СОСТАВЛЕНИЕ УРАВНЕНИЙ РЕАКЦИЙ ГОРЕНИЯ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию между горючим веществом и окислителем, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо наличие трёх составляющих: горючего вещества; окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.) и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность).

С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Процесс горения как одна из форм химического взаимодействия атомов и молекул может по-настоящему понятен только на основе изучения молекулярно-кинетической теории строения материи. Необходимо представлять, что в химических процессах, прежде чем образуются новые молекулы, разрушаются старые. Энергия, необходимая для разрыва связей в молекулах горючего и окислителя, называется энергией активации. Разрушение или ослабление химических связей в молекулах происходит под действием теплового движения атомов. Чем выше температура, тем выше доля активных молекул, тем эффективнее соударения и больше их число. Для реакции горения, как и для многих других химических реакций, справедливо положение: повышение температуры на 10^о С приводит к увеличению её скорости в 2–4 раза (правило Вант-Гоффа). Кроме того, скорость реакции согласно закону действующих масс увеличивается с возрастанием концентрации реагентов. Скорость горения максимальна при стехиометрическом составе смеси – когда отношение реагентов соответствует коэффициентам в уравнении реакции.

В условиях пожара горение чаще всего протекает в среде воздуха. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота. Не трудно установить, что на 1 объём кислорода в воздухе приходится 3, 76 объёма азота (79: 21 = 3, 76) или на 1 моль кислорода приходится 3, 76 моля азота и, таким образом, состав воздуха в уравнениях реакций горения – (О₂+ 3, 76 N₂).

В реакции горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения. В левой части уравнения реакции горения записывают горючее вещество и воздух, в правой части – продукты горения. При уравнивании левой и правой частей уравнения реакции горения коэффициент перед горючим веществом для упрощения расчётов параметров процесса горения, как правило, не ставят, т.е. принимают равным единице, в связи с чем коэффициент перед воздухом может получаться дробным.

Для решения задач по определению основных параметров, характеризующих процесс горения, необходимо уметь составлять уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе.

Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения имеет вид:

n_г.в.[г.в.] + n_о[о]= n_пг_i[пг], (1)

где n_г.в, n_о, n_пг_i – стехиометрические коэффициенты при соответствующих веществах: [г.в.] – горючее вещество, [о] – окислитель, [пг] – продукты горения.

Данное уравнение является обобщённым выражением материального баланса любой химической реакции окисления. Оно не несёт информации о промежуточных стадиях процесса, которых может быть великое множество, а выражает только начальное и конечное состояние системы. Поэтому его называют также суммарным или брутто-уравнением реакции горения. Для решения многих инженерно-технических задач этого уравнения бывает достаточно.

Рассмотрим примеры составления уравнений реакций горения горючих веществ в воздухе.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропана (С₃Н₈) в воздухе.

При горении углеводородов в воздухе продуктами горения будут углекислый газ (СО₂), пары воды (Н₂О) и азот (N₂) из воздуха:

С₃Н₈ + (О₂ + 3, 76 N₂) = CО₂ + Н₂О + 3, 76 N₂_.

Уравняем эту реакцию, в результате чего число атомов каждого элемента в правой части уравнения будет равно числу атомов этих элементов в левой части.

Углерода в молекуле пропана 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле пропана 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н₂О два атома водорода (8: 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО₂ равно 6 (3 * 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 * 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 5 (10: 2 = 5), т. к. в молекуле кислорода 2 атома. Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3, 76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропана в воздухе имеет вид:

С₃Н₈ + 5 (О₂ + 3, 76 N₂) = 3 CО₂ + 4 Н₂О +5 * 3, 76 N₂.

Коэффициент, стоящий перед скобкой воздуха, называется стехиометрическим коэффициентом реакции горения и обозначается β. В нашем случае β = 8.

При горении кислородосодержащих соединений в воздухе уравнивание реакции происходит аналогично. Однако при уравнивании атомов кислорода нужно учесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, которые тоже участвуют в реакции.

