Тема : Типы химических реакций. Реакции горения.

Цели: Способствовать развитию у школьников интереса к химии и ОБЖ, раскрыть межпредметные связи, повторить типы химических реакций, совершенствовать учебные умения школьников при составлении химических уравнений, приобрести навыки работы с огнетушителем, познакомиться с мерами профилактики пожаров, способствовать развитию умений сравнивать и обобщать, быстро и четко формулировать и высказывать свои мысли, применять свои знания на практике.

Оборудование и реактивы : презентация к уроку, фарфоровая чашка, спирт, картонка, спички, воздушно-пенный и углекислотный огнетушители.

Ход урока:

Учитель химии: Горение это первая химическая реакция, с которой познакомился человек. Огонь…Можно ли представить наше существование без огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Но далеко не всегда , вглядываясь в танцующий язычок пламени, мы задумываемся над тем, какую великую роль сыграл огонь в судьбе человеческой. Без огня человек не сварит ни пищу, ни сталь, без него невозможно движение транспорта. Без огня человек, наверное, не смог бы стать человеком… «Только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы», - писал Ф.Энгельс.

Сущность процесса горения долгое время оставалась загадкой природы. Только лишь два века назад наконец удалось проникнуть в тайны горения. И сделала это всемогущая химия. До этого ошибочно думали, что всякое горючее вещество содержит в себе особую «огненную мате­рию», некую мифическую субстанцию – флогистрон, которая при горении выделяется из вещества и поглощается воздухом. Таким образом, горение считали реакцией разложения.

На самом же деле огонь – это признак такого процесса, в ходе которого горящие вещества взаимодействуют с кислородом с выделением большого количества теплоты и света. Этот химиче­ский процесс и называют горением.

Задание: Напишите уравнения взаимодействия и кислородом: лития, серы, углерода, фос­фора.

Один ученик выполняет задания на доске. Остальные – в тетрадях.

Учитель:

Ученик: Это реакции соединения. По тепловому эффекту экзотермические, идут с выделением теплоты. Продукты реакций горения – оксиды. Оксиды – это бинарные соединения, в состав которых входит кислород со степенью окисления -2.

Учитель: Какие условия должны соблюдаться для протекания реакции горения?

Ученик: Чтобы вещество загорелось должны быть соблюдены два условия: 1) достижение темпера­туры воспламенения вещества и 2) доступ кислорода.

Учитель проводит опыт:

Опыт1. Горение спирта. В фарфоровую чашку налить немного спирта, поджечь его, а затем плотно прикрыть чашку листом картона.

Учитель: : Почему пламя гаснет, а бумага не загорается?

Ученик: Пламя гаснет, так как нет доступа кисло­рода, бумага не загорается т.к. не была достигнута температура воспламенения.

Учитель: Каковы условия прекращения процесса горения?

К какому типу относятся эти реакции. Какие это реакции по тепловому эффекту? К какому классу веществ относятся продукты этих реакций? Какие вещества называются оксидами?

Ученик: Для прекращения процесса горе­ния следует либо охладить вещество ниже температуры воспламенения, либо прекратить к нему доступ кислорода.

Задание: Допишите уравнения химических реакций: презентация слайд №

+ О2 → CuO

Mg + … → MgO

… + O2 → CO2

CuS + … → SO2 + …

Один учащийся записывает на доске, остальные в тетрадях, затем проводят самопроверку.

Учитель ОБЖ: Знание условий горения веществ необходимо человеку для тушения пожара. Причиной по­жара являются многие факторы, и прежде всего – это химическая неграмотности многих людей, недопустимая небрежность в выполнении учебных, бытовых и производственных операций, на­рушение условий обращения с веществами и источниками энергии. Что же такое пожар?

Пожар – это неконтролируемый, быстропротекающий при высокой температуре химиче­ский процесс, сопровождающийся выделением большого количества теплоты, уничтожающий ма­териальные ценности и создающий опасность для жизни людей. Как правило, пожар возникает из-за несоблюдения мер предосторожности при работе с огнем и нарушения правил противопожар­ной безопасности.

При тушении пожара водой создаются два условия: вода охлаждает горячие предметы, а ее пары затрудняют к ним доступ кислорода. Кроме того, для прекращения доступа воздуха часто используют песок, оксид углерода (IV ), который получают в огнетушителях, взрывчатые вещества (при взрыве образуется относительный вакуум и прекращается горение). Этот прием используется при тушении пожаров в случаях горения нефти и ее продуктов.

Пожар можно погасить:

Охлаждением горящего предмета;

Прекращением доступа воздуха к очагу горения;

Удалением горючих веществ и предметов с возможных путей распространения огня

Ученик: Для тушения пожара применяют воду, пену, углекислый газ, снег, землю, песок и другие сыпучие негорючие материалы. Вода является эффективным огнегасительным средством, доступным, дешевым и безвредным. Она оказывает сильное охлаждающее действие, резко пони­жая температуру горящего тела. Однако, вода неэффективна при тушении горючих органических жидкостей, таких как, бензин, керосин, бензол, нефть, которые легче воды и не смешиваются с ней. Нельзя использовать воду для гашения загоревшегося газа. Непригодна вода и для тушения пожара при наличии электроустановок, находящихся под напряжением. Использовать воду для тушения пожаров в этом случае опасно для жизни, так как вода электропроводна. Горящие жидко­сти можно засыпать песком. Он устраняет доступ кислорода и ликвидирует пламя. Более эффек­тивным средством пожаротушения является сода (карбонат и бикарбонат натрия). Она разлагается при повышенной температуре, при этом поглощается тепло и выделяется углекислый газ, обвола­кивающий горящий предмет.

