1. Об’єкт уваги і структура курсу тРтаПг.
Курс “Теорія розвитку та припинення горіння”. складається з шести розділів.
Перші три присвячено вивченню горіння як такого. Закономірностям його виникнення і розвитку.
Четвертий розділ містить відомості про будову горючих речовин, їх класифікацію і зв’язок будови речовин з їх властивостями. Властивостями взагалі і властивостями з точки зору пожежної небезпеки. Тобто, це в-основному органічна хімія.
П’ятий розділ - то вже горіння, яке реалізувалося в пожежі. Розвиток пожежі, параметри, особливості протікання в залежності від умов.
I в шостому, останньому розділі розбираються механізми запобігання горінню та припинення горіння, тобто механізми, на яких базуються способи гасіння пожеж.
Об’єкт уваги загальної хімії: по-перше, будова усіх існуючих речовин; по-друге, усі фізичні і хімічні властивості цих речовин; і останнє, усі процеси, які відбуваються при взаємодії між речовинами.
Курс “Теорія розвитку та припинення горіння” за об’єкт своєї уваги бере будову тільки тих речовин, які здатні горіти. Або підтримувати горіння. Властивості речовин теж вивчаються тільки під кутом зору здатності горіти. Тобто, основною властивістю вважається ступінь пожежонебезпечності. Ну і з процесів взаємодії між речовинами цікавить в-основному лише один - процес окиснення. Власне навіть не весь процес окиснення, а тільки той його різновид, який називається горінням.
Як основу, як базу ТРтаПГ використовує той багаж, що накопичили фундаментальні науки: математика, фізика й, найбільшою мірою, хімія. Загальна хімія, органічна, фізична, хімічна термодинаміка.
У свою чергу “Теорія розвитку і припинення горіння” являється основою, науковим підґрунтям для таких курсів як “Пожежна тактика”, “Пожежна техніка” і “Пожежна профілактика” в усіх її напрямках: в технологічних процесах, в будівництві, в електроустаткуванні і інш.
Поняття про пожежу і горіння.
Пожежею називається неконтрольоване горіння, що відбувається зовні спеціального пристрою та призводить до матеріальних збитків.
Горіння - це екзотермічна реакція окиснення речовини, яка супроводжується виникненням полум’я і свіченням та (або) виділенням диму.
Висновок
Пожежа - це насамперед горіння, а горіння - це екзотермічна хімічна реакція взаємодії між речовинами
Простою називається речовина, що складається з атомів тільки одного виду.
Прости и складнаречовини
До яких речовин відносяться: кисень, азот, вода, графіт, кухонна сіль, алмаз, пісок - діоксид кремнію?
Складна речовина обов’язково складається з молекул.
Просту - може бути побудовано з молекул, а може - і безпосередньо з атомів.Наприклад, алмаз - це структура з атомів вуглецю. А кисень - газ, який складається з молекул О2.
Молекула - це найменша частинка речовини, яка має всі хімічні властивості цієї речовини.
Атом - це найменша частинка елементу, яка має його хімічні властивості.
Атоми побудовано з ще менших частинок, які називають елементарними. Найголовніші з них: протон, електрон і нейтрон.
Протон має масу в 1 вуглецеву одиницю і заряд, що прийнятий рівним + 1.
Електрон має дуже малу масу, в 1837 разів меншу за масу протона. Заряд же в електрона за величиною такий же як і в протона, але протилежний за знаком, тобто (-1).
Нейтрон. Нейтрон - нейтральний. Тобто заряду не має ніякого. А масу має. Точно таку, як і протон - одну вуглецеву одиницю (атомну одиницю масу).
Вуглецева одиниця (атомна одиниця маси) - це 1/12 маси атома карбону, найбільш поширеного його ізотопу.
Одна вуглецева одиниця - це 1,67х10-24 грама. Значить протон має масу 1,67х10-24 г. Нейтрон має таку ж саму масу. А електрон? В 1840 разів меншу, 9,106х10-28 г.
Протони і нейтрони, разом з деякими, ще меншими, частинками складають ядро будь-якого атома. Виняток - атом гідрогену, в складі ядра якого нейтронів немає.
Валентність
Хімічна термодинаміка оперує поняттям “моль”. Моль - це маса речовини в грамах, що чисельно дорівнює відповідно молекулярній або атомній масі речовини.
Може бути моль оксигену, О2, його маса дорівнюватиме 32 г.; моль карбону, С, маса 12 г., моль води, Н2О, 18 г.
