Развитие интереса к предмету химия через ученический проект "Изучение возможности получения фаербола в условиях школьной лаборатории"

Разделы: Химия

Автор работы:
Волегов Владимир,
учащийся 11-го класса

Руководитель работы:
Сергеева Г.Б.,
учитель химии

ВВЕДЕНИЕ

Проблема

Играя в компьютерную игру «Готика 2. Ночь ворона» я столкнулся с новым для меня явлением «фаербол» - очень эффектным, ярким зрелищем. Что такое фаербол? Встречается ли фаербол в природе? Сразу же возникло желание воспроизвести огненные шары на практике. Насколько опасны эти опыты? Изучая химию на профильном уровне, я усвоил необходимость строгого соблюдения техники безопасности. Эти вопросы стали поводом заняться исследовательской работой.

Цель: изучение материала о фаерболе и возможности безопасного самостоятельного его получения в лабораторных условиях.

Задачи:

  1. Собрать информацию о фаерболе: что такое, его свойства, применение.
  2. Изучить химические процессы в основе этого явления.
  3. Изучить способы получения и применения фаербола.
  4. Изучить возможные риски (опасности) при получении фаербола.
  5. Изучить технику безопасности и возможность получения фаербола.
  6. Создать презентацию о фаерболе.
  7. Провести социологический опрос старшеклассников и учителей.
  8. Получить фаербол.
  9. Афишировать результаты исследования одноклассникам.

Гипотеза. Если подберу методику получения фаербола, по которой будут вещества доступными и эксперимент не опасным, то смогу получить огненные шары в лабораторных условиях.

Объект изучения: явление фаербол.

Предмет изучения: химические процессы при явлении фаербол.

Предполагаемые результаты:

  • Познаю суть явления фаербол.
  • Смогу самостоятельно получить фаербол.
  • Проведу убедительную работу среди одноклассников о запрете воспроизведения опытов с фаерболом вне школьной лаборатории.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Обзор литературных данных

1.1 Понятие фаербол

Фаербол (fireball) в переводе с английского языка означает «огненный шар» [2]. Этим термином изначально описывали природные явления, подпадающие под описание «огненный шар», а именно метеор («вспышка огня»), болид, шаровая молния и похожие явления (Приложение 1).

В настоящее время понятие фаербол используют [11]:

  • в литературе («Огненный факультет» Алекса Коша),
  • в компьютерных играх («Готика 2. Ночь ворона», The Elder Scrolls V: Skyrim);
  • в настольном тактическом варгейме Chainmail (1971 год);
  • в культуре, а именно в музыке (Pitbull feat. John Ryan - Fireball (Original);
  • в названии крепких напитков, например, виски «Fireball»;
  • в названии аккумулятора для автомобиля;
  • в названии сорта цветка зимостойких листопадных рододендронов «Rhododendron 'Fireball'» (Приложение 2).

Самым красочным и завораживающим проявлением явления фаербол является выступление фаерщиков, или по-другому постеров [8].

Фаерщик (постер) (от англ. fire - огонь) - это артист, выступающий в жанре огненного шоу, при этом используя огненный реквизит (Приложение 3). Почему фаерщики занимаются этим делом? Ведь при работе с огнем есть огромный риск навредить себе и окружающим, а именно - это ожоги разной степени, опаленные волосы. Но все же люди занимаются этим, потому что хотят поддерживать свое тело в хорошей форме, улучшают координацию движений. Плюс ко всему, это простор для творчества. «Огненная магия» бесконечна, каждый может придумывать свои собственные элементы или даже реквизит для исполнения трюков. Можно устраивать интересные зрелища, радовать и развлекать других. Вот почему люди идут заниматься фаер-шоу. Существуют специальные школы, где люди обучаются этому [16].

1.2 Виды фаербола

Фаерболы (огненные шары) по происхождению бывают природными и производимыми человеком.

1.2.1 Природные фаерболы

Метео́р (др.-греч. «парящий в воздухе») - явление, возникающее при сгорании в атмосфере Земли метеорных тел (например, осколков комет или астероидов). Слабые метеоры называются падающими звёздами.