Загорание жидкого топлива, смазочных масел, а также газов на воздухе из трубопроводов и баллонов можно остановить, набросив накидку из огнезащитной ткани или тяжелое покрывало.

Задание: Какие средства тушения пожара нужно использовать в следующих случаях: а) заго­релась одежда на человеке; б) воспламенился бензин; в) возник пожар на складе лесоматериа­лов; г) загорелась нефть на поверхности воды?

Учитель химии: Особое внимание необходимо обратить на приемы тушения пожара, который мо­жет возникнуть в кабинете химии. Горючие спирт и ацетон разрешается тушить водой, так как они в ней хорошо растворяются.

Спиртовку после употребления убирают лишь после того, как погасят пламя и она остынет.

При воспламенении одежды следует как можно быстрее снять ее, плотно свернуть, пога­сить пламя песком или водой. Помните, что при загорании одежды нельзя бежать или совершать резкие движения. При беге и резких движениях доступ воздуха увеличивается, а это приводит к усилению процесса горения. Если снять воспламенившуюся одежде невозможно, необходимо плотно завернуть человека в накидку, облить водой или воспользоваться огнетушителем.

Огнетушители могут быть воздушно-пенные и углекислотные.

Учитель ОБЖ: Рассмотрим устройство и принцип работы содового огнетушителя

Для тушения пожаров применяют специальный аппарат – огнетушитель. Содовый огнетуши­тель состоит из резервуара, заполненного раствором соды, капсулы, в которую налита соляная кислота, и раструба, с помощью которого сильную струю углекислого газа направляют в очаг пожара. Чтобы привести огнетушитель в действие, необходимо разбить капсулу, слегка встряхнуть содержимое резервуара и направить струю углекислого газа в зону горения.

Учитель ОБЖ : Как привести в действие огнетушитель?

Ученик: Необходимо пусковую рукоятку поднять вверх и отвести ее вперед, повернув на 180 0 от началь­ного положения, а затем повернуть огнетушитель.

В приведенных в действие огнетушителях происходит химическая реакция, в результате чего из отверстия выбрасывается струя пены длиной 6-8 м. Эту струю надо направить на очаг по­жара. Продолжительность действие огнетушителей около 1 мин. При этом выбрасывается почти 40 л пены.

Демонстрация огнетушителей и освоение работы с ними

Рефлексия:

Ответьте на вопросы:

Какими явлениями сопровождается горение? (Горение сопровождается и физи­ческими и химическими явлениями: выделение и передача теплоты, химическая реак­ция окисления, выделение продуктов сгорания и распределение их в окружающей среде).

Как изменяется агрегатное состояние веществ в ходе горения? (Твердые вещества в ходе горе­ния превращаются в жидкие и газообразные).

Что называют дымом? (Дым – это смесь газообразных и твердых продуктов сгорания)

Какие компоненты дыма обладают токсичностью, т.е. вредными для организма человека свой­ствами? (Оксид углерода (II ), оксид фосфора (V ), формальдегид, оксиды азота, серо­водород, хлороводород, фосген, пары синильной кислоты)

Почему для человека опасна большая плотность дыма? (Большая концентрация продуктов го­рения в составе дыма понижает процентное содержание кислорода. При содержании кислорода в воздухе 14-16% наступает кислородное голодание, 9%-ное содержание кисло­рода опасно для жизни).

Почему вода гасит пламя? (Вода, обладая высокой теплоемкостью, может интенсивно по­глощать теплоту, выделяющуюся при горении. Способность воды гасить пламя усилива­ется еще тем, что, превращаясь при нагревании в пар, вода разбавляет реагирующие при горении вещества).

Какие вы знаете вещества или материалы, создающие условия для прекращения горения? (Водные растворы солей, пена, песок, флюсы, тальк, мел, водяной пар, углекислый газ, азот и др.)

Домашнее задание: Вычислите массу железа и объем кислорода (н.у.), который необходимо взять, чтобы получить 0,3 моль оксида железа (III ).

Подведение итогов урока, учитель благодарит детей за активное участие, выставляет и комментирует оценки учащихся.

Образцы выполнения с/р2

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА. РАВНОВЕСИЕ. КИНЕТИКА.

ЗАДАЧА 1. Теплота сгорания топлива.

Имеем газовую топливную смесь: 50%СН 4 + 50%С 4 Н 10 .

Суммарный объем V=1000 л=1м 3 .

1. Напишите химические уравнения реакций горения газовых составляющих заданной топливной смеси.

Реакция горения метана:

СН 4 (г) + 2О 2 (г) ® СО 2 (г) + 2Н 2 О (ж)

Реакция горения бутана:

С 4 Н 10 (г) + 13/2О 2 (г) ® 4СО 2 (г) + 5Н 2 О (ж) .

Энтальпия Δ r Н 0 298 этих химических реакций является теплотой сгорания газового топлива ΔН 0 сг.

2. Рассчитайте, сколько теплоты можно получить при сжигании заданного объема топливной смеси заданного состава (объемные %), условия считать нормальными.

С использованием закона Гесса рассчитаем теплоту сгорания газового топлива ΔН 0 сг при стандартном состоянии и 298 К, используя табличные данные (см. приложение, табл.) теплоты образования всех веществ, участвующих в реакции горения (Δ f Н 0 298):

для метана

ΔН 0 сг СН4 = Δ r Н 0 298 = Δ f Н 0 СО2 + Δ f Н 0 Н2О - Δ f Н 0 СН4 - 2Δ f Н 0 О2 =

393,62 + 2 . (-285,84) – (-74,78) - 0 = -802,28 кДж/моль.

