- •Санкт-петербургский университет государственной противопожарной службы мчс россии
- •Тема 1. Физико-химическая природа горения Введение
- •Определение горения.
- •Механизм химических реакций при горении.
- •1.3.Влияние различных факторов на скорость химических реакций при горении
- •1.4. Основные процессы, происходящие при горении.
- •1.5. Опасные факторы пожара и их воздействие на человека
- •Материальный баланс процессов горения
- •Тема 2. Пожарная опасность неорганических веществ
- •2.1. Пожарная опасность металлов
- •Образуют водород
- •2.2.2. VII группа (подгруппа VII а) Галогены (солероды)
- •2.2.3. VI группа (подгруппа VI а) Кислород и халькогены (рождающие медь)
- •2.2.4. V группа (подгруппа V а) Подгруппа азота
- •2.2.5. IV группа (подгруппа IV а) Подгруппа углерода
- •2.2.6. III группа (подгруппа III а) Подгруппа алюминия
- •2.2.7. II группа (подгруппа II а) Щелочноземельные металлы
- •2.2.8. VIII группа (подгруппа VIII а) Инертные газы
- •2.2.9. Водород
- •2.3. Классификация горючих веществ и материалов.
- •2.3.1. Окислители.
- •Тема 3. Пожароопасные свойства углеводородов
- •3.1. Ациклические предельные углеводороды (алканы)
- •1. Основные реакции алканов – реакции замещения водорода, идущие по свободно-радикальному механизму.
- •3.2. Ациклические непредельные углеводороды
- •Непредельные углеводороды
- •3.3. Галогенпроизводные углеводородов
- •3.4. Насыщенные циклические соединения (циклоалканы)
- •3.5. Ароматические углеводороды (арены)
- •3.5.1. Конденсированные циклические системы
- •Тема 4. Пожароопасные свойства кислородсодержащих органических соединений
- •4.1. Спирты
- •Классификация спиртов
- •4.1.1. Предельные одноатомные спирты
- •4.1.2. Многоатомные спирты
- •4.1.3. Фенолы
- •4.2. Простые эфиры спиртов
- •4.3. Органические перекисные соединения
- •4.4. Альдегиды и кетоны
- •4.5. Карбоновые кислоты
- •Классификация карбоновых кислот
- •4.5.1. Предельные одноосновные карбоновые кислоты
- •4.5.2. Непредельные карбоновые кислоты
- •4.5.3. Высшие жирные кислоты
- •4.5.4. Мыла
- •4.6. Сложные эфиры
- •4.6.1. Жиры
- •4.6.2. Воски
- •Тема 5. Органические соединения, содержащие серу и азот
- •5.1. Сероорганические соединения
- •5.1.1. Тиолы
- •5.1.2. Органические сульфиды
- •5.1.3. Эфиры серной кислоты
- •5.2. Азотсодержащие органические соединения
- •5.2.1. Амины
- •Первичные алифатические амины
- •Вторичные алифатические амины
- •Первичные ароматические амины
- •Химические свойства солей диазония
- •5.2.2. Цвет и строение вещества
- •5.2.3. Нитросоединения
- •Тема 6. Полимеры и полимерные материалы
- •Классификация полимеров
- •Отличительные особенности полимеров
- •6.1. Способы получения полимеров
- •6.1.1. Реакции полимеризации
- •6.1.2. Реакции поликонденсации
- •6.2. Деструкция полимеров
- •6Редельно допустимые концентрации в воздухе
- •6.3. Факторы, влияющие на термостойкость полимеров
- •6.4. Полимерные материалы
- •6.4.1. Каучуки
- •6.4.2. Пластмассы
- •6.4.3. Химические волокна
- •Тема 7. Химия огнетушащих веществ
- •7.1. Способы прекращения горения
- •Отв и способы прекращения горения
- •Применение отв для тушения пожаров различных классов
- •7. 2. Вода как отв
- •Преимущества воды как отв
- •1. Дешевизна, доступность, простота: применения, хранения, транспортировки, подачи.
- •Недостатки воды как отв
- •1. Высокая температура замерзания.
- •Если угол не устанавливается, то смачивание полное, капля тонкой пленкой растекается по поверхности твердого тела.
- •Пути повышения эффективности воды как отв
- •7.3. Пены как отв
- •7.3.1. Общая характеристика пенообразователей
- •Классификация пенообразователей по составу и назначению
- •7.3.4. Пенообразователи целевого назначения
- •7.4. Негорючие газы как отв
- •7.5. Ингибиторы горения
- •7.5.1. Хладоны как отв
- •7.5.2. Тушение порошковыми составами
- •Литература
- •Нормативные правовые акты*
2.3.1. Окислители.
Окислители - это вещества, атомы которых в химических превращениях принимают электроны. Среди простых веществ к ним относятся все галогены и кислород.
