Химия и Химики № 4 2013. Опыты с ацетиленом

Обнаружив ошибку на странице, выделите ее и нажмите Ctrl + Enter

Взрыв бутылки с ацетиленом (1.25 л)

В журнале уже описан эксперимент по взрыву ПЭТФ бутылки с ацетиленом [1]. В бутылку на 1 или 1.5 л наливали немного воды, быстро бросали внутрь несколько кусков карбида кальция и закручивали пробку. В результате в бутылке собирался ацетилен под избыточным давлением. После прекращения реакции карбида кальция с водой на бутылку помещали горящую газету - в результате происходил взрыв, который сопровождался образованием огненного облака (причем стенки бутылки разрывало).

Я решил повторить этот эксперимент в немного другом варианте: сделать так, чтобы бутылка взорвалась от давления ацетилена, а выходящий газ загорелся и взорвался от источника пламени, помещенного рядом с бутылкой.

Для этого взял бутылку на 1.25 л, налил в нее миллилитров 100 воды. Внутрь бутылки поместил тонкий полиэтиленовый кулечек так, чтобы отверстие кулька осталось снаружи, а дно было над поверхностью воды. В кулек набросал кусочков карбида кальция, после этого протолкнул кулек в бутылку и быстро закрутил пробку (если просто бросать кусочки карбида по одному в бутылку, то до того, как вы успеете закрыть пробку, будут большие потери ацетилена, т.к. реакция протекает довольно быстро). Рядом поместил на палочке тряпку, пропитанную ундеканом, и поджег ее.

Расчет был следующий: давление ацетилена разорвет бутылку, она взорвется, ацетилен выйдет наружу, частично смешается с воздухом. Ацетилен-воздушная смесь взорвется от пламени.

Подобные эксперименты лучше проводить при слабом освещении (в сумерках). Однако в моем случае на улице светило солнце, более того: на земле лежал снег, который ярко отсвечивал. Но делать было нечего: пришлось снимать в неблагоприятных условиях.

Оказалось, что бутылка не захотела взрываться под давлением ацетилена: карбида кальция я поместил в нее недостаточно. Бутылка заметно раздулась, но на этом дело закончилось. Я положил на бутылку тряпочку, смоченную ундеканом, и поджег ее. Вскоре произошел взрыв с раскатистым звуком, на несколько мгновений образовалось огненное облако. Бутылку разорвало вдоль оси (как и в прошлых экспериментах).

_______________________________________________________________________
¹ См. статью Эксперименты с ацетиленом ч.4: Взрыв ацетилена (пластиковая бутылка) [ссылка]

Смотреть Видео (23 Мб, .avi )

Вспышка ацетилена (бутылка 6 л)

Раньше я проводил опыты по взрыву ацетилена, используя максимум бутылку на полтора литра. Разумеется, уже давно возникла мысль взять ПЭТФ бутылку побольше - литров эдак на шесть. В моем воображении эффект при поджигании такой бутылки напоминал взрыв авиабомбы. То, как это выглядит в действительности, я недавно увидел. Скажу сразу: не всегда реальность похожа на наши ожидания.

В трех случаях, когда поводил эксперименты с бутылками на 1-1.5 л, я брал карбид кальция "на глазок" - без строгого взвешивания. С бутылкой на 6 л так поступать нельзя. Дело в том, что чем больше радиус бутылки, тем меньше она устойчива к высокому давлению (при одинаковой толщине стенок и при одинаковом материале).

Бутылка большего объема имеет больший радиус, но примерно такие же стенки - следовательно, она менее устойчива к давлению. Чтобы она не взорвалась, количество карбида кальция нужно заранее рассчитать. Прикинем в уме. Молярная масса кальция - около 40, углерода - 12, значит молярная масса карбида кальция CaC₂ - около 64 г/моль. Следовательно, 64 г карбида дадут 22.4 л ацетилена [2]. Объем бутылки - 6 л, значит избыточное давление - порядка 3.5-4 атм.

Четыре атмосферы бутылка должна выдержать: таким образом, нам необходимо взять около 64 г карбида кальция. Я взвесил 67 г технического карбида кальция, налил в бутылку примерно 0.5 л воды и пошел в лес [3].

В бутылку поместил кулек и просунул в него кусочки карбида (один из них на силу пролез в горлышко). Кулек столкнул в бутылку и быстро закрутил пробку. Реакция карбида кальция с водой продолжалась несколько минут, бутылка раздулась, это сопровождалось резкими хлопками, но бутылка выдержала.

После окончания выделения ацетилена я поместил на пробку бутылки горящую тряпочку (пропитанную ундеканом) и отошел подальше. Вскоре произошла яркая желтая вспышка, из пробки ударил фонтан пламени высотой 3.5-4 м, но зрелище не впечатляло. Пробка сгорела, сама бутылка сморщилась, но осталась целой. У горлышка бутылки продолжал гореть ацетилен. Я положил бутылку на бок и резко надавил на нее ногой: из бутылки вырвалось красно-желтое сильно коптящее пламя. Вот собственно и все.