для бутана

ΔН 0 сг С4Н10 = Δ r Н 0 298 = 4Δ f Н 0 СО2 + 5Δ f Н 0 Н2О - Δ f Н 0 С4Н10 - 13/2Δ f Н 0 О2 =

4 . (- 393,62) + 5 . (-285,84) – (-126,15) - 0 = -2877,53 кДж/моль.

Удельная теплота сгорания Q Т газового топлива:

Q T = - (ΔН сг. 1000/22,4) , кДж/м 3 ,

где 22,4 л/моль – молярный объем газа при н.у.

для метана

Q T , СН4 = - (-802,28 . 1000 / 22,4) =35816 кДж/м 3 .

для бутана

Q T , С4Н10 = - (-2877,53 . 1000 / 22,4) =128461 кДж/м 3 .

Суммарное количество теплоты, полученное при сгорании данной топливной смеси с учетом объемов газов:

Q = Q T , СН4 . V СН4 + Q T , С4Н10 . V С4Н10 =

35816 . (1 . 0,5)+128461 . (1 . 0,5) =82138,5 кДж.

3. Из заданной топливной смеси выберите наиболее энергоэффективное топливо. Рассчитайте удельную теплоту сгорания этого топлива Q T , кДж/м 3 . Рассчитайте минимальный объем этого топлива для получения 100 МДж теплоты.

Наиболее энергоэффективное топливо в данной топливной смеси – бутан, удельная теплота сгорания Q T , С4Н10 = 128461 кДж/м 3 .

Для получения 100 МДж теплоты необходимо сжечь:

V С4Н10 = Q / Q T , С4Н10 =100000/128461=0,778 м 3 = 778 л.

ЗАДАЧА 2. Химическая термодинамика.

1. Напишите термохимические уравнения реакций, тепловой эффект которых является теплотой образования всех реагентов заданной химической реакции.

Для химической реакции

СO 2 (г) + C (к) « 2CО (г)

Вещество C (к) – простое, устойчивое при 298 К и давлении 100 кПа, энтальпия его образования DH 0 f , 298 , = 0.

Термохимические уравнения реакций, тепловой эффект которых является теплотой образования реагентов заданной химической реакции СO 2 (г) и CО (г) :

O 2 (г) + C (к) « CО 2 (г) , DH 0 f , 298 = -393,51 кДж/моль,

(см. табл.);

1/2 O 2 (г) + C (к) « CО (г) , DH 0 f , 298 = -110,5 кДж/моль,

(см. табл.).

2. Рассчитайте величины энтальпии D r H 0 298 , энтропии D r S 0 298 . табл. к задачам 1, 2) при стандартном состоянии (с.с.) всех реагентов и температуре 298 К. Сделайте вывод о тепловом эффекте реакции.

По табличным данным (см. табл.) запишем термодинамические функции состояния реагентов заданной химической реакции при стандартном состоянии и 298 К

С использованием закона Гесса рассчитаем энтальпию Δ r Н 0 298 , энтропию ∆ r S 0 298 и энергию Гиббса Δ r G 0 298 химической реакции при стандартном состоянии и 298 К:

Δ r Н 0 298 = 2Δ f Н 0 298 СОг - Δ f Н 0 298 Ск - Δ f Н 0 298 СО2г =

2(-110,5) – 0 – (-393,5) = 172,5 кДж.

Δ r Н 0 298 >0 - реакция эндотермическая, идет с поглощением теплоты.

∆ r S 0 298 = 2 S 0 f , 298,СО(г) - S 0 f , 298,С(к) - S 0 f , 298,СО2(г) = 2(197,54) – 5,74 – 213,68 =

175,66 Дж/К.

∆ r S 0 298 >0 – система стала более неупорядоченной вследствие образования дополнительного количества газа.

3. Рассчитайте величину энергии Гиббса D r G 0 298 заданной химической реакции (п.1 . табл. к задачам 1, 2) при стандартном состоянии (с.с.) всех реагентов и температуре 298 К. Определите, в каком направлении будет самопроизвольно протекать данная реакция при стандартном состоянии всех реагентов и температуре 298 К.

Δ r G 0 298 = 2Δ f G 0 298 СОг - Δ f G 0 298 Ск - Δ f G 0 298 СО2г =

2(-137,14) – 0 – (-394,38) = 120,15 кДж.

Δ r G 0 298 >0 – самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении при стандартном состоянии и 298 К невозможно. Реакция протекает в обратном направлении.

4. Определите область температур, при которых возможно самопроизвольное протекание прямой реакции при стандартном состоянии всех реагентов без учета зависимости D r H 0 и D r S 0 от температуры. Постройте график зависимости энергии Гиббса реакции от температуры D r G 0 = f (Т ).

Возможность самопроизвольного протекания реакции при стандартном состоянии определяется неравенством ∆ r G 0 T < 0.

Т.е. , если

∆ r G 0 T = ∆ r H 0 298 +∆ r с 0 p dT - Т ∆ r S 0 298 - Т ∆ r с 0 p / T )dT < 0

∆ r G 0 T ≈ ∆ r H 0 298 - Т ∆ r S 0 298 < 0

∆ r G 0 Т = (172,5 – Т . 175,66 . 10 -3) < 0 , отсюда Т > 982 К.

График зависимости D r G 0 = f (Т ):

∆ r G 0 Т

298 982 2300 Т

С учетом температурных интервалов существования реагентов температурная область самопроизвольного протекания реакции при стандартном состоянии 982 < Т < 2300 К.

