Ohnivé koule a střed naší planety
4. 4. 2009
Francie, země skvělého vína, jídla – a petangu. Během cesty do jakéhokoli francouzského města naleznete skupinu mužů, kteří se oddávají této hře. Srážky kovových koulí však vytvářejí podivuhodně vysoké množství tepla. Pomocí chytré chemie zvýšíme toto množství na ještě vyšší hladinu. Vydejme se na dobrodružnou cestu s Michaelem, který začne fyzikou házení koulí a bude pokračovat až do středu naší planety. A jako suvenýr vám ukáže, jak si vyrobit váš vlastní kousek roztaveného zemského jádra. Vive la Port!
Francie, země skvělého vína a jídla, romantiky – a petangu. Během cesty do jakéhokoli francouzského města naleznete skupiny mužů, kteří se oddávají této hře. Při srážkách kovových koulí však vzniká podivuhodně vysoké množství tepla.
Michael: A bonjour. With every collision momentum is passed from the thrown ball to the stationary one. This transfer of energy however is however not completely efficient.
Dobrý den. Při každé srážce předává pohybující se koule té stojící svou hybnost. Toto předávání energie mezi koulemi však není úplně dokonalé.
Filip: Část kinetické energie se při srážce “ztratí” v podobě zvuku… a tepla.
Michael: Když se srazí tyto dvě ocelové koule, vznikne překvapivě mnoho tepla – stovky stupňů Celsia.
And, although this heat energy is normally invisible, we can see it by placing a piece of paper between our two balls.
A přestože tato tepelná energie je běžně neviditelná, uvidíme ji tak, že mezi naše dvě koule vložíme kus papíru.
Filip: Počkej, Michaele, zadrž. Nechci obětovat své koule na oltář vědy. Tady si vezmi tyhle starý, petangový – po babičce.
Michael: Dobře…
Filip: Vidíme … a taky cítíme, že tepelná energie, vyvolaná při srážce, vypálila do našeho papírku dírky.
Michael: Víme, že zápalná teplota papíru je 233 °C.
Filip: A z tohoto jednoduchého pokusu tedy můžeme usoudit, že teplo, vyvolané při srážce, dává tuto nebo i vyšší teplotu.
Tento princip můžeme rozvinout pomocí šikovné chemie a dosáhnout ne pár stovek, ale neuvěřitelných 2 500 stupňů Celsia! Michael musí vyměnit své lesklé ocelové koule za kus staré rezavé oceli. A Filip zatím hledá zdroj hliníku. Vhodným a levným zdrojem je alobal – hliníková fólie. A nezapomeňte na bezpečnostní brýle.
Michael: Za přítomnosti vody železo reaguje s kyslíkem a vzniká oxid železitý …
Filip: … neboli hezky česky – rez.
Michael: Jeho chemický vzorec je Fe2O3.
Filip: A co babiččiny koule? Spokojený?
Michael: The ball we’re going to wrap with aluminum foil. Aluminum loves oxygen…
Ale opravdu ho miluje. Strašně.
Kouli obalíme hliníkovou fólií. Hliník miluje kyslík.
It loves oxygen so much that it is able of ripping out the atoms of oxygen from rust to form aluminium oxide and reduce iron to its elemental state.
Miluje jej natolik, že je schopen odtrhnout atomy kyslíku od rzi a vytvořit oxid hlinitý. A železo nechat v jeho čisté základní formě.
Filip: Ale tato reakce nenastane samovolně. Abychom ji spustili, potřebujeme nějakou spouštěcí energii. Je to jednoduché. Stačí, když o naši kouli v hliníkové fólii udeříme nějakou zrezivělou železnou tyčí nebo skobou … Michaele, … ty jsi šikovnější …
Michael: Počkej, radši sám…
Jiskry, které vidíte čtyřicetkrát zpomalené, jsou stopy této reakce.
Filip: Tato reakce vyvolá teplo o několika stovkách stupňů Celsia. To stačí k tomu, aby se naše reakce rozběhla.