Для этого из количества атомов кислорода в правой части уравнения реакции нужно вычесть количество атомов кислорода, содержащихся в горючем веществе, а потом уже делить на 2.

ПРИМЕР: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта в воздухе.

С₃Н₇ОН + (О₂ + 3, 76 N₂) = CО₂ + Н₂О +3, 76 N₂

Углерода в молекуле пропилового спирта 3 атома, следовательно, в продуктах горения образуется 3 молекулы углекислого газа. Атомов водорода в молекуле 8, следовательно, в продуктах горения образуется 4 молекулы воды, так как в молекуле Н₂О два атома водорода (8: 2 = 4). В последнюю очередь уравнивается число атомов кислорода. Подсчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения: число атомов кислорода в 3 молекулах СО₂ равно 6 (3 * 2 =6); число атомов кислорода в 4 молекулах воды равно 4 (4 * 1 = 4). Всего в правой части получается 10 атомов кислорода (6 + 4 = 10), следовательно, в левой части перед скобкой мы должны поставить коэффициент равный 4, 5 (10 - 1 = 9; 9: 2 = 4, 5). Коэффициент перед азотом в продуктах горения будет равен коэффициенту перед скобкой воздуха, умноженному на 3, 76.

Окончательная запись уравнения реакции горения пропилового спирта в воздухе имеет вид:

С₃Н₇ОН +4, 5 (О₂ + 3, 76 N₂)= 3 CО₂ + 4 Н₂О +4, 5* 3, 76 N₂.

Если в состав горючего вещества входит галоген и горючее вещество не содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в свободном виде (Cl₂, Br₂ и т. д.). Если же горючее вещество содержит водород, то в продуктах горения он будет выделяться в соединении с водородом, например хлороводород (НCl).

Если в состав горючего вещества входят сера, алюминий, кремний и др., то в продуктах горения будут выделяться оксиды этих элементов (SO₂, Al₂O₃, SiO₂). При горении веществ, содержащих азот, он выделяется в виде чистого газа азота (N₂) и записывается отдельно от азота, содержащегося в воздухе.

C₂H₅Cl + 3(O₂ + 3, 76 N₂) = 2 CO₂ + 2 H₂O + HCl + 3 * 3, 76 N₂,

C₄H₄S + 6(O₂ + 3, 76 N₂) = 4CO₂ + 2 H₂O + SO₂ + 6* 3, 76 N₂,

CH₃NH₂ + 2, 25(O₂ + 3, 76 N₂) = CO₂ + 2, 5 H₂O + 0, 5 N₂ + 2, 25 * 3, 76 N₂.

ЗАДАЧИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОГО РЕШЕНИЯ

1. Написать структурные формулы, составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать стехиометрические коэффициенты.

1.1. амилбензол, абиетиновая кислота, аллиламин;

1.2. амилдифенил, адипиновая кислота, аллилизотиоцианат;

1.3. амилен, акриловая кислота, альнафт;

1.4. амилнафталин, аллилацетат, альтакс;

1.5. амилтолуол, аллилидендиацетат, амиламин;

1.6. антрацен, аллилкапроат, амилнитрат;

1.7. аценафтен, аллиловьiй спирт, амилнитрит;

1.8. ацетилен, амилацетат, амилсульфид;

1.9. бензол, амилбутират, амилтрихлорсилан;

1.10. бутилбензол, амилксилиловый эфир, амилхлорнафталин;

1.11. бутилциклогексан, амиллаурат, аминалон;

1.12. бутилциклопетан, амилметилкетон, аминоазокраситель;

1.13. гексадекан, амилолеат, аминокапроновая кислота;

1.14. гексан, амилсалицилат, аминопеларгоновая кислота;

1.15. гексилциклопентан, амилстеарат, аминоциклогексан;

1.16. гептадекан, амилфенилметиловый эфир, ампициллин;

1.17. гептан, амнлфениловый эфир, ангинин;

1.18. декан, амилформиат, анилин;

1.19. диамилбензол, анизол, антримид;

1.20. диамилнафталин, ацеталь, атофан;

1.21. дивинилацетилен, ацетальдегид, ацеклидин;

1.22. дигидроциклопентадиен, ацетилацетон, ацетанилид;

1.23. диизобутилен, ацетисалициловая кислота, ацетилхлорид;

1.24. диизопропилбензол, ацетилтрибутилцитрат, ацетоацетанилид;

1.25. диметиленциклобутан, ацетометоксан, ацетонитрил;

1.26. дитолилметан, ацетон, ацетоксим;

1.27. дифенил, ацетонилацетон, ацетоэтиламид;

1.28. дифенилметан, ацетопропиловый спирт, бензамид;

1.29. диэтилциклогексан, ацетоуксусный эфир, бензилдиэтиламин;

1.30. додекан, ацетофенон, бензилтиол;

1.31. изобутилбензол, бензальдегид, бензилхлорид;

1.32. изобутилциклогексан, бензантрон, бензилцианид;

1.33. изооктан, бензгидрол, бензимидазол;

1.34. изопентан, бензилацетат, бензоат натрия;

1.35. изопрен, бензилбензоат, бензоилхлорид;

1.36. изопропенилбензол, бензилсалицилат, бензоксазолон;

1.37. изопропилацетилен, бензилцеллозольв, бензолсульфазид;

1.38. метилциклогексан, бензилэтиловый эфир, бензолсульфамид;

1.39. метилциклопентан, бензилянтарная кислота, бензолсульфокислота;

1.40. октилтолуол, метоксибутилацетат, бензонитрил.

2. Написать структурные формулы и определить при сгорании какого горючего вещества выделится большее число молей продуктов горения?

2.1. бензофенон и бензофенонтетракарбоновая кислота;

2.2. борнеол и бутаналь;

2.3. бутановая кислота и бутилацетат;

2.4. бутилацетилрицинолеат и бутилацетоацетат

2.5. бутилбензилсебацинат и бутилбензоат;

2.6. бутилбутират и бутилвиниловый эфир;

2.7. бутилгликоль и бутилгликольацетат;

2.8. бутилглицидный эфир и бутилдиэтиладипинат;

2.9. бутилизовалериат и бутилкапронат;

2.10. бутилкарбитол и бутиллактат;

2.11. бутиллаурат и бутилметакрилат;

2.12. бутилметилкетон и бутилолеат;

2.13. бутилпропионат и бутилрициноолеат;

2.14. бутилстеарат и бутилфениловый эфир;

2.15. бутилформиат и бутилэтилацетальдегид;

2.16. бутилэтилкетон и бутилэтиловый эфир;

2.17. валериановая кислота и валериановый альдегид;

2.18. ванилин и ветиверилацетат;

2.19. ветиверовый спирт и ветинилацетат;

2.20. ветинон и винилаллиловый эфир;

2.21. винилацетат и винилбутират;

2.22. винилизобутиловый эфир и винилизооктиловый эфир;

2.23. винилизопропиловый эфир и винилкротонат;

2.24. винилметилкетон и винилоксиэтилметакрилат;

2.25. винилоктадециловый эфир и винилпропионат;

2.26. винилтриметилнониловый эфир и винилэтиловый эфир;

2.27. винилэтиловый эфир и винная кислота;

2.28. витамин А (ацетат) и витамин С;

2.29. галловая кислота и гексаналь;

2.30. гексановая кислота и гексилацетат;

2.31. гексилбутират и гексилдиэтилгексагидрофталат;

2.32. гексилметакрилат и гексилметилкетон;

2.33. гексиловый спирт и гексилпропионат;

2.34. гексилформиат и гексилцеллозольв;

2.35. гелиотропин и гептадециловый спирт;

2.36. гептаналь и гептилацетат;

2.37. гептилбутират и гептилдифенилкетон;

2.38. гептилизобутилкетон и гептилметилкетон;

2.39. гептиловый спирт и гептилпропионат;

2.40. гептилформиат и гидрохинон.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