5. Рассчитайте величину энергии Гиббса D r G 298 химической реакции при заданных значениях парциальных давлений газов (п.2 . табл. к задачам 1, 2) и температуре 298 К. Определите, изменится ли направление протекания процесса при 298 К при изменении парциальных давлений газов по сравнению со стандартным состоянием.

Расчет энергии Гиббса химической реакции при любой температуре и любых относительных парциальных давлениях газов производится по уравнению изотермы Вант-Гоффа:

Δ r G Т = ∆ r G 0 Т + RT ln .

Рассчитаем Δ r G 298 при 298 К и давлениях газов: р СО = 2 . 10 3 Па,

р СО2 = 8 . 10 5 Па.

Относительные парциальные давления газов:

СО = 2 . 10 3 Па/10 5 Па = 0,02; СО2 = 8 . 10 5 Па/10 5 Па = 8.

Δ r G 298 = Δ r G 0 298 + RTln (р 2 СО /р СО2) = 120,15 +8,31 . 10 -3 . 298 . ln (0,02/8) =

Δ r G 298 >0 – самопроизвольное протекание реакции в прямом направлении при заданных парциальных давлениях газов и 298 К невозможно. Реакция протекает в обратном направлении.

6. Определите, как нужно (теоретически) изменить парциальное давление любого из исходных газов (р А или р В ) для изменения направления протекания процесса по сравнению со стандартным состоянием при 298 К и стандартном парциальном давлении всех других компонентов химической реакции.

При стандартном состоянии и 298 К возможно самопроизвольное протекание реакции в обратном направлении, т.к. Δ r G 0 298 >0.

Для изменения направления протекания процесса по сравнению состандартным состояниемпри 298 К можно изменить парциальное давление СО 2 , (состояние всех других компонентов стандартное). Условием самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении является Δ r G 298 < 0.

По уравнению изотермы Вант-Гоффа:

Δ r G Т = ∆ r G 0 Т + RT ln< 0

Δ r G 298 = 120,15 + 8,31 . 10 -3. 298 ln < 0

Решаем неравенство ln < - 48,5и получаем: < 10 -21 .

Таким образом,р СО < р СО2 ≈ в 10 5 раз.

Таким образом, для изменения направления протекания процесса по сравнению состандартным состояниемпри 298 К и давлении р СО = 10 5 Па нужно увеличить парциальное давление СО 2 в 10 5 раз, т.е. парциальное давление СО 2 должно быть: р СО2 > 10 25 Па.

При таком давлении СО 2 заданная химическая реакция может самопроизвольно протекать в прямом направлении при 298 К.

ЗАДАЧА 2. Химическое равновесие.

Для химической реакции

СO 2 (г) + C (к) « 2CО (г)

1. Рассчитайте энергию Гиббса D r G 0 Т и константу равновесия К р данной реакции при стандартном состоянии и температурах 298 К, 500 К, 800 К, 1000 К с учетом зависимости D r H 0 Т и D r S 0 Т от температуры при постоянной величине удельной теплоемкости веществ с р = const . Постройте график зависимости

К р = f (Т ).

Рассчитаем изменение теплоемкости системы (∆ r c 0 р = const):

∆ r с 0 р = 2с 0 р 298СОг – с 0 р 298Ск – с 0 р 298СО2г =

2 . (29,14)–8,54–37,41 =12,33 Дж/К.

Рассчитаем энергию Гиббса химической реакции при стандартном состоянии и заданных температурах 298 К, 500 К, 800 К, 1000 К с учетом зависимости ∆ r H 0 Т и ∆ r S 0 Т от температуры, считая постоянной величину удельной теплоемкости веществ с р , по формуле:

∆ r G 0 T = ∆ r H 0 Т – Т . ∆ r S 0 Т = ∆ r G 0 298 + ∆ r с 0 р (Т - 298) –Т . ∆ r с 0 р ln (Т / 298).

∆ r G 0 298 =120,15 кДж;

∆ r G 0 500 =120,15+12,33 . 10 -3 . (500-298) - 500 . 12,33 . 10 -3 . ln (500/298)=

∆ r G 0 800 =120,15+12,33 . 10 -3 . (800-298) - 800 . 12,33 . 10 -3 . ln (800/298)=

∆ r G 0 1000 =120,15+12,33 . 10 -3 . (1000-298) - 1000 . 12,33 . 10 -3 . ln (1000/298) =

Термодинамическое условие химического равновесия: ∆ r G T = 0.

Энергия Гиббса химической реакции при стандартном состоянии

∆ r G 0 Т связана с константой равновесия К р по соотношению:

∆ r G 0 Т = - RT lnК р

Рассчитав величину ∆ r G 0 T реакции, рассчитаем константу равновесия К р по формуле:

K p = exp(-∆G 0 Т /RT ) ,

где R =8,31 Дж/моль. К - универсальная газовая постоянная.

K p, 298 = exp(-∆G 0 Т , 298 / R . 298) = exp(-120,15/8,31 . 10 -3. 298) =8 . 10 -22 ;

K p, 500 = exp(-∆G 0 Т , 500 / R . 500) = exp(-84,67/8,31 . 10 -3. 500) =1,4 . 10 -9 ;

K p, 800 = exp(-∆G 0 Т , 800 / R . 800) = exp(-31,97/8,31 . 10 -3. 800) =8,1 . 10 -3 ;

K p, 1000 = exp(-∆G 0 Т , 1000 / R . 1000) = exp(3,16/8,31 . 10 -3. 1000) =1,46.

При увеличении температуры увеличивается константа равновесия, что объясняется эндотермическим тепловым эффектом данной реакции

(Δ r Н 0 Т >0).