Кілограм-молем називають масу речовини в кілограмах, що чисельно дорівнює відповідно атомній або молекулярній масі речовини.
В кожній кг-молекулі 6,02х1026атомів або молекул. Число Авогадро.
Закон Авогадро: “При однакових умовах однакова кількість кг-молів кожного газу займає однаковий об’єм”. За нормальних умов об’єм 1 кг-молю дорівнює 22,4 м3.
Нормальні умови: температура в 0оС і тиск в 1атм, тобто в 760 мм рт. ст., або в 101,3 кПа.
Валентність елементу - це здатність його атомів з’єднуватись з іншими атомами в певних співвідношеннях.
За одиницю валентності прийнято валентність гідрогену
Складні речовини поділяють на неорганічні та органічні.
Органічними прийнято називати сполуки карбону, за винятком найпростіших з них (СО, СО2, Н2СО3, карбіди). По-перше, це чисті прості речовини (водень, кисень, хлор, графіт і інші). Деякі з них можуть становити пожежо- та вибухонебезпечність.
По-друге, чисті складні неорганічні речовини, з яких небагато речовин, що небезпечні безпосередньо (таких як графіт), але достатня кількість тих, що здатні підтримувати горіння (КМпО4, NaNO3, Н2О2 і т. п.).
По-третє, чисті органічні речовини (гексан, метан, бензол, ацетон і безліч інших). Це те, що становить основну небезпеку і, зрозуміло, є об’єктом нашої підвищеної уваги; зокрема при розробці учбових завдань.
Четверта група - суміші речовин. Це матеріали, які не мають певної хімічної формули і для яких визначають їх кількісний хімічний склад, по елементах: скільки там карбону, гідрогену, нітрогену, сульфуру і т. ін. Саме такими є найбільш поширені горючі речовини - деревина, тканина, папір, полімерні композиції.
Хімічні зв’язки між атомами забезпечуються електронами зовнішніх орбіт атомів. Хімічна реакція відображає процеси обміну електронів. Горіння є різновидом хімічної реакції окиснення - відновлення. В реальній пожежі окисником виступає кисень повітря, відновником - здебільшого органічна речовина.
Структура полум’я; горючість речовин.
Якщо компоненти горючої суміші поступають в зону горіння порівняно спокійно, то процес горіння буде ламінарним (від латинського lamina - шар).
Якщо ж перетин потоку i швидкість великі, шари потоку перемішуються i горіння буде менш організованим, турбулентним (від латинського turbulence - вихор).
Межею турбулізації потоку вважається критичне значення спеціального критерію - критерію Рейнольдса (Re). Критичним вважається значення Re=2300. Коли Re менший за 2300 - течія ламінарна i горiння ламінарне. Від 2300 до 10000 течія i горiння слаботурбулентні - шари потоку перед зоною горiння будуть перемішуватися, але не повністю: чим більший Re - тим краще перемішування.
Колір полум'я залежить від двох речей. Від природи речовини, що горить, i від умов спалювання, в першу чергу від кількості кисню, що подається.
Якщо кисню мало, полум'я буде яскраво-червоним.
Якщо зовсім мало, то, крім цього, карбон буде виділятися у вигляді вуглецю, сажі. Речовини, що дуже багаті на карбон, горять яскравим червоним полум'ям з великою кількістю кіптяви.
В залежності від перетину потоку горючих парів та газів і швидкості цього потоку полум’я може бути ламінарним або турбулентним. Ламінарне полум’я складається із зони горіння і зони парів. Світіння полум’я залежить від природи речовини, що горить, і від кількості повітря, що подається. Горючість речовин теж залежить від їх природи (від їх складу): чим більше в речовині горючих елементів (карбону, гідрогену, сульфуру) і чим менше окисників (оксигену, хлору, флюору, брому) тим більше вона горюча. Найвища температура полум’я спостерігається в його середній частині.
. Витрати повітря на горіння речовин
Мінімальна кількість повітря, що потрібна для повного згоряння одиниці маси або одиниці об'єму горючої речовини, називається теоретично необхідною i позначається Vп0.
Надлишок записують через коефіцієнт надлишку , який вказує в скільки разів повітря в наявності більше, ніж теоретично необхідно.
Продукти згоряння. Дим.
В умовах пожежі горючі речовини в-основному перетворюються в газоподібні: в СО2, Н2О, SO2 і таке інше. В суміші , що розлітається від пожежі, є і азот повітря. Кисень витратився, а азот лишився.
Продуктами горіння називають газоподібні, рідкі та тверді речовини, що утворюються внаслідок з’єднання горючої речовини з повітрям в процесі горіння.
Тверді і рідкі продукти згоряння утворюються в дрібнодисперсному стані і піднімаються вгору разом з газоподібними у вигляді диму.
Згідно ДСТУ, дим - це видима суспензія твердих та (або) рідких часток в газах, що утворюються в результаті горіння або піролізу матеріалів.
Дим являє собою дисперсну систему, що складається з дуже дрібних частинок, які розподілені в суміші продуктів горіння з повітрям. Діаметр частинок диму коливається в межах від 1 до 0,01 мм.
При розрахунках умовно продукти горіння ділять на сухі та вологі.
Вологими називають продукти горіння, кількість яких розраховують разом з водяною парою.
Якщо ж вміст води в розрахункові формули не входить, продукти горіння називають сухими.
Приклад.
Маємо ацетон. Згоряє 29 кг цієї речовини при температурі 1000 К і тиску 760 мм рт ст . Треба вирахувати об’єм продуктів згоряння при цих умовах і відсотковий склад цих продуктів.
СН3СОСН3
29 кг Записуємо умову задачі.
1000 К
760 мм рт ст.. Визначаємо масу кілограм-молекули
______ даної речовини М = 3х12+6х1+1х66=58 кг.
V1п.г. = ?
% = ? Пишемо рівняння реакції горіння.
С3Н6О + 4(О2+3,76 N2) = 3CO2 + 3H2O + 15,04N2
Загальне число кілограм-молів продуктів горіння
ni = = 3 + 3 + 15,04 = 21,04
Далі треба визначити об’єм одного кг-молю газу при даних умовах за формулою:
= 82,1 м3
Потім помножити цей об’єм на одержану суму кг-молів, одночасно складаючи пропорцію:
При згорянні 58 кг виділяється 82,1х21,04 м3
горючої речовини продуктів горіння
При згорянні 29 кг виділиться V1п.г. про-
горючої речовини дуктів горіння
V1п.г.: 29 = 82,1х21,04 : 58
Закони термохімії. Теплота утворення і теплота згоряння речовин.
Реакції, при яких енергія виділяється, називаються екзотермічними (екзо - назовні).
Реакції, при яких енергія поглинається, називаються ендотермічними (ендо - всередину ).
Виділяється енергія в тому випадку, коли на розрив старих зв'язків її витрачається менше, ніж виділяється при утворенні нових. Саме такими є реакції окислення, ті реакції, що спричиняють горіння і пожежу.
Теплотою утворення даної сполуки називається кількість теплоти, що виділяється при утворенні одного молю складної сполуки з простих речовин
Теплоти утворення найбільш стійких за нормальних умов простих речовин прийняті рівними нулю.
Нулю дорівнює теплота утворення Н2. Нулю дорівнює теплота утворення 02: (Нутв) = 0 ; (Нутв) = 0.
Закон І. І. Геса.
Закон констатує. Тепловий ефект хімічної реакції не залежить від характеру і послідовності окремих її стадій і визначається лише початковими та кінцевими продуктами реакції та їх фізичним станом.Звідси випливає.
Тепловий ефект хімічної реакції дорівнює сумі теплот утворення отриманих речовин за мінусом суми теплот утворення вихідних речовин.
Вищою теплотою згоряння Qв називають кількість тепла, що виділяється при повному згорянні І кг або 1 м3 горючої речовини при умові, що весь водень і гідроген, які містяться в ній, згоряють з утворенням рідкої води.Нижчою теплотою згоряння Qн називають кількість тепла, що виділяється про повному згорянні І кг або 1 м3 горючої речовини при умові згоряння водню і гідрогену до утворення водяної пари і випаровування вологи горючої речовини.
Розрах. Теплоти згоряння індивід. р-н
Якщо ми маємо суміш горючих речовин Рг, , то при горінні в повітрі, реагуючи з киснем, вона дасть суміш продуктів горіння Пг і тепло Нг:
Приклад.
Горить ацетон. Треба визначити нижчу теплоту згоряння.Починати треба з рівняння хімічної реакції.
СН3СОСН3 + 4О2 = 3СО2 + 3Н2О + Q
Нутв(ац) = - 248,45 кДж/моль;
Нутв(СО2)газ = - 393,78 кДж/моль;
Нутв(Н2О)газ = - 241,80 кДж/моль;
Нутв(О2) = 0
Нг (ац) = 3(-393,78) + 3(-241,80) – (-248,45) =
-1181,3 - 725,4 + 248,5 = -1906,7 + 248,5 == -1658,2 кДж/моль.
Існує межа значення теплоти згоряння, нижче якої речовини в атмосфері повітря горіти не здатні. Це речовини, теплота згоряння яких не перебільшує 2100 кДж/кг.
Теплоти утворення і згоряння переважної більшості індивідуальних речовин можна знайти в довідниках. При необхідності їх можна визначити, користуючись законом Гесса, або за формулою Менделєєва. Теплоту згоряння суміші речовин можна розрахувати по мольних частках компонентів або за формулою Менделєєва.
Коли маємо суміш індивідуальних речовин, треба розраховувати або визначати по довідниках теплоту згоряння для кожної окремо, визначати частки молю кожної у суміші і підсумовувати загальний тепловий ефект, враховуючи внесок кожного компоненту.приклад
Горить суміш з 20 кг ацетону і 2 кг водню.Нзг(ац) = - 1786,9 кДж/моль (вища);
Нзг(Н2) = - 285,8 кДж/моль.
Щоб вирахувати частки молю, треба поділити кілограми на мольну масу.Ацетон: С3Н6О, М = 312 + 16 + 16 = 58;
mi = 20/58 = 0,345 кг-молів.
Водень: Н2, М = 2; mi = 2/2 = 1 кг-моль.
Загальна теплота згоряння цієї суміші:
Qв = 0,345(-1786,9)ІО3 + 1(-285,8) ІО3 =
-616500 – 285800 = - 902300 кДж.
Якщо горить матеріал, для якого замість хімічної формули відомий лише відсотковий склад, орієнтовну вищу теплоту згоряння можна вирахувати за формулою Д. І. Менделєєва :
Qв = 339,4С +1257Н - 108,9(0+N-S) кДж/кг.
В цій формулі C, H, O, N, S - масова відсоткова кількість в суміші відповідно вуглецю (карбону), водню (гідрогену), кисню (оксигену), азоту (нітрогену), сірки (сульфуру).
19 питання
Та максимальна температура, до якої в процесі горіння нагріваються продукти горіння, включаючи азот, називається температурою горіння.Розрізняють калориметричну, теоретичну та дійсну температуру горіння.
Дійсна - це та температура, що існує в зоні пожежі реально.
Калориметричною є температура, до якої нагріваються продукти повного згоряння при умовах:
1. Все тепло, що виділяється, витрачається на нагрів продуктів згоряння. Втрати тепла дорівнюють нулю.2. Початкова температура повітря і горючої речовини дорівнює нулю (за Цельсієм).
3.Кількість повітря дорівнює теоретично необхідній ( = 1).
4. Відбувається повне згоряння.
Теоретична температура трохи нижча за калориметричну, вона враховує ендотермічні процеси дисоціації.Температура внутрішньої пожежі - це середня температура диму в приміщенні, у якому пожежа відбувається.
Температура зовнішньої пожежі - то, власне, температура полум ' я.Тепло, що іде на нагрів продуктів згоряння до калориметричної температури, дорівнює нижчій теплоті згоряння qг = Qн, або Qн = qг, тобто теплоті, що виділяється.
Це тепло іде на нагрів продуктів згоряння і по суті є тепловмістом продуктів згоряння.
ГОМО- ГЕТЕРО
Системи, що горять, можуть бути однорідними i неоднорідними.
Однорідними є системи, в яких горючий матеріал i повітря рівномірно перемішані. Горіння таких сумішей називають гомогенним. Від слова "гомо" - однаковий.
Системи, в яких горючий матеріал і повітря не перемішані i мають поверхні розділу, відносяться до неоднорідних.
Тиск кисню в оточуючому середовищі - 21 кПа а в зоні горіння нуль. Ясно, що дифузію буде спрямовано із зовні крізь шар продуктів горіння в зону горіння.
В зоні горіння температура підвищена. При підвищеній температурі питома густина речовин зменшується. Тому продукти згоряння піднімаються догори. Місце звільняється, а природа пустого не виносить. На порожнє місце дифундують пари рідини i повітря. При гетерогенному горінні кисень дифундує до поверхні також крізь продукти згоряння. При наближенні до зони горіння повітря все більше розводиться продуктами горіння. Концентрація кисню тим менша, чим ближча зона горіння.1. Фізична стадія - стадія дифузії кисню до горючої речовини.2. Хімічна стадія - стадія, яка обумовлена перерозподілом електронів.