شعله ای در درون اب

[reza-1369]

دید کلی
آیا تا بحال شعله‌ای در درون آب مشاهده نموده‌اید. شاید تصور کنید این کار غیر ممکن باشد، ولی در دنیای شیمی ، این کار عملی است و می‌توان با استفاده از مواد شیمیایی ساده ، شعله‌هایی درون آب ایجاد کرد. برای ایجاد شعله در توی آب ، از فسفر سفید استفاده می‌شود که باید در مجاورت اکسیژن قرار گیرد. حال ببینیم فسفر سفید چه خصوصیاتی دارد که حتی در زیر آب مشتعل می‌گردد.


فسفر
فسفر در طبیعت به حالت آزاد یافت نمی‌شود. سنگ معدن مهم آن فسفات کلسیم است. برای تهیه فسفر ، فسفات کلسیم را با سیلیس و زغال کک در کوره الکتریکی حرارت می‌دهند. مطابق واکنش زیر ، فسفر آزاد می‌شود.


2Ca3(PO4)2 + 6SiO2 + 10C → 6CaSiO3 + 10CO + P4

فسفر به شکل آلوتروپی یافت می‌شود: فسفر سفید ، فسفر سیاه.
فسفر سفید (P4)
فسفر سفید ، جامدی مومی‌شکل است که بلورهای آن از تجمع مولکولهای P4 شده است. اما در حالت بخار ، به صورت مولکولهای مجزا وجود دارد. مولکولهای P4 به صورت چهار وجهی منتظم است و در هر یک از گوشه‌های این چهار وجهی ، یک اتم فسفر وجود دارد که با پیوندهای کووالانسی با سه اتم فسفر دیگر متصل است و از آنجا که زاویه پیوندهای آن ، 60 درجه دارد و همین زاویه که انحراف زیادی از زاویه عادی اوربیتالهای P (90درجه) دارد، موجب می‌شود که پیوند P-P ضعیف و ناپایدار باشد.


از این رو ، فسفر سفید بسیار فعال می‌باشد، یعنی انرژی فعالسازی آن خیلی پایین است و به همین دلیل ، در هوا خود به خود آتش می‌گیرد. بنابراین فسفر سفید را در زیر آب نگهداری می‌کنند تا از تماس با هوا مصون بماند. نیروی بین مولکولی در فسفر سفید از نوع لاندن است.

فسفر سفید در آب حل نمی‌شود، چون مولکول آن غیر قطبی است. ولی در حلالهای غیر قطبی نظیر نفت و دی‌سولفید کربن حل می‌شود. فسفر سفید خاصیت سمی دارد.
فسفر قرمز (Pn)
از حرارت دادن فسفر سفید تا دمای 280 درجه سانتی‌گراد در ظرفهای سربسته (دور از هوا) حاصل می‌شود. سمی و آتشگیر نیست و برخلاف فسفر سفید که جامد مولکولی است، فسفر قرمز جزو جامدهای کووالانسی است و در دی‌سولفید کربن حل نمی‌شود.
فسفر سیاه (Pn)
از حرارت دادن فسفر تا دمای حدود 880 درجه سانتی‌گراد و در فشار بسیار زیاد حاصل می‌شود. فعالیت فسفر سیاه از انواع دیگر فسفر کمتر است و جریان برق را عبور می‌دهد.


نحوه ایجاد شعله در توی آب
برای انجام این کار ، ابتدا باید منبع تهیه اکسیژن داشته باشیم و آن ، عبارت است از یک بالن محتوی کلرات پتاسیم و بی‌اکسید منگنز که با چوپ پنبه سوراخدار به یک لوله باریک شیشه‌ای محدود شده است و این بالن را گرم می‌کنیم تا از واکنش این دو ماده ، گاز اکسیژن متصاعد شده و از لوله خارج گردد.

حال وسایل اصلی برای انجام این آزمایش عبارتند از:


یک گرم فسفر سفید
یک بشر 400 سانتیمتر مکعب
منبع تهیه اکسیژن
تولید شعله
درون بشر ، حدود 200 سانتیمتر مکعب ، آب می‌ریزیم و آن را تا 70 درجه سانتی‌گراد گرم می‌کنیم. سپس قطعات فسفر سفید را داخل آن می‌اندازیم و لوله اکسیژن را در آب فرو می‌بریم، بطوریکه که تا ته بشر فقط چند میلیمتر فاصله داشته باشد. فسفر سفید گرم ، وقتی با اکسیژن تماس پیدا می‌کند بلافاصله مشتعل می‌گردد و شعله‌های زیبایی مرتبا از انتهای لوله اکسیژن خارج شده تا سطح مایع بالا می‌آید و سپس ناپدید می‌گردد.
واکنش‌های انجام یافته
فسفر در اثر حرارت و در مجاورت اکسیژن ، ابتدا اکسید فسفر P4O6 و سپس در اکسیژن در کانی به اکسید فسفر P4O10 مبدل می‌شود که با تولید نور همراه است و این عمل بطور عمده به تبدیل تدریجی P4O6 به P4O10 مربوط است.


P4 + 3O2 → P4O6

P4 + 5O2 → P4O10

و سپس با تاثیر آب بر این اکسیدها ، اسید فسفرو و اسید فسفریک تولید می‌شود و در نتیجه شعله‌ها ناپدید می‌شوند.


اسید فسفرو P4O6 + 6H2O → 4H3PO3

اسید فسفریک P4O10 + 6H2O → 4H3PO4