2. Выберите любую температуру из области самопроизвольного протекания реакции в прямом направлении. При этой температуре рассчитайте равновесные концентрации газообразных реагентов, если их исходные концентрации были равны, соответственно, (см. п.3. табл. к задачам 1,2).

При Т =1000 К реакция протекает самопроизвольно в прямом направлении, т.к. ∆ r G 0 1000 = - 3,16 кДж <0, K p , 1000 = 1,46.

Выберем температуру Т =1000 для расчета равновесных концентраций газообразных реагентов, если исходные концентрации газообразных реагентов СО 2 и СО были равны: с СО2 = 0,5 моль/л, с СО =0.

Выражения для констант равновесия, выраженных через относительные равновесные парциальные давления газов (р равн ) и равновесные концентрации (с равн) :

К р =
; К с =

K p и K с связаны через уравнение газового состояния:

K с, 1000 =
=
= 0,018

где R =0,082 л. атм/моль. К - универсальная газовая постоянная;

∆ν = 2-1= 1 (изменение числа молей газообразных веществ в ходе реакции).

Таблица материального баланса:

Подставляем равновесные концентрации газообразных реагентов в выражение для K с и решаем алгебраическое уравнение относительно х :

К с =
= 0,018 , х = 0,0387моль/л

С СО равн = 2 . 0,0387 = 0,0774моль/л

С СО2равн = 0,5 - 0,0387 = 0,4613 моль/л.

Акты химического превращения происходят при непосредственном контакте реагирующих компонентов (молекул, атомов, радикалов), но только в тех случаях, когда их энергия превышает определенный энергетический предел, называемый энергией активации Е а. Изобразим графически изменение энергии реагирующих компонентов (горючего и окислителя) и продуктов реакции при горении (рис.1.)

Изобразим графически изменение энергии реагирующих компонентов (горючего и окислителя) и продуктов реакции при горении (рис.1.)

Рис 1. Изменение энергии реагирующих веществ и продуктов реакции при горении

По оси абсцисс изображен путь реакции горения, по оси ординат – энергия.
– средняя начальная энергия реагирующих компонентов,
- средняя энергия продуктов горения.

В реакцию горения будут вступать только активные частицы горючего и окислителя, которые будут обладать энергией, необходимой для вступление во взаимодействие, т.е. способные преодолеть энергетический барьер
. Избыточная энергия активных частиц по сравнению сос средней энергией
, называется энергией активации. Поскольку реакции, протекающие при горении являются экзотермическими
. Разность энергий образовавшихся продуктов горения и исходных веществ (горючего и окислителя) определяет тепловой эффект реакции:

Доля активных молекул возрастает при увеличении температуры горючей смеси.

На рис.2. изображено распределение энергий между молекулами при температуре Если по оси энергий отметить значение, равное энергии активации, то получим долю активных молекул в смеси при заданной температуре. Если под действием источника тепла температура смеси возросла до значения, то возрастет и доля активных молекул, а следовательно, и скорость реакции горения.

Однако существуют химические реакции, которые не нуждаются для своего развития в заметном предварительном подогреве. Это цепные реакции.

Основа теории цепных реакций – предположение о том, что исходные вещества превращаются в конечный продукт не сразу, а с образованием активных промежуточных продуктов

Продукт первичной химической реакции обладает большим запасом энергии, которая может рассеиваться в окружающем пространстве при соударении молекул продуктов реакции или за счет излучения, а может передаваться молекулам реагирующих компонентов, переводя их в активное состояние. Эти активные молекулы (атомы, радикалы) реагирующих веществ порождают цепь реакций, где энергия передается от одной молекулы к другой. Поэтому такие реакции называются цепными.

Химически активные молекулы, атомы, радикалы, образующиеся на элементарных стадиях цепной реакции – звеньях цепи- называются активными центрами. Большую часть активных центров составляют атомы и радикалы, которые наиболее реакционно способны. Но вследствие этого они и неустойчивы, т.к. могут вступать в реакции рекомбинации с образованием малоактивных продуктов.

Длина цепи, образуемая одним начальным активным центром, может достигать несколько сотен тысяч звеньев. Кинетические закономерности цепных реакций существенно зависят от того, сколько активных центров образуется в одном звене цепи. Если при участии исходного активного центра в результате образуется только один активный центр, то такая цепная реакция называется неразветвленной, если же в одном звене цепи образуются два или более активных центров, то такая цепная реакция называется разветвленной. Скорость разветвленных цепных реакций возрастает лавинообразно, в чем и состоит причина самоускорения химических реакций окисления при горении, так как для большинства из них характерен механизм разветвленных цепных реакций.

Практически любая реакция горения может иметь одновременно признаки и теплового и цепного механизма протекания реакции. Зарождение первых активных центров может иметь тепловой характер, а реагирование активных частиц по цепному механизму приводит к выделению тепла, разогреву горючей смеси и тепловому зарождению новых активных центров.

Любая цепная реакция складывается из элементарных стадий зарождения, продолжения и обрыва цепи.

Зарождение цепи является эндотермической реакцией. Образование свободных радикалов (т.е. атомов или групп атомов, имеющих свободные валентности, например,
) из молекул исходных веществ возможно в результате мономолекулярного или бимолекулярного взаимодействия, а также в результате каких-либо посторонних воздействий на горючую смесь –инициирования.

Инициирование может осуществляться путем добавки специальных вещест – инициаторов , легко образующих свободные радикалы (например, пероксидов, химически активных газов
), под действием ионизирующих излучений, под действием света – фотохимическое инициирование. Например, взаимодействие водорода с хлором

при обычных условиях протекает крайне медленно, а при сильном освещении (солнечным светом, горящим магнием) протекает со взрывом.