Решив, что мне не повезло (прогорела пробка, бутылку не разорвало, и поток ацетилена не успел смешаться с воздухом), я повторил опыт с другой шестилитровой бутылкой и 80 г карбида кальция. Планировал поджечь бутылку сбоку.

В этот раз "пшик" вышел еще до поджигания: часть ацетилена прорвалась через резьбу пробки, но в бутылке все еще оставалось давление, и я прислонил к ней сбоку горящую тряпку с ундеканом. Оболочка бутылки прогорела и произошла вспышка - вот и все. Бутылку отбросило, но взрыва не было: ацетилен загорелся раньше, чем успела образоваться взрывчатая смесь ацетилена с воздухом.

Таким образом, из идеи использовать для взрыва ацетилена шестилитровую бутылку не вышло ничего хорошего. Вывод: больше - не всегда означает лучше.

_______________________________________________________
² Условия, правда, отличаются от нормальных (0°С и 1 атм), но расчет приблизительный, а, кроме того, карбид далеко не о.с.ч. (особой чистоты).

³ Теоретически на реакцию с одним молем карбида кальция нужно 2 моля воды (т.е. всего 36 г), но если воды будет мало, она сильно нагреется или даже закипит.

Смотреть Видео (77 Мб, .avi )

Вспышка смеси ацетилена и воздуха (2 л ацетилена в шестилитровой бутылке)

Ацетилен на воздухе горит коптящим пламенем. Чтобы наблюдать взрыв ацетилена, его нужно смешать с воздухом (а лучше - с кислородом). В прошлом опыте в шестилитровую бутылку налили воду, поместили туда карбид кальция и быстро закрыли пробку. Когда к пластиковой пробке или стенкам бутылки поднесли пламя, пластик прогорел - из бутылки вырвался поток ацетилена. Ацетилен сразу же загорелся - не успев смешаться с воздухом.

Логично было бы поместить в бутылку смесь ацетилена с воздухом, но какое выбрать соотношение газов? Смесь ацетилена и воздуха взрывается в широком интервале концентраций от 2.5 до 80.0% [4]. Я решил выбрать соотношение 33% ацетилена и 67% воздуха (т.е. 1/3 ацетилена и 2/3 воздуха).

Таким образом, на шестилитровую ПЭТФ бутылку нужно 2 л ацетилена. Я решил обойтись максимально простой установкой. Набрал в бутылку воду, закрутил пробку, перевернул и поместил ее в пластиковое ведро с водой. На бутылке заранее нанес метку, которая соответствовала объему 2 л.

Под водой я открыл пробку и поместил в бутылку полипропиленовую пробирку с навеской карбида кальция. Пробирку перевернул и карбид кальция начал активно реагировать с водой. Карбида взял 9.5 г - больше, чем это необходимо для получения 2 л ацетилена, но карбид технический, кроме того, если объем ацетилена превысит необходимый, в бутылку можно будет впустить воздух - реакция прекратится. Карбид израсходовался, когда газ заполнил бутылку практически до метки. Я аккуратно впустил в бутылку воздух и герметично закрутил пробку.

Поджечь такой объем смеси в лаборатории я не решился: потенциально это чревато не только громким взрывом, но и большим количеством копоти (генеральная уборка будет обеспечена). Пошел в лес. На пробку бутылки положил тряпочку с ундеканом, зажег и отошел.

Когда пробка прогорела, огонь проник в бутылку: произошла желтая вспышка со свистом и образованием большого количества копоти. Взрывом это назвать нельзя.

Было абсолютно очевидно, что в смеси слишком много ацетилена. Еще по дороге домой я провел устные расчеты. На 1 моль ацетилена нужно 2.5 моля кислорода (по объему - аналогично).

C₂H₂ + 2.5O₂ = 2CO₂ + H₂O

В воздухе примерно 21% кислорода по объему, для простоты расчета примем, что кислорода 20% (или 1/5). Значит 2.5 объема кислорода содержится в 2.5·5=12.5 объемах воздуха. Концентрация ацетилена в стехиометрической смеси [5] составляет:

1 объем / (1 объем + 12.5 объема) = ...

Не имея калькулятора, прикинул, что это равно 0.07-0.075 (или 7-7.5%). Дома посмотрел по справочнику - оказалось, что стехиометрическая смесь ацетилен-воздух содержит 7.75% ацетилена [4]. Как говорил мой учитель математики: "Из-за дурной головы и рукам горе" - расчеты нужно было проводить ДО эксперимента, а не после.

_______________________________________________________
⁴ Согласно книге Стаскевич Н.Л., Северинец Г.Н. Вигдорчик Д.Я. Справочник по газоснабжению и использованию газа (1990) ссылка.

⁵ Т.е. в смеси с нулевым кислородным балансом.

Смотреть Видео (110 Мб, .avi )