Способы превращения реакции горения

20 примеров реакции горения Основные моменты

реакции горения они представляют собой тип химических реакций, которые происходят, когда углеводород реагирует с кислородом с образованием углекислого газа и воды. Проще говоря, сгорание — это реакция между горючим материалом и окислителем..

Реакции горения, как и все химические реакции, необратимы. Кроме того, они являются экзотермическими, что означает, что они выделяют тепло. Однако иногда реакция происходит настолько медленно, что вы не замечаете изменения температуры.

Химическая формула для реакций горения выглядит следующим образом:

Углеводород + Кислород → Углекислый газ (СО₂+ Вода (H₂0)

Существует два типа сгорания: полное сгорание и неполное сгорание.

Полное сгорание, также называемое чистым сгоранием, — это то, что происходит, когда окисление углеводорода производит только диоксид углерода и воду, которые рассеиваются в воздухе. При полном сгорании нет следов сгоревших элементов.

Со своей стороны, неполное сгорание, также называемое грязным сгоранием, — это то, что происходит, когда окисление углеводорода приводит к образованию окиси углерода и сажи (следовательно, оно «грязное»), в дополнение к углекислому газу и воде..

Основные моменты реакций сгорания

1. Зажженная восковая свеча

Когда мы зажигаем восковую свечу, мы начинаем процесс горения. Первоначально сгорание происходит только в паве из свечей. Однако, как только пламя достигает воска, в нем также происходит горение..

Это полное сгорание, потому что, если ему разрешено гореть, воск горит до тех пор, пока не останется никаких остатков, а углекислый газ и вода не попадут в воздух..

2. Сжечь дрова

Углеводороды в древесине соединяются с кислородом с образованием воды и углекислого газа. Это очень энергичная реакция, поэтому она выделяет большое количество тепла и света для высвобождения этой энергии..

Это неполное сгорание, потому что оно производит сажу.

3. Зажженная спичка

Когда спичка трется о слегка шероховатую поверхность, трение генерирует в головке спички такое тепло (состоящее из фосфора и серы), что возникает пламя. Это неполная реакция горения, потому что от вощеной бумаги спички остались остатки.

4. Сжигание угля

Сжигание угля — это реакция горения, при которой уголь превращается из твердого в газ. В этой реакции энергия выделяется в виде тепла.

Это неполная реакция, потому что, как и в случае с древесиной, она генерирует сажу.

5. Фейерверк

Когда зажигается фейерверк, высокая температура заставляет химические вещества в нем реагировать с кислородом в атмосфере, производя тепло и свет. Это неполная реакция.

6. Костер

Костры являются примерами сгорания, которые происходят между сухими листьями, бумагой, дровами или любым другим углеводородом и нагрузкой калорийной энергией (как зажженная спичка или искра, возникающая при трении между камнями)..

7. Газовая кулинария

Газовые плиты работают с пропаном и бутаном. Эти два газа, когда они вступают в контакт с первоначальным зарядом тепловой энергии (например, спичкой), сжигаются. Это полная реакция, потому что она не создает отходов.

8. Сильные основания и органическое вещество

Сильные основания, такие как едкий натр, инициируют реакции горения при контакте с органическим веществом..

9. Странные пожары

Беспощадные пожары — это спонтанное пламя, которое образуется в болотах и ​​болотах с высоким содержанием разлагающегося органического вещества..

Это органическое вещество генерирует большое количество углеводородного газа, способного инициировать реакции горения, если они вступают в контакт с нагрузками калорийной энергии..

10. Топливо в двигателях

Моторы автомобилей используют углеводороды, чтобы быть в состоянии работать, являясь одним из основных бензинов.

Это топливо имеет примеси, которые генерируют такие продукты, как оксид серы и оксид азота. Из-за этого, это несовершенное сгорание.

11. Сжигание метанола

Сжигание метанола, также известного как метиловый спирт, является примером идеального сгорания, потому что он не генерирует больше, чем вода и углекислый газ.

12. Сжигание металлического магния

Сжигание металлического магния является примером сгорания, при котором вода и диоксид углерода не выделяются. В этом случае продукт представляет собой оксид магния. Это неполное сгорание, потому что оно производит оксид магния.

13. Лесные пожары

Лесные пожары являются примерами неконтролируемых реакций горения. Как и при сжигании древесины, они являются неполными реакциями сгорания, потому что они оставляют остатки.

14. Взрывчатка

Взрывчатые вещества, такие как нитроглицерин и порох, вызывают реакции горения, которые происходят в миллисекундах. Есть слабые и сильные взрывчатые вещества.