К реакциям продолжения цепи относятся элементарные стадии цепной реакции, идущие с сохранением свободной валентности и приводящие к расходованию исходных веществ и образованию продуктов реакции.

зарождение цепи:

разветвление цепи:

обрыв цепи:

гомогенный

гетерогенный

При развитии цепи, когда концентрация активных центров станет достаточно большой возможно образование такого звена, в котором активный центр прореагирует без генерации нового активного центра. Такое явление называется обрывом цепи.

Обрыв цепи может быть гомогенным и гетерогенным.

Гомогенный обрыв цепей возможен либо при взаимодействии радикалов или атомов между собой с образованием устойчивых продуктов, либо при реакции активного центра с посторонней для основного процесса молекулой без генерации новых активных центров.

Гетерогенный обрыв цепи происходит на стенках сосуда, где протекает реакция горения или поверхности твердых микрочастиц, присутствующих в газовой фазе, иногда специально вводимых (например, как при тушении порошками). Механизм гетерогенного обрыва цепей связан с адсорбцией активных центров на поверхности твердых частиц или материалов. Скорость гетерогенного обрыва цепей сильно зависит от соотношения площади поверхности стенок к объему сосуда, где происходит горение. Таким образом, уменьшение диаметра сосуда заметно снижает скорость реакции горения, вплоть до его полного прекращения. На этом основано создание огнепреградителей.

Примером разветвленной цепной реакции может служить реакция горения водорода в кислороде.

зарождение цепи:

разветвление цепи:

обрыв цепи:

гомогенный

Содержание раздела

Горение – процесс быстрого высокотемпературного окисления, сочетающий физические и химические явления. Горение состоит из большого числа элементарных окислительно-восстановительных процессов, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих веществ – цепная реакция. В процессе цепной реакции возникают свободные атомы, радикалы и другие неустойчивые промежуточные соединения, обладающие повышенной химической активностью – активные центры. Реагируя с исходным веществом, активные центры образуют конечные продукты реакции и новые активные промежуточные центры.

Начальный процесс образования активных центров из исходных веществ называется зарождением цепи. Этот процесс всегда идет с поглощением энергии, т.е. является эндотермическим.

Разветвление цепи происходит в результате реагирования активного центра с исходным веществом, в результате образуется несколько активных центров.

Под обрывом цепи понимают процесс, при котором активный продукт исчезает.

Если скорость разветвления больше скорости обрыва, то происходит развитие цепной реакции. Если скорость обрыва больше, чем скорость разветвления, то реакция не идет. Цепная реакция с неразветвленными цепями характеризуется образованием только одного нового активного центра – результат взаимодействия существовавшего активного центра с исходным веществом. Цепная реакция с разветвляющимися цепями характеризуется образованием нескольких активных центров (взамен израсходованного), что приводит к значительному ускорению реакции. К обрыву цепи может привести столкновение активных центров: между собой, с молекулами инертного вещества, со стенкой топки, со стенкой теплообменного устройства.

Наиболее простым является механизм реакции окисления (горения) водорода, а наиболее сложным – окисление углеводородов. Окисление водорода относится к цепной реакции с разветвляющимися цепями и состоит из следующих элементарных стадий:

1. H 2 + O 2 → H + H 2 O – зарождение цепи

2. H + O 2 → OH + O – разветвление цепи

3. O + H 2 → OH + H – продолжение цепи

4. OH + H 2 → H 2 O + H – продолжение цепи

5. H + стенка → (1/2) H 2 – обрыв цепи на стенке

6. H + O 2 + M → H 2 O + M – обрыв цепи в объеме

В результате взаимодействия атома водорода с молекулой кислорода получаются 2 молекулы воды и 3 новых атома водорода (активные центры), т.е. цепная реакция является разветвленной. Скорость цепных реакций очень чувствительна к посторонним примесям и к форме сосуда (топки).

О завершении процесса горения судят по анализам продуктов сгорания, выполняемых с использованием газохроматографического метода исследований (определение избытка воздуха, с которым работает горелка, может производиться двумя методами: по анализу газовоздушной смеси в смесителе горелки и по анализу продуктов сгорания).

На интенсивность горения топлива могут оказывать влияние следующие факторы:

Повышение температуры реагирующих веществ – топлива и окислителя. При повышении температуры на каждые 10° скорость реакции возрастает в 2–4 раза – правило Вант-Гоффа. (Воздействие температуры на реакции изучает особый раздел химии – «Термохимия»).

Фотохимическое действие света, заключающееся в том, что молекулы реагирующих веществ, поглощая кванты света, возбуждаются, т.е. становятся более реакционноспособными. (Воздействие света видимого, ультрафиолетового на реакции изучает – «Фотохимия»).

Ионизирующее излучение – (изучает – «Радиационная химия»).

Давление – (изучает – «Химия сжатия»).

Механическое воздействие. Механохимическим актом является разрыв химических связей в веществе под действием механических сил (дробление, перетирание и др.). Возникающие при этом «осколки» молекул повышают реакционноспособность веществ. (Химические процессы, происходящие под действием механических сил, изучает «Механохимия»).

Каталитическое воздействие. Катализаторы – это вещества, изменяющие скорость реакции. В присутствии катализатора изменяется путь, по которому происходит суммарная реакция. Так, реакция окисления CO кислородом 2CO + O 2 = 2CO 2 в значительной степени ускоряется в присутствии паров воды, это вызвано развитием цепей с участием свободных радикалов OH и H:

OH + CO → CO 2 + H – зарождение цепи

H + O 2 → OH + O – продолжение цепи

CO + O → CO 2 – продолжение цепи

В зависимости от агрегатного состояния катализатора и реагирующих веществ различают катализ гомогенный и гетерогенный.