Болид - это очень яркий метеор, возникающий при попадании в слои атмосферы космического тела массой от 100 г до нескольких тонн. Оболочка и хвост болида - не что иное, как космическая пыль и ионизированные газы. Болид может быть ярче Луны и даже ярче Солнца. Такие небесные тела могут на несколько секунд обратить ночь в день - настолько ярок след от их движения по небосклону [3]. Протяженная яркая вспышка - это следствие окислительно-восстановительной реакции, попросту горения объекта в плотных слоях тропосферы, где есть достаточно кислорода.

Шаровая молния - это светящийся сферический сгусток электрического тока. Существует много теорий о происхождении и «жизни» шаровых молний [14]. Время от времени в лабораторных условиях ученым получается создать объекты, по виду и свойствам похожие на шаровые молнии - плазмоиды. Тем не менее, стройной картины и логичного объяснения этому явлению никто предоставить так и не смог. Я придерживаюсь теории о том, что шаровая молния это сгусток плазмы.

Плазмоид - плазменный сгусток, ограниченная конфигурация магнитных полей и плазмы. Некоторые исследователи рассматривают частицы микромира как плазмоиды [7]. Плазма (от греч. «вылепленное, оформленное») - это ионизированный газ, одно из четырёх классических агрегатных состояний вещества. Ионизированный газ содержит свободные электроны и положительные и отрицательные ионы. В более широком смысле, плазма может состоять из любых заряженных частиц [6] (Приложение 1).

1.2.2 Фаерболы, производимые человеком.

Фаерщики могут выдувать, выплевывать фаербол, а могут использовать специальный реквизит, для придания пламени определенной формы. Используемое топливо при этом не меняется. В данном исследовании сделан акцент на фаерболе, который фаерщик выплевывает изо рта Такие фаерболы бывают разной формы [4]. Известны:

  • Короткий фаербол - самое простое. Получается из "плевка" топливом резкого короткого выдоха. Получается круглое небольшое горящее облако.
  • Серия коротких фаерболов - на каждый выдох расходуется малое количество топлива, поэтому можно делать без донабора керосина.
  • Струя - длинный «плевок» при котором обычно тратится весь набранный в рот керосин. Выглядит как длинная непрерывная струя пламени. (Приложение 3).

1.3 Топливо для фаербола

Для получения и демонстрации огненных шаров необходимо топливо, которое легко воспламеняется, доступно и менее опасно. Этими качествами обладает керосин - самое популярное топливо в файер шоу.

Керосин осветительный (англ. kerosene фр. kerosine от др.-греч. κηρός - «воск») - горючая смесь жидких углеводородов состава С8-С16 с температурой кипения в интервале 150-250 °C (Приложение 4). Это прозрачная, бесцветная (или слегка желтоватая), слегка маслянистая на ощупь жидкость [10]. Керосин получают путём прямой перегонки или ректификации нефти. Керосин состоит из углеводородов от додекана (C12H26) до гексадекана (C16H34)

Химический состав керосина:

  • С12Н26 додекан
  • С13Н28 тридекан
  • C14H30 тетрадекан
  • C15H32 пентадекан

Бензин так же используют для фаербола - это горючая смесь лёгких углеводородов состава С5-С11 с температурой кипения от +33 до +205 °C (в зависимости от примесей). Это самое опасное топливо для фаербола. Чаще всего во время представлений ожоги получают именно из-за него. Причина, вероятно, в том, что пламя при горении бензина имеет более высокую температуру, а именно 1300-1400 °С [9].

Химический состав бензина:

  • С5Н12 пентан
  • С6Н14 гексан
  • C7H16 гептен
  • C8H18 октан
  • C9H20 нонан
  • C10H22 декан
  • C11H24 монодекан

Керосин авиационный по составу отличается от керосина осветительного только добавками (присадками), которые вводят для придания ему качеств, необходимых для работы самолета. Авиационный керосин получают при прямой перегонке дистиллятных фракций нефти. Готовое вещество состоит из смеси углеводородов, а также кислородных, сернистых и азотных соединений. Вероятно из-за добавок он быстрее и проще вспыхивает и взрывается [1]. Поэтому его практически не применяют для фаербола. (Приложение 4)

Спирт этанол С2Н5ОН - это легковоспламеняющаяся жидкость с температурой пламени 465°С. Используют только для воспламенения, т.к. очень быстро сгорает.

Ацетон по систематической номенклатуре имеет название пропанон-2, относится к классу кетонов, его химическая формула СН3-СО-СН3. Это легковоспламеняющаяся жидкость с температурой пламени 465°С.

Проанализировав данные о топливе для фаербола, была составлена таблица, в которую внесены виды топлива по возрастанию числа атомов углерода в молекулах. (Приложение 5)

Авторская табл. 1 «Топливо для фаербола»

Название топлива

Химический состав

Температура воспламенения

Доступность

Вывод

Спирт

С2H5OH

465°С

доступен

Применяют для небольших опытов, опасен

Ацетон

СН3-СО-СН3

465 ± 10 °С

доступен

Применяют для небольших опытов, опасен

Бензин

С5-С11

1300-1400 °С

доступен

Высокая температура пламени, частые возгорания, самое опасное топливо для фаербола, его не применяют

Керосин осветительный

С12-С16

150-250 °C

доступен

Применяется из-за низкой, по сравнению с другими образцами, температуры воспламенения и относительно безопасен

Керосин авиационный

С12-С16
добавки

300 °С

доступен

Более дорогой из-за добавок. Применяется в профессиональном фаер-шоу

Вывод: в качестве топлива для фаербола используют углеводороды со средним значением числа атомов углерода, что соответствует керосину (Приложение 4).

1.4 Химические реакции при демонстрации фаербола

Горение керосина: каждый компонент смеси сгорает на воздухе с образованием углекислого газа и воды. Продукты сгорания не токсичны, поэтому горение можно проводить в помещении с постоянным притоком свежего воздуха (для полного сгорания) и на улице.

Уравнения химических реакций при горении керосина:

2C12H26 + 37O2 → 24CO2 + 26H2O + Q

C13H28 + 20O2 → 13CO2 + 14H2O + Q

2C14H30 + 48O2 → 28CO2 + 30H2O + Q

C15H32 + 23O2 → 15CO2 + 16H2O + Q

2C16H34 + 49O2 → 32CO2 + 34H2O + Q

Уравнения химических реакций при горении бензина:

4C3H11O2 + 19O2 → 12CO2 + 22H2O.

Уравнение химической реакции горения спирта:

С2Н5ОН + 3О2 → 2СО2 + 3Н2О

Уравнение химической реакции горения ацетона:

C3H6O + 4O2 → 3CO2 + 3H2O

Вывод: все приведенные реакции окислительно-восстановительные, экзотермические. Окислителем является кислород из воздуха, восстановителями - углеводороды из топлива [10].

1.5 Техника безопасности при демонстрации фаербола

Общие требования:

  1. Следить за одеждой и костюмами, они должны быть из натуральных материалов. Лучше всего х/б. Цепи, браслеты и др. украшения настоятельно советуется снять, т.к. они могут посодействовать травмам и ожогам, либо привести к возгоранию при запутывании с горящим реквизитом.
  2. Стряхивать инвентарь перед поджогом во избежание огненных брызг, которые за частую и являются причинами возгорания.
  3. Не поджигать инвентарь возле горючего материала.
  4. В случае, если инвентарь не встряхнули перед поджогом, потушить реквизит х/б тканью, стряхнуть и продолжить крутить. Если это невозможно, подождать 20-30 секунд пока не прогорит верхний слой топлива. (топливо разное бывает, к примеру парафины очень не охотно стряхиваются с девайсов и некоторые из них даже после стряхивания при кручении летят разноцветным дождем в разные стороны).
  5. Следить за тем что происходит вокруг, во избежание столкновений и спутывания инвентаря с другими фаерщиками.
  6. При демонстрации элементов, показываете только те, что ранее отрабатывали.
  7. Площадка для выступления должна быть ровной, не скользкой.
  8. Легковоспламеняющиеся материалы (топливо в частности) хранить в стороне от проводимого опыта, во избежание их возгорания. Допуск посторонних лиц, а так же лиц с открытым огнем должен быть исключен.
  9. Запрещается использовать БЕНЗИН.
  10. Иметь при себе средства для ликвидации случайных возгораний (огнетушитель и плотную ткань) и влажную плотную ткань для тушения загоревшихся товарищей или иных лиц. Для тушения пиротехники - сыпучие не горючие смеси (песок и т.п.). (Пиротехника халатности не любит и ошибок не прощает!) [13].

Требование к реквизиту:

  1. Наличие исправных (проверенных) средств тушения возгораний (огнетушитель, влажная тряпка из натуральных тканей), набор медикаментов для оказания первой медицинской помощи.
  2. Непросроченные медикаменты (мази против ожогов, дезинфекционные средства) и телефон с положительным балансом счета (на случай вызова скорой помощи).
  3. Особое требование - хладнокровность, адекватность, умение думать головой, делать руками, которые должны быть золотыми... [13].

Требование к костюму или одежде:

  1. Прочность и качество.
  2. Натуральные материалы. Они тяжелее загораются при соударении, шанс минимален. Х/б наиболее подходящее и желательно более плотные.
  3. Одежда не должна создавать трудности для работы с огнем. Для фаера более подходящая одежда из кожи.
  4. Костюм не должен быть широким (шаровары, развевающиеся рубашки), не было лишних "складок", "болтающейся мишуры" и тому подобное. Не крутить в джинсах с бахромой (на художественных и не только дырках обычно болтается), она имеет свойство от одного только жара начинать тлеть [13].

Во время выдувания огня

  1. Необходимо учитывать направление ветра, он может снести пламя, и то, где располагаются зрители.
  2. Губы после выдувания вытирать как можно тщательнее.
  3. После выдувания, убедиться, что одежда не пропиталась топливом, тем более если планируется дальше работать с огненным реквизитом [13] (Приложение 8).

2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Изготовление фаербола в лабораторных условиях

Изучив и проанализировав литературные материалы о методике проведения опытов с фаерболами [5], был сделан вывод о невозможности их повторения в лабораторных условиях из-за повышенной опасности [13]. Был осуществлен поиск доступных опытов по методическим пособиям для учителей химии [15]. Найдены описания и проведены опыты с фаерболам - огненными шарами.

2.1.1 Опыт «Выдувание огня»

Ликоподий - сухие споры растения плауна, чрезвычайно легко воспламеняются на воздухе! Сам по себе ликоподий не горит, но вот взвесь его чрезвычайно легко воспламеняется. Химический состав - до 50% жирных масел, глицерин и другие органические вещества (Приложение 7). Если распылять тонкой струйкой ликоподий над источником пламени - образовавшаяся смесь будет гореть. Если выдуть целое облако ликоподия, то наблюдается яркая огненная вспышка.

Внимание! Не повторяйте этот опыт дома! Проводить его можно только в присутствии взрослых.

Оборудование: порошок ликоподия (споры плауна, куплен в аптеке), длинная стеклянная трубочка, спички [14].

Техника безопасности. Огонь выдувать в сторону от зрителей и от объектов, которые могут воспламениться. Подготовлен песок в противопожарных целях. Опыт проводится в присутствии учителя.

Проведение. В стеклянную трубочку набрать ликоподий. К отверстию трубочки на расстоянии 20 см поднести горящую лучину. Резко выдуть ликоподий на горящую лучину. Получается огненное облако.

Результат. Получен эффектный фаерболл в виде огненного облака, который снят на видео. Топливом (сгораемым веществом) являются кислородосодержащие органические соединения, входящие в состав ликоподия, - жирные масла, глицерин (Приложение 6).

2.1.2 Опыт «Несгораемый платок»

Оборудование: платок, ацетон, спички, спиртовка.

Проведение и техника безопасности. Нужно взять ацетон, платок смочить водой отжать его за тем смочить его ацетоном и поджечь, платок держать на расстоянии вытянутой руки подальше от людей и крутить его [14].

Результат. Получен эффектный фаерболл в виде огненной петли. Получилось очень зрелищно и эффектно, но с начало было страшно.

2.1.3 Опыт «Огненное колесо»

Оборудование: карбид кальция(CaC2), вода, колба объёмам 150-200 мл, нитка длинной 1 метр, штатив, тройник.

