Составление уравнения реакции горения

Состав атмосферного воздуха

При возникновении пожара, чаще всего в качестве окислителя выступает кислород воздуха. Состав атмосферного воздуха достаточно сложен. Кроме основных компонентов – кислорода О₂ и азота N₂, в нем содержатся инертные газы (аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), озон О₃, углекислый газ СО₂, пары воды H₂O и частицы аэрозолей (пыль). Однако объем второстепенных компонентов в сухом очищенном воздухе не превышает 1 %. Поэтому будем считать, что воздух состоит из двух компонентов азота 78, 2 %(об.) и кислорода 20, 9 %(об.). В теоретических расчётах процентное содержание инертных газов суммируют с содержанием азота и принимают, что воздух состоит из 21 %(об.) кислорода и 79 % (об.) азота. Следовательно, на 1 объём кислорода приходится 3, 76 объёма азота (79: 21 = 3, 76). Так как равные объёмы газов содержат одинаковое количество молекул, то в воздухе на 1 моль кислорода приходится 3, 76 моль азота. В уравнении реакции горения воздух записывается: O₂ + 3, 76N₂.

Составление уравнения реакции горения

Для многих расчетов (определение объема воздуха, необходимого для сгорания вещества, нахождения объема продуктов сгорания, температуры горения и т.п.) необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При этом придерживаются следующих правил.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде (O₂ + 3, 76N₂) ].

Правило № 2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод ( С ), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO ₂,

сера ( S ), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO ₂,

фосфор ( Р ), содержащийся в горючем веществе, превращается в P ₂ O ₅,

водород ( Н ), содержащийся в горючем веществе, превращается в H ₂ O,

хлор ( Cl ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор ( F ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром ( Br ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод ( I ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород ( О ), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (C O ₂, S O ₂, H₂ O ) как и кислород воздуха.

азот ( N ) при температуре горения ниже 2000°С не вступает в реакцию. Поскольку в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600°С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде ( N ₂ ). Следовательно, 3, 76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды, как указанные выше углерод, водород и фосфор.

Правило № 3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества;

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3, 76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄ N ₂ О₄ в воздухе.

Решение:

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄ N ₂ О₄ + (О₂ + 3, 76 N ₂ )

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N ₂ + 3, 76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде — N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде 3, 76N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂ + 3, 76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С ₆ Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + N₂ + 3, 76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N ₂ О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 N₂ + 3, 76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

1С₆Н ₄ N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + 2 Н₂О + 1N₂ + 3, 76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5 (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 3, 76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3, 76N₂ в правой части уравнения:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5(О₂ + 3, 76 N₂) = 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 5 ∙ 3, 76 N₂

 

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3, 76 = 18, 8, итого 20, 8;

  справа 2 + 5∙ 3, 76 = 20, 8;

О – слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

  справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

Расчет количества воздуха, необходимого для горения

В процессе горения любых веществ участвует большое количество воздуха. Так, для полного сгорания 1 кг дров требуется (4÷ 5) м³ воздуха, 1 кг каменного угля – (8÷ 9) м³, 1 кг нефти – (10÷ 12) м³. При пожарах, где горение протекает с большим избытком воздуха, эти цифры увеличиваются в полтора – два раза.

На пожаре расходуется значительно больше воздуха по сравнению с теоретически необходимым количеством, которое определяется по уравнению реакции горения. Отношение объёма воздуха, практически расходуемого на горение (V_В), к объему, теоретически необходимому (V⁰_в) для горения, называется коэффициентом избытка воздуха и обозначается греческой буквой a.

Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз больше поступает в зону горения воздуха, чем теоретически необходимо для полного сгорания вещества.

a = V_B/V⁰_B

 

При горении с естественным притоком воздуха коэффициент избытка воздуха практически всегда превышает единицу и колеблется в пределах от 2 до 20. Если в задаче не задаётся коэффициент избытка воздуха, температура и давление, то расчёт проводится при стандартных условиях и ^.a = 1.