Химические реакции, происходящие между веществами, находящимися в одной фазе, называют гомогенными, в разных фазах – гетерогенными.

Горение твердого топлива состоит из подогрева, испарения влаги, возгонки летучих, образования кокса, окисления летучих, окисления кокса – гетерогенный процесс.

Горение жидкого топлива состоит из нагрева, кипения, испарения, окисления – гетерогенный процесс.

Горение газообразного топлива состоит из двух стадий: подогрева и окисления – гомогенный процесс.

Горение газа

Процесс горения газообразного топлива сопровождается быстрым окислением простых горючих газов и пирогенетическим разложением сложных газов. Пирогенетическое разложение протекает с выделением сажистого углерода и с образованием быстро окисляющихся низкомолекулярных соединений. Сажистый углерод в факеле придает пламени окраску и делает его светящимся. При предварительном смешении воздуха с простыми газами (CO, H 2) пирогенетическое разложение отсутствует и смесь горит прозрачным пламенем. Присутствие в смеси инертных газов N 2 и CO 2 повышает температуру воспламенения, а кислород – понижает; с повышением давления температура воспламенения понижается.

Температуру воспламенения смесей горючих газов ориентировочно можно рассчитать по формуле:

t воспл.см ≈ 0,01 (at a + bt b + ct c + …)

где: a, b, c – содержание горючих газов, %;

t a , t b , t c – температуры воспламенения газов, °С.

Скорость воспламенения зависит также от состава газов и обычно не превышает 10 м/сек.

При горении газообразного топлива в некоторых условиях возможен взрыв, особенно при быстром воспламенении горючей смеси определенного состава в небольшом объеме. Тепло, выделяющееся при этом, почти полностью расходуется на нагрев продуктов горения, быстрое расширение которых вызывает сжатие окружающего слоя. При большой скорости воспламенения сжатие не успевает распространяться по всему объему пространства и локализуется. Это вновь вызывает сжатие и расширение, т.е. образуется взрывная волна, распространяющаяся со скоростью 2000–3000 м/сек.

Взрывная волна образуется не только от нагревания, но и в результате электрохимических процессов. Предупредить образование взрывоопасной смеси можно надежной герметизацией газопроводных устройств, положительным давлением газа в газопроводе и полным исключением возможности воспламенения смеси.

Горение мазута

Процесс горения мазута более сложен по сравнению с процессом горения газообразного топлива. Сжигание мазута с помощью горелок условно можно разделить на несколько взаимосвязанных друг с другом стадий:

Распыление мазутной струи;

Смешение мелких капель мазута с воздухом;

Нагрев аэросмеси до температур испарения мелких капель; пирогенетическое разложение молекул углеводородов и воспламенение образовавшихся газов;

Смешение газов, парообразных и твердых продуктов разложения (сажистого углерода) с воздухом в горящем факеле и их окисление (горение).

Чем тоньше распыление мазута, тем лучше протекают процессы смешения мелких капель с воздухом, подогрев и воспламенение подготовленной для горения смеси топлива с воздухом.

При факельном сжигании мазута скорость выгорания частиц топлива, движущихся в потоке аэросмеси, зависит от трех факторов:

Тонкости распыления мазута;

Условий смешения распыленного мазута с воздухом;

Условий подвода тепла к начальной части факела, необходимого для стабилизации воспламенения горючей смеси, выходящей из форсунки.

При подогреве мазутных капель, находящихся в потоке аэросмеси, протекают процессы, связанные с испарением жидкости и расщеплением углеводородов. Испарение начинается при 150 °С с выделением легких фракций. При температурах выше 350 °С и недостатке воздуха начинается расщепление частиц с образованием легких и тяжелых углеводородов. При температурах выше 650 °С, молекулы углеводородов распадаются с образованием высокомолекулярных углеводородов и твердого остатка в виде сажистого углерода.

Высокомолекулярные углеводороды и сажистый углерод, дающий коптящее пламя, сгорают с трудом. Для сжигания одной молекулы продукта распада углеводородов в виде (C 18 H 2) 2 требуется 37 молекул кислорода. Следовательно, если при движении потока горючей смеси капли мазута сразу попадут в зону высоких температур факела, то они будут быстро нагреваться и при расщеплении выделять трудносгораемые продукты, которые, не догорая, будут удаляться вместе с дымовыми газами.

Особенно неблагоприятно для полного горения неравномерное распределение кислорода в аэросмеси, которое наблюдается при подаче струи мазута по оси факела, при больших потерях скоростного напора воздуха в выходном отверстии мазутной горелки и плохом смешении аэросмеси топлива в процессе горения за горелкой.

Для улучшения процессов горения мазута большое значение имеют подготовительные стадии, проводимые перед сжиганием, например: подогрев мазута при подаче в горелки, предварительное его смешение с воздухом или паром для получения мазутной эмульсии до подачи в горелки, предварительная газификация мазута за счет неполного сжигания в горелочной камере с последующим дожиганием полученного газа в топочном пространстве.

Предварительная газификация мазута за счет неполного сжигания, а также предварительная подготовка мазутной эмульсии в смеси с водой, паром или сжатым воздухом до подачи в горелочное устройство существенно изменяют процесс горения жидкого топлива в факеле, приближая его к процессу горения газообразного топлива.