Техника безопасности: проводить под присмотром взрослых, соблюдать базовую технику безопасности.

Проведение. Круглодонную колбу с длинным горло закрыть пробкой. В пробку вставлен тройник. В колбу наливают 20 мл воды и бросают несколько кусочков CaC2. Колбу быстро закрывают и подвешивают на нитку, выделяющийся ацетилен поджигают. Вращение колбы постепенно усиливается и получается огненное колесо [14]. (Приложение 7)

Результат: опыт не проведен ввиду отсутствия реактива - карбида кальция.Он запланирован на будущее.

ПРОВЕДЕНИЕ И РЕЗУЛЬТАТЫ СОЦИОЛОГИЧЕСКОГО ОПРОСА

В социологическом опросе принимали участие ученики 10 класса МБОУ ОСОШ№1 в количестве 10 человек. Им были заданы вопросы:

  1. Знаете ли вы про явление фаербол?
  2. Где вы могли его видеть?
  3. Опасно ли оно?

На первый вопрос, ответили все, ответы были идентичны, все знают явление фаербол.

На второй вопрос, аналогично, дали все ответ, и результат получился такой, что все опрошенные имеют представление о фаерболе благодаря массовой культуре, а именно компьютерным играм, кинематографу и японской анимации.

На третьи вопрос, все опрошенные дали ответ, а именно то, что явление фаербол опасно.

Вывод. Опрошенные 10-классники знают о явлении фаербол и его опасности. В других классах не было проведено опроса ввиду опасности явления, что бы не заострять и не привлекать внимание к опасным опытам.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе проведенного исследования все поставленные задачи были выполнены.

  1. Собрать информацию о фаерболе: что такое, его свойства, применение.
  2. Собрана информация о фаерболе: что такое, его свойства, применение.
  3. Изучены химические процессы в основе этого явления.
  4. Изучены способы получения и применения фаербола.
  5. Изучены возможные риски (опасности) при получении фаербола.
  6. Изучена техника безопасности и возможность получения фаербола.
  7. 7.Создана презентация о фаерболе.
  8. Проведён социологический опрос старшеклассников и учителей.
  9. Получен фаербол.

При подготовке работы была изучена суть явления фаербол, Подготовлена наглядная презентация. В практической части не было возможности самостоятельно получить разные фаерболы ввиду опасности опытов. Проведена убедительная работа среди одноклассников о запрете воспроизведения опытов с фаерболом.

Гипотеза подтвердилась - в условиях школьной лаборатории можно получить простейшие фаерболы при строгом соблюдении правил техники безопасности. Цель работы достигнута. В будущем планируется проведение опыта «Огненное колесо».

Список использованных источников и литературы

  1. Авиационный керосин https://ammoxx.ru/articles/primenenie-aviatsionnog
  2. Википедия. Фаербол https://ru.wikipedia.org/wiki/Fireball
  3. Горение болида https://ru-cosmos.livejournal.com/995098.html
  4. Как артисты фаер-шоу изумляют публику своими выступлениями
  5. https://zen.yandex.ru/media/specular/kak-artisty-faershou-izumliaiut-publiku-s
  6. Опыт с ликоподием- https://www.youtube.com/watch?v=yCLdeum5cTQ
  7. Плазма. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/Плазма
  8. Плазмоид. Википедия https://ru.wikipedia.org/wiki/Плазмоид
  9. Почему я стад фаерщиком. https://www.iphones.ru/iNotes/591234
  10. Температура пламени https://fireman.club/inseklodepia/plamya/
  11. Топливо для фаер-шоу http://vipfire.ru/index.php/menuaboutfireshow/1
  12. Фаербол https://posmotre.li/Файербол
  13. Фаербол. Что это такое? https://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1160502
  14. Фаер-шоу: с чего начать? https://zen.yandex.ru/media/izzznanka/faersh
  15. Чумаков С.Я. Чудеса без чудес:методическое пособие для учителя/- ПГПИ. Пермь, 1977.-С.73.
  16. Шаровая молния https://ru.wikipedia.org/wiki/Шаровая_молния.
  17. Школа фаерщиков https://www.youtube.com/watch?v=SqZpjiPwFkg&f