Michael: The chemical reaction of aluminium with iron oxide releases huge amounts of energy and radiates visible and UV light and generates heat of up to 2,500 degrees Celsius!
Při chemické reakci hliníku s oxidem železitým se uvolňuje ohromné množství energie, která vyzařuje viditelné i ultrafialové světlo a také teplo 2 500 stupňů Celsia.
Filip: Ale pozor! My vám teď ukážeme tutéž reakci, ale ve velkém…
Rozbíhá se příprava na velký pokus. Michael nejprve musí spočítat, v jakém poměru bude v tavicí směsi zastoupen oxid železitý – prášek s temně červenohnědou barvou – a místo alobalu práškový hliník, to je světle šedá hromádka na druhém talíři. Filip mezitím připravuje tavicí nádobku. Je to větší a menší květináč z pálené hlíny. Mezi ně se vkládá kus papíru, který zabrání vysypání prášků před tavením. Otvůrky uprostřed dna bude kapat tavenina ven. Potřebnou zápalnou teplotu dodá reakci obyčejná prskavka, kterou zarazíme do prášku tak, aby trčela spodním otvorem ven. Pod tavicí nádobky se umístí nádoba s pískem. Sem budeme zachycovat roztavené železo. A jdeme na to. Tedy – jdeme ven.
Filip: Pozor! Nezapomeňte, že se jedná o vysokoteplotní reakci – na rozdíl do našeho současného počasí. Michael je zkušený, ten si to může dovolit. Ale vy to doma rozhodně nezkoušejte. Nezapomeňte, že tady bude dva a půl tisíce stupňů!
Michael: A dva a půl tisíce stupňů je dost na to, že se výsledné látky reakce roztavily. Když se budete dobře a pozorně dívat, uvidíte, jak z květináče kape roztavené železo.
Zápalná prskavka hoří. Zbývají poslední sekundy. Zapaluje se samotná směs. V květináčích je teď teplota asi dva a půl tisíce stupňů. Dolů skapává roztavené železo. Před námi je tekuté železo. Tak nějak vypadá i vnější jádro naší planety - 2900 kilometrů pod povrchem. Je v tekutém stavu a obklopuje vnitřní jádro, které i při tak vysokých teplotách je pravděpodobně v pevném stavu.
Michael: The reaction of aluminium with iron oxide is called the thermic reaction.
Reakci hliníku s oxidem železitým s hliníkem říkáme termická.
Filip: Termickou reakci objevil v roce 1893 německý chemik Hans Goldschmidt. Záhy našla spoustu praktických využití.
Michael: The first commercial application of the thermic reaction was in 1899 in Essen, Germany, where they used it to weld together tram line tracks.
První komerční využití termické reakce bylo roku 1899 v německém Essenu. Použili ji ke svažování tramvajových kolejnic.
Filip: Dopravní podnik hlavního města Prahy používá při opravách kolejnic svařování pomocí elektrického oblouku. Je to operativním, rychlé, mobilní.
Michael: The thermic reaction is still used today however to weld together train tracks.
Termická reakce se přesto používá i dnes pro svařování kolejnic na železničních tratích.
Filip: Bacha, bacha…
Michael: Je to čistý, tak pojď…
Filip: Při dnešní sabotážní akci musíme zneškodnit nepřátelské tanky a letadla, ale bez hlučných výbuchů.
Michael: Tak pojď… A proto jsme zvolili termit, který při své reakci uvolňuje ohromné množství energie, ale zcela tiše…
Filip: Dávej bacha… Taky mu nevadí vlhko, takže dnešní počasí je úplně ideální. Dělej…
Michael: Dělej…
Michael: V jednoduchosti je krása. To platí i v chemii a v dnešním pokusu. Vždyť stačí tak málo, aby kyslík změnil svého pána.
Filip: Přechod kyslíku z železa na hliník nám dnes umožnil nejenom pohled blíž k zemskému jádru, ale také podívat se do naší nedávné historie.
Autoři: Vladimír Kunz, Michael Londesborough