15. Порох

Порох слабо взрывоопасен. В случае слабых взрывчатых веществ их следует размещать в замкнутых пространствах (например, в камере с оружием), чтобы они могли работать.

16. Нитроглицерин

Нитроглицерин является сильным взрывчатым веществом. В отличие от слабых взрывчатых веществ, этот тип взрывчатых веществ не обязательно должен быть в небольшом пространстве, и они имеют большой радиус действия, поэтому они уничтожают все, что находится в их диапазоне действия.

17. Зажигалка

Зажигалки обычно содержат бутан, который при контакте с искрой зажигания вызывает реакцию горения.

В большинстве случаев это идеальное сгорание, поскольку оно не создает нежелательных отходов, а только углекислый газ и воду.

18. Обожженная бумага

Органическое вещество в бумаге горит при контакте тепловой нагрузки. Это пример неполного сгорания, потому что он оставляет отходы.

19. Масляная лампа

Масляные лампы работают с водой, маслом и павесой, которая плавает в масле. Павеза горит и, как она горит, масло потребляется.

20. Зажженная сигарета

Сигареты горят при контакте с калорийной нагрузкой. Это неполное сгорание, потому что оно оставляет пепел.

Источник

Химические процессы при горении. Природа горючих веществ. Лекция 3

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

Химические процессы при горении. Природа горючих веществ. Лекция 3

Пожаровзрывоопасностъ веществ и материалов — это совокупность свойств, характеризующих их способность к возникновению и распростране­нию горения.

Следствием горения в зависимости от его скорости и условий протека­ния может быть пожар или взрыв.

Пожаровзрывоопасность веществ и материалов характеризуется пока­зателями, выбор которых зависит от агрегатного состояния вещества (мате­риала) и условий его применения.

При определении пожаровзрывоопасности веществ и материалов раз­личают следующие агрегатные состояния:

газы — вещества, давление насыщенных паров которых при нормаль­ных условиях (25 °С и 101325 Па) превышает 101325 Па;

жидкости — вещества, давление насыщенных паров которых при нор­мальных условиях (25 °С и 101325 Па) меньше 101325 Па. К жидкостям отно­сятся также твердые плавящиеся вещества, температура плавления или каплепадения которых ниже 50 °С ;

твердые вещества и материалы — индивидуальные вещества и их сме­совые композиции с температурой плавления каплепадения выше 50 °С , а также вещества, не имеющие температуру плавления (например, древесина, ткани, торф;

пыли — диспергированные вещества и материалы с размером частиц менее 850 мкм.

Горение как химическая реакция окисления веществ с участием кислорода

Горение — один из первых сложных физико-химических процессов, с которым человек встретился еще на заре своего развития. Процесс, овладев которым, он получил огромное превосходство над окружающими его живы­ми существами и силами природы.

Горение — одна из форм получения и преобразования энергии, основа многих технологических процессов производства. Поэтому человек постоян­но изучает и познает процессы горения.

История науки о горении начинается с открытия М.В. Ломоносова: «Горение есть соединение вещества с воздухом». Это открытие послужило основанием для открытия закона сохранения массы веще ств пр и их физических и химических превращениях. Лавуазье уточнил определение процесса горения «Горение есть соединение вещества не с воздухом, а с кислородом воздуха».

В дальнейшем существенный вклад в изучение и развитие науки горении внесли советские и российские ученые А.В. Михельсон , Н.Н. Семенов, Я.В. Зельдовия , Ю.Б. Харитон, И.В. Блинов и др.

В основе процесса горения лежат экзотермические окислительно-восстановительные реакции, которые подчиняются законам химической кинетики, химической термодинамики и другим фундаментальным законам (закону сохранения массы, энергии и т.д.).

Горением называется сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислоро­дом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым свечением.

В основе процесса горения лежит химическая реакция окисления, т.е. соединения исходных горючих веществ с кислородом. В уравнениях химиче­ских реакций горения учитывают и азот, который содержится в воздухе, хотя в реакциях горения не участвует. Состав воздуха условно принимают посто­янным , содержащим 21 % по объему кислорода и 79 % азота (в весовых со­ответственно 23 % и 77 % азота), т.е. на 1 объем кислорода приходится 3.76 объема азота. Или на 1 моль кислорода приходится 3.76 моль азота. Тогда, например, реакцию горения метана в воздухе можно записать так:

Азот в уравнениях химических реакций учитывать необходимо потому, что он поглощает часть тепла, выделяемого в результате реакций горения, и вхо­дит в состав продуктов горения — дымовых газов.