Наиболее распространенным в природе окислителем является кислород воздуха. Именно ему человечество обязано широким распространением пожаров на Земле. Воздух содержит 21 % по объему кислорода и 79 % азота. На один объем (моль) кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема (моля) азота, который не вступает в реакции горения. Однако его приходится учитывать при составлении уравнения материального и теплового баланса процессов горения, поскольку часть теплоты расходуется на его нагревание.
Горение в воздухе - основной процесс на пожаре, однако во многих технологических процессах используется воздух, обогащенный кислородом, и даже чистый кислород (например, металлургические производства, газовая сварка, резка и т.д.). С атмосферой, обогащенной кислородом, можно встретиться в подводных и космических аппаратах, доменных процессах и т.д. Такие горючие системы имеют повышенную пожарную опасность. Это необходимо учитывать при разработке систем пожаротушения, пожарно-профилактических мероприятий и при пожарно-технической экспертизе пожаров.
Помимо кислорода воздуха и галогенов окислителями в реакциях горения могут выступать и сложные вещества, например, соли кислородсодержащих кислот - нитраты, хлораты и т.п., применяемые в производстве порохов, боевых и промышленных взрывчатых веществ и различных пиротехнических составов.
Тема 3. Пожароопасные свойства углеводородов
Углеводороды – наиболее простые органические соединения, в состав которых входят только углерод и водород.
Углеводороды являются родоначальниками всех других классов органических соединений. Заменяя в молекулах углеводородов атомы водорода на различные атомы или группы атомов, можно получить другие классы органических соединений: галогенпроизводные, спирты и т.д. По мнению немецкого химика К. Шорлеммера органическую химию можно рассматривать как химию углеводородов и их производных.
Основные классы органических соединений – углеводородов – представлены в таблице 14.1.
Таблица 3.1.
УГЛЕВОДОРОДЫ
Ациклические (алифатические) |
Циклические | ||||
Предельные |
Непредельные |
Непредельные |
Предельные | ||
aлканы СnH2n+2 |
aлкены СnH2n |
aлкины СnH2n-2 |
aлкадиены СnH2n-2 |
aрены СnH2n-6 |
циклоалканы СnH2n |
3.1. Ациклические предельные углеводороды (алканы)
Алканы – предельные или насыщенные углеводороды, в которых атомы углерода связаны между собой простой (одинарной) связью, а их свободные связи насыщены атомами водорода.
Алканы относятся к алифатическим углеводородам, т.е. образующим незамкнутые цепи углеродных атомов.
Алканы называют также “парафины” (от лат parum affinis – мало сродства), что объясняется стойкостью предельных углеводородов к ряду сильных реагентов, таких как крепкие кислоты и щелочи.
Общая формула алканов СnH2n+2.
Номенклатура алканов
Названия первых четырех алканов возникли более или менее случайно. Начиная с пятого названия алканов производятся от греческих числительных. Все алканы имеют в названии суффикс –ан.
При отнятии одного атома водорода получаются остатки предельных углеводородов, называемые радикалами. Радикалы называют по тем углеводородам, из которых они образованы, но в названии углеводородов суффикс –ан меняется на –ил.
Таблица 3.2.
Названия алканов и соответствующих им радикалов
Число атомов С |
Формула алкана СnH2n+2 |
Название алкана |
Формула радикала СnH2n+1 |
Название радикала |
1 |
СН4 |
метан |
– СН3 |
метил |
2 |
С2Н6 (СН3– СН3) |
этан |
– С2Н5 (– СН2– СН3) |
этил |
3 |
С3Н8 (СН3– СН2 – СН3) |
пропан |
– С3Н7 (– СН2– СН2 – СН3)
( – СН – СН3) СН3 |
пропил
изопропил |
4 |
С4Н10 (СН3– СН2 – СН2 – СН3) |
бутан н-бутан |
– С4Н9 (– СН2– (СН2)2 – СН3) |
н-бутил |
5 |
С5Н12 (СН3– (СН2)3 – СН3) |
н-пентан |
– С5Н11 (– СН2– (СН2)3 – СН3) |
н-пентил (амил) |
6 |
С6Н14 (СН3– (СН2)4 – СН3) |
н-гексан |
|
|
7 |
С7Н16 (СН3– (СН2)5 – СН3) |
н-гептан |
|
|
8 |
С8Н18 (СН3– (СН2)6 – СН3) |
н-октан |
|
|
9 |
С9Н20 (СН3– (СН2)7 – СН3) |
н-нонан |
|
|
10 |
С10Н22 (СН3– (СН2)8 – СН3) |
н-декан |
|
|
11 |
С11Н24 |
ундекан |
|
|
12 |
С12Н26 |
додекан |
|
|
13 |
С13Н28 |
тридекан |
|
|
16 |
С16Н34 |
гексадекан (цетан) |
|
|
20 |
С20Н42 |
эйкозан |
|
|
30 |
С30Н62 |
триаконтан |
|
|
100 |
С100Н202 |
гектан |
|
|
Алканы, имеющие неразветвленную цепь, называются нормальными, например н-гексан.
