ли реакция СПОНТАННО, зависит от того, обладают ли продукты большей или меньшей «свободной энергией», чем реагенты. Мы мож...