26

Лекція № 2

Розділ 1. Математична теорія виникнення і розвитку горіння та вибуху

Тема лекції (заняття № 1.3):

«Хімізм процесу горіння»

Лекцію розробив професор Єлагін Георгій Іванович

Література:

1. Єлагін Г. І., Шкарабура М. Г., Кришталь М. А., Тищенко О. М. Основи теорії розвитку і припинення горіння, ч. I. – Черкаси: ЧІПБ, 2005. – 276 с.

2. Єлагін Г. І., Шкарабура М. Г., Тищенко О. М. Методичні вказівки до виконання контрольних робіт з дисциплін «Теорія розвитку і припинення горіння» та «Теоретичні основи пожежовибухонебезпечності» для слухачів заочної форми навчання. – – Черкаси: ЧІПБ, 2006. – 63 с.

3. Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. Горе­ние и свойства горючих веществ.

1. Обмін електронами при горінні і розкладі

хімічних речовин

2. Складання хімічних рівнянь процесів горіння та

розкладу

3. Матеріальний баланс процесів горіння та розкладу

1. Обмін електронами при горінні і розкладі хімічних речовин

Валентність показує скільки електронів даного атому можуть приймати участь у створенні електронних пар, тобто у створенні хімічних зв’язків.

Гідроген завжди одновалентний, оксиген - двовалентний, карбон - 2 або 4 i т.д.

Наприклад, молекула водню має такий вигляд:

Н-Н,

молекула азоту:

N≡N.

На зовнішньому енергетичному рівні атома карбону перебувають чотири електрони.

Важливо, що їх чотири i валентність карбону, отже, чотири. З гідрогеном карбон утворює метан СН₄,

,

Н

Н – С – Н

Н

з хлором може утворитися карбон тетрахлорид (чотирихлористий вуглець) СCl₄:

а може, припустимо, хлороформ: CHCl₃:

.

При пожежах вуглець утворює сполуки карбону з оксигеном. При повному згорянні вуглець дає вуглекислий газ СО₂, при неповному – чадний газ СО:

Рушійною силою кожної хімічної реакції є намагання хімічних елементів створити енергетичновигiдну зовнішню електронну орбіту.

Процес горіння - це реалізація реакції окиснення-вiдновлення.

Вибух (хімічний) – це або реалізація того ж процесу горіння, який дуже швидко проходить у кінетичному режимі, або реалізація процесу розкладу речовини.

Висновок з питання 1.

Хімічні зв’язки між атомами забезпечуються електронами зовнішніх орбіт атомів. Хімічна реакція відображає процеси обміну електронів. Горіння є різновидом хімічної реакції окиснення - відновлення. Вибух – різновид хімічної реакції розкладу речовини, або дуже швидкої реакції окиснення-відновлення.

2. Складання хімічних рівнянь процесів горіння та розкладу

Цифри вказують кількість атомів даного елементу в даній молекулі i кількість даних молекул в реакції:

Н₂ ; СО₂ ; CH₄ ; C₂H₆ ; C₂H₄ ; C₂H₂ ; CHCl₃ i т.д.

2H₂ + O₂  2H₂O ;

C + O₂  CO₂ ;

CH₄ + 2O₂  CO₂ + 2H₂O.

Цифру знизу справа, що вказує на кількість атомів в молекулі, називають індексом.

Цифру перед мо­лекулою (або атомом) називають стехіометричним коефіцієнтом. Якщо індекс, або стехіометричний коефіцієнт не поставлені, вважається, що вони дорівнюють одиниці.

Хімічні рівняння, які пишуться в курсі ТОП, практично не відрізняються від тих, що писалися в курсі ТРтаПГ.

У будь-якому випадку кількість атомів даного виду в лівій частині рівняння, тобто там, де відображено речовини, що реагують, повинна дорівнювати кількості атомів даного виду у правій частині, там, де відображено продукти реакції.

Як і в курсі ТРтаПГ, усі розрахунки ведуться відносно 1 кг-молю горючої речовини. Тому перед формулою горючої речовини не може бути ніякого коефіцієнту, стехіометричний коефіцієнт перед молекулою горючої речовини повинен завжди дорівнювати одиниці.

Натомість, перед молекулою окисника і перед молекулою кожного з продуктів реакції горіння або розкладу коефіцієнт може бути будь-який, навіть якщо це не ціле число, а наприклад 2,5 або 3,75 i т. ін.

Повітря складається з кисню, азоту та деяких домішок: аргону, гелію, вуглекислого газу, вологи.

Вважається, що повітря складається з азоту i кисню.