Названия разветвленных алканов по номенклатуре ИЮПАК образуются следующим образом: 1) выбрать самую длинную цепь; 2) пронумеровать атомы углерода в цепи; 3) определить радикалы и к какому по счету атому С они присоединены; 4) если имеются одинаковые радикалы, то используются приставки: 2 – ди, 3 – три, 4 – тетра, 5 – пента и т.д.; 5) название дается по названию алкана, образующего самую длинную цепь.
СН2 – СН3
1СН3–2СН –3СН –4СН2–5С –6СН2–7СН3
СН3 СН3С2Н5
2,3-диметил-5,5-диэтилгептан
В этом соединении атомы углерода 1 и 7 являются первичными, т.к. связаны только с одним соседним атомом углерода; атомы углерода 4 и 6 связаны с двумя атомами углерода и являются вторичными; атомы углерода 2 и 3 являются третичными; атом углерода 5 – четвертичный.
Изомерия алканов
У алканов реализуется изомерия углеродной цепи.
Например, изомеры пентана можно представить следующим образом(приведем только углеродную цепь):
С
С – С – С – С – С С – С – С – С С – С – С
С С
н-пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан
С увеличением числа углеродных атомов число изомеров резко возрастает. Так, у бутана С4Н10 всего 2 изомера, у пентана С5Н12 – три; декан С10Н22 имеет 75 изомеров, эйкозан С20Н42 – 366319 изомеров, а тетраконтан С40Н82 имеет более 6 1013 изомеров!
Физические свойства алканов
Предельные углеводороды с числом атомов от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости; углеводороды с числом атомов более 16 представляют собой твердые вещества.
Температура плавления и кипения углеводородов повышается с укрупнением молекул.
Предельные углеводороды очень плохо растворяются в воде, в большинстве органических растворителей они растворяются.
Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легко летучие низшие углеводороды обладают запахом бензина. Высшие представители алканов, входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.
Таблица 3.3.
Физические свойства и некоторые показатели
пожарной опасности предельных углеводородов
Углеводороды |
Агрегатное состояние |
Плотность кг/м3 |
tкип 0С |
tсамовоспл 0С |
Теплота сгорания, кДж/кг |
НКПР % |
ВКПР % |
Метан СН4 |
газ |
0,415 |
– 161,6 |
537 |
49560 |
5 |
15 |
Этан С2Н6 |
газ |
0,546 |
– 88,6 |
472 |
47460 |
2,9 |
15 |
Пропан С3Н8 |
газ |
0,582 |
– 42,1 |
466 |
46620 |
2,1 |
9,5 |
Бутан С4Н10 |
газ |
0,600 |
– 0,5 |
405 |
45780 |
1,9 |
9,1 |
Пентан С5Н12 |
жидкость |
626 |
36,1 |
309 |
45360 |
1,4 |
7,8 |
Гексан С6Н14 |
жидкость |
659 |
68,7 |
247 |
44940 |
1,2 |
7,5 |
Гексадекан С16Н34 |
твердый |
773 |
286,9 |
207 |
44398 |
– |
– |
Эйкозан С20Н42 |
твердый |
790 |
344 |
232 |
44290 |
– |
– |
Физические свойства и показатели пожарной опасности изомерных алканов существенно зависят от их строения. Для примера приведем некоторые величины, характеризующие пожароопасные свойства изомеров пентана.
Таблица 3.4.
Физические свойства и некоторые показатели
пожарной опасности изомеров пентана
Изомеры пентана |
Агрегатное состояние |
Плотность кг/м3 |
tкип 0С |
tвспыш 0С |
tсамовос 0С |
НКПР % |
ВКПР % |
НТПР 0С |
ВТПР 0С |
н-пентан |
жидкость |
621,4 |
36,4 |
– 44 |
286 |
1,47 |
7,7 |
– 48 |
– 23 |
2-метил-бутан |
жидкость |
619,6 |
27,9 |
– 52 |
432 |
1,36 |
9,0 |
– 56 |
– 30 |
2,2-диметил-пропан |
газ |
3,216 (в жидк. 613,0 |
9,5 |
|
450 |
1,38 |
7,3 |
|
|
Приведенные данные свидетельствуют о том, что изомеры с более разветвленной цепью имеют меньшие значения температуры кипения и температуры вспышки, и, следовательно, легче испаряются. Температура самовоспламенения имеет обратную зависимость. Эти данные необходимо учитывать при анализе пожарной опасности производств, где обращаются данные вещества.
Химические свойства алканов