Горение твердого топлива

Гетерогенный процесс горения (окисления) твердого топлива наиболее сложен (о последовательности отдельных стадий горения твердого топлива было упомянуто выше). Скорость гетерогенной реакции в данном случае измеряется количеством углерода, сгоревшего в единицу времени на единице активной поверхности топлива (площади). Скорость этой реакции зависит от температуры, давления, концентрации реагирующих веществ и от продолжительности диффузии окислителя к активной поверхности.

Продолжительность диффузии в свою очередь зависит: от температуры, от разности концентраций окислителя в потоке и на поверхности частицы, от толщины пограничного слоя.

Пограничный слой образуется вблизи поверхности частиц топлива из-за уменьшения реагирующих веществ, вследствие увеличения концентрации продуктов горения (СО и СО 2). Этот пограничный слой газа толщиной «б» препятствует подводу кислорода к поверхности частицы. Толщина пограничного слоя зависит от скорости потока и от приведенного диаметра частицы топлива.

В результате скорость горения твердого топлива определяется тем, какой из составляющих процессов – диффузия или собственно окисление – является лимитирующим.

Сжигание твердого топлива в слое на колосниковой решетке имеет много недостатков, главные из них состоят в том, что трудно получить высокие температуры горения топлива и автоматизировать процессы горения и тепловой режим котла.

Твердое топливо в большинстве случаев перерабатывают на пылевидное или газообразное путем газификации. Пылевидное топливо сжигается факельным способом. При факельном способе сжигания требуется меньше избыточного количества воздуха для полноты горения по сравнению со слоевым способом.

При сжигании угольной пыли коэффициент избытка воздуха принимается не более 1,20–1,25. При этом значительное количество воздуха, необходимого для горения, можно подавать подогретым до высокой температуры. Процессы горения угольной пыли легче автоматизировать.

Реакции горения углерода, серы, углеводородов

Горение углерода

С+О 2 = СО 2

1моль (молекула)+1 моль= 1 моль

1объемная часть+1 объемная часть= 1 объемная часть (полное сгорание)

12 массовых частей+32 массовые части= 44 массовые части

Горение окиси углерода

2СО+О 2 = 2СО 2

2 моля +1 моль= 2 моля

2 объемные части+1 объемная часть= 2 объемные части (полное сгорание) 56 массовых частей+32 массовые части= 88 массовых частей

Горение серы

S +О 2 = SО 2

1 моль+1 моль= 1 моль

1 объемная часть+1 объемная часть= 1 объемная часть

32 массовые части+32 массовые части= 64 массовые части

Горение водорода

2H 2 +О 2 = 2 H 2 O

2 моля+1 моль= 2 моля

2 объемные части +1 объемная часть= 2 объемные части

4 массовые части+32 массовые части= 36 массовых частей

Горение углеводородов

C m H n +(m + n/4 )O 2 = m CO 2 + n/2 H 2 O

1 моль +(m + n/4 ) молей= m молей + n /2 молей

1 объемная часть +(m + n/4 ) объемных частей= m объемных частей + n /2 объемных частей

12 m + n массовых частей + 32 (m + n/4 ) массовых частей= 44 m массовых частей + 9 n массовых частей

Горение - быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества(Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion - основа, элемент и греч. metreo - измеряю) - состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления топлива ). Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

C m H n + (m + n/4) O 2 = mCO 2 + (n/2) Н 2 O + Q (8.1)

Где m, n - число атомов углерода и водорода в молекуле; Q - тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.
Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплота сгорания) Q - количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м 3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Q в и низшую Q н теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому - активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

Q = r 1 Q 1 + r 2 Q 2 + ... + r n Q n (8.2)

Где r 1 , r 2 , …, r n - объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q 1 , Q 2 , …, Q n - теплота сгорания компонентов.

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м 3 , сложного газа можно определять по следующим формулам:

Q в = 127,5 Н 2 + 126,4 СО + 398 СН 4 + 703 С 2 Н 6 + 1012 С 8 Н 8 + 1338 C 4 H 10 +1329 C 4 H 10 + 1693 С 5 Н 12 + 630 С 2 Н 4 + 919 С 3 Н 6 +1214 C 4 H 8 (8.3)

Q н = 107,9 H 2 + 126,4 CO + 358,8 CH 4 + 643 C 2 H 6 + 931,8 C 8 H 8 + 1235 C 4 H 10 + + 1227 C 4 H 10 + 1566 C 5 H 12 + 595 C 2 H 4 + 884 C 8 H 6 + 1138 C 4 H 8 (8.4)

Где H 2 ,CO,CH 4 и т.д. - содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н 2 О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва - сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

W = kС 1 С 2 (8.5)

Где С 1 и С 2 - концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; k - константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

К = К 0 е -Е/RT (8.6)

Где К 0 - предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, ≈1,0; Е - энергия активации, кДж/кмоль; R - универсальная газовая постоянная, Дж/(кг К); Т - абсолютная температура, К (°С); е - основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель К0 можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е - как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150) 103 кДж/кмоль.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2·104÷5 108 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначалаьно генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций - фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода - метана:
1. Н + О 2 -› ОН + О
СН 4 + ОН -› СН 3 + Н 2 О
СН 4 + О -› СН 2 + Н 2 О

2. СН 3 + О 2 -› НСНО + ОН
СН 2 + О 2 -› НСНО + О

3. НСНО + ОН -› НСО + Н 2 О
НСНО + О -› СО + Н 2 О
НСО + О 2 -› СО + О + ОН

4. СО + О -› СО 2
СО + ОН -› СО 2 + Н

Итог единичного цикла:
2СН 4 + 4О 2 -› 2СО 2 + 4Н 2 О

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)