Кисню 23 % по масі, або 21 по об'єму;

Азоту 77 % по масі, або 79 по об'єму .

На 21 м³ кисню в повітрі припадає 79 м³ азоту. Або на 1 м³ кисню - 3,76 м³ азоту.

Згідно закону Авогадро, однакова кількість молекул будь-якого газу займає однаковий об'єм. Звідси, на кожну молекулу кисню в повітрі припадає 3,76 молекул азоту.

Алгоритм написання рівнянь. Спочатку реакцій горіння.

Перш за все пишуть молекулу горючої речовини

Н₂ + 0,5 (О₂ + 3,76 N₂) = H₂O + 0,53,76 N₂,

потім записують знак "+" i умовну формулу молекули окисника, тобто молекулу кисню i з нею 3,76 молекул азоту.

Далі знак рівняння i продукти реакції, враховуючи азот.

Далі треба рахувати скільки атомів гідрогену, карбону i інших горючих елементів зліва i розставляти потрібні коефіцієнти справа.

Підбивши баланс по горючих елементах, переходять до кисню. Тут вже починають справа. Скільки справа атомів оксигену? Один. Скільки це молекул оксигену О₂? Половина. В останню чергу рахують i пишуть коефіцієнт перед молекулою нітрогену.

Ще два приклади:

СН₄ + 2 (О₂ + 3,76 N₂) = СО₂ + 2 Н₂О + 23,76 N₂ метан

С₂Н₆ + 3,5(O₂ + 3,76 N₂) = 2CO₂ + 3 H₂O + 3,53,76N₂

етан

Якщо до складу речовини, що горить, входить хлор, він здебільшого виділяється у вигляді НCl.

Нітроген, що входить до складу горючої речовини, і не з’єднаний з оксигеном, при горінні виділяється у вигляді чистого N₂.

Сульфур згоряє в-основному до SO₂.

Коефіцієнт перед "молекулою" повітря називається стехіометричним і позначається .

Вибух газоповітряних сумішей - це горіння в повітрі, яке проходить з великою швидкістю.

В цьому випадку складання рівняння реакції вибуху не відрізняється від попереднього.

Чисті вибухові речовини, такі як тринітротолуол, або гліцеринтринітрат розкладаються до цілком конкретних речовин. І ці речовини встановлені експериментально, а в задачах задаються.

Наприклад, нітрат амонію NH₄NO₃ при певних умовах розкладається з потужним вибухом.

При цьому, по деяких даних, на 1 молекулу вихідної речовини утворюються: 0,25 молекули амоніаку NH₃, 1,625 молекули води, 0,125 молекули NО, 0,625 молекули кисню О₂ та 0,8125 молекули азоту N₂.

В курсах загальної хімії для складання рівняння реакції необхідно щоб усі стехіометричні коефіцієнти були цілими числами. Значить, в курсі загальної хімії рівняння реакції виглядало б наступним чином:

16NH₄NO₃ = 4NH₃ + 26Н₂О + 2NО + 10О₂ + 13N₂.

В нашому ж курсі рівняння пишеться для 1 молекули вихідної речовини, для 1 кг-молю:

NH₄NO₃=0,25NH₃+1,625Н₂О+0,125NО+0,625О₂+0,8125N₂.

Конденсовані сумішеві вибухові речовини, за основний компонент мають, або речовину, що здатна розкладатися з вибухом, або суміш твердого чи желеподібного відновника з твердим же або адсорбованим окисником. Решта – цільові добавки, які роблять вибухівку менш небезпечною у поводженні, попереджують її злежування, здатність зволожуватися і ін.

Спектр продуктів вибуху тут буде значно складніший. Крім газоподібних продуктів згоряння (окиснення) відновника, в продуктах вибуху опиняться і тверді, рідкі та газоподібні продукти відновлення окисника і продукти випаровування, плавлення та диспергування добавок.

Наприклад, динаміт є сумішшю головним чином глицерінтринітрату (до 25 %) і кізельгуру (до 75 %). Вибух динаміту дасть газоподібні продукти розкладу нітрогліцерину (карбон діоксид, нітроксиди, пари води і ін.) та пилоподібні залишки кізельгуру.

Висновок з питання 2

Рівняння реакцій горіння речовин в повітрі і рівняння вибуху складаються за загальними правилами написання рівнянь хімічних реакцій з двома особливостями:

1. Реакцію пишуть для 1 молю горючої речовини, або речовини, що розкладається.

2. Вважається, що при дифузійному горінні і кінетичному горінні (вибуху газоподібних горючих речовин) в повітрі окисником є суміш 1 молю оксигену і 3,76 молів нітрогену.