МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ИЗУЧЕНИЮ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛА ДИСЦИПЛИНЫ И РЕШЕНИЮ ЗАДАЧ

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 15Следующая ⇒

Приступая к изучению курса, необходимо представлять, что горение – основной процесс на пожаре. Знание сути явления, законов горения, механизмов и способов его прекращения необходимы для успешной работы инженера пожарной безопасности в любой области его деятельности.

Сущность процесса горения. Материальный баланс процесса горения. Составление уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе

Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию и сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т.д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность).

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10°С приводит к увеличению её скорости в 2 – 4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

(1)

где n_г., n_о, n_i - стехиометрические коэффициенты при горючем, окислителе и продуктах горения соответственно, N – общее число продуктов горения, ([Г] – горючее вещество, [О] - окислитель, [ПГ] – продукты горения). В технических расчётах принято, чтобы коэффициент при горючем был равен единице, тогда уравнение (1) принимает следующий вид

Коэффициент при окислителе принято обозначать Он, как и коэффициенты при продуктах горения, может быть в этом случае дробным. Чаще всего горение происходит под действием кислорода, содержащегося в воздухе. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. Таким образом, уравнение горения вещества на воздухе принимает вид

где .

Азот, входивший в состав воздуха, учитывается отдельно от остальных продуктов реакции. При записи уравнений материального баланса принимается, что происходит полное сгорание вещества, и элементы, входящие в состав горючего, переходят в наиболее устойчивые оксиды, или другую устойчивую при данных условиях форму. Кислород из состава горючего переходит в состав оксидов – продуктов реакции. При большом содержании кислорода в составе молекулы его вполне может хватить для полного окисления всех остальных элементов. В этом случае внешнего кислорода может не понадобится (т.е. коэффициент при воздухе будет равен нулю) или даже часть кислорода может выделиться в свободном состоянии в виде молекул О₂. Такая ситуация характерна главным образом для разложения взрывчатых веществ.

При большом избытке галогена в составе горючего и нехватке водорода в свободном состоянии в виде молекул X₂ может выделяться и галоген. Под символом X в таблице понимаются элементы-галогены (главная подгруппа VII группы периодической системы), т.е. F, Cl, Br, I. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3,76 объёма азота (79 : 21 = 3,76) или на 1 моль кислорода приходится 3,76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О₂+ 3,76 N₂).

В таблице 16 даны возможные продукты горения.

Таблица 16

Состав горючих и продуктов горения

Элемент в составе горючего	Число атомов элемента в составе горючего	Продукт горения	Коэффициент при продукте горения
C	n_C	CO₂
H	n_H	H₂O (пар)
N	n_N	N₂
P	n_P	P₂O₅
S	n_S	SO₂
X	n_X	HX
O	n_O	-	-

Коэффициент β подсчитывается исходя из состава продуктов горения и состава горючего. При подсчёте коэффициента при воздухе нужно учесть количество атомов кислорода в составе горючего, которые тоже принимают участие в реакции.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

Пример 1: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта С₃ H₈ O на воздухе.

В состав молекулы пропилового спирта входят углерод, водород и кислород, продуктами реакции будут углекислый газ CO₂ и водяной пар H₂ O.

Исходя из формулы горючего, определяем количества продуктов реакции

и .

По количествам продуктов реакции определяем коэффициент при воздухе

Уравнение реакции принимает вид

Пример 2. Составить уравнение реакции горения пентана (С₅Н₁₂) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО₂), пары воды (Н₂О) и азот (N₂) из воздуха:

С₅Н₁₂ + (О₂ + 3,76 N₂) ® CО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пентана 5 атомов, следовательно, в продуктах горения образуется 5 молекул углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пентана 12, следовательно в продуктах горения образуется 6 молекул воды, так как в молекуле Н₂О два атома водорода (12: 2 = 6). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 5 молекулах СО₂ равно 10 (5 × 2 =10); число атомов кислорода в 6 молекулах воды равно 6 (6 × 1 = 6). Всего в правой части получается 16 атомов кислорода, следовательно в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 8 (16 : 2 = 8), т.к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3,76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пентана в воздухе имеет вид:

С₅Н₁₂ + 8 (О₂ + 3,7 N₂) ® 5 CО₂ + 6 Н₂О +8 ×3,76 N₂

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается b. В нашем случае b = 8.

При горении кислородсодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции, а потом уже делить на 2.

Если в состав горючего вещества входит хлор и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения будет выделяться свободный хлор (Cl₂). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения будет выделяться хлороводород (НCl).

Если в состав горючего вещества входит сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO₂, Al₂O₃, SiO₂).

C₂H₅Cl + 3(O₂ + 3,76 N₂) = 2 CO₂ + 2 H₂O + HCl + 3 × 3,76 N₂

C₄H₄S + 6(O₂ + 3,76 N₂) = 4 CO₂ + 2 H₂O + SO₂ + 6 × 3,76 N₂

CH₃NH₂ + 2,25 (O₂ + 3,76 N₂) = CO₂ + 2,5 H₂O + 0,5 N₂ + 2,25 × 3,76 N₂

Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 255; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!