Стандартные условия Т = 298 К (t = 25°С), Р = 101325 Па (р =
= 760 мм.рт.ст.).

Нормальные условия: Т = 273 К (t = 0°С), Р = 101325 Па (р =
= 760 мм.рт.ст.).

Методика расчёта объёма воздуха для горения простых веществ и индивидуальных химических соединений в газообразном состоянии (расчет по объему)

Расчёт объема воздуха, необходимого для полного сгорания заданного в кубических метрах объёма вещества, находящегося в газообразном агрегатном состоянии, проводят по формуле:

 

V_В = 4, 76 × b × a × V_ГГ, м³

где:

b - стехиометрический коэффициент перед кислородом;

a - коэффициент избытка воздуха;

V_ГГ - заданный объём горючего газа, м³.

Методика расчёта объёма воздуха, необходимого для горения

Состав атмосферного воздуха

При возникновении пожара, чаще всего в качестве окислителя выступает кислород воздуха. Состав атмосферного воздуха достаточно сложен. Кроме основных компонентов – кислорода О₂ и азота N₂, в нем содержатся инертные газы (аргон, неон, гелий, криптон, ксенон), озон О₃, углекислый газ СО₂, пары воды H₂O и частицы аэрозолей (пыль). Однако объем второстепенных компонентов в сухом очищенном воздухе не превышает 1 %. Поэтому будем считать, что воздух состоит из двух компонентов азота 78, 2 %(об.) и кислорода 20, 9 %(об.). В теоретических расчётах процентное содержание инертных газов суммируют с содержанием азота и принимают, что воздух состоит из 21 %(об.) кислорода и 79 % (об.) азота. Следовательно, на 1 объём кислорода приходится 3, 76 объёма азота (79: 21 = 3, 76). Так как равные объёмы газов содержат одинаковое количество молекул, то в воздухе на 1 моль кислорода приходится 3, 76 моль азота. В уравнении реакции горения воздух записывается: O₂ + 3, 76N₂.

Составление уравнения реакции горения

Для многих расчетов (определение объема воздуха, необходимого для сгорания вещества, нахождения объема продуктов сгорания, температуры горения и т.п.) необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При этом придерживаются следующих правил.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде (O₂ + 3, 76N₂) ].

Правило № 2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод ( С ), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO ₂,

сера ( S ), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO ₂,

фосфор ( Р ), содержащийся в горючем веществе, превращается в P ₂ O ₅,

водород ( Н ), содержащийся в горючем веществе, превращается в H ₂ O,

хлор ( Cl ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор ( F ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром ( Br ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод ( I ), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород ( О ), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (C O ₂, S O ₂, H₂ O ) как и кислород воздуха.

азот ( N ) при температуре горения ниже 2000°С не вступает в реакцию. Поскольку в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600°С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде ( N ₂ ). Следовательно, 3, 76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды, как указанные выше углерод, водород и фосфор.

Правило № 3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества;

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3, 76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄ N ₂ О₄ в воздухе.

Решение:

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄ N ₂ О₄ + (О₂ + 3, 76 N ₂ )

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N ₂ + 3, 76 N ₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде — N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде 3, 76N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂ + 3, 76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С ₆ Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6 СО₂ + Н₂О + N₂ + 3, 76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N ₂ О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1 N₂ + 3, 76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

1С₆Н ₄ N₂О₄ + (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + 2 Н₂О + 1N₂ + 3, 76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5 (О₂ + 3, 76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 3, 76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3, 76N₂ в правой части уравнения:

1С₆Н₄N₂О ₄ + 5(О₂ + 3, 76 N₂) = 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 5 ∙ 3, 76 N₂

 

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3, 76 = 18, 8, итого 20, 8;

  справа 2 + 5∙ 3, 76 = 20, 8;

О – слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

  справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

12Следующая ⇒

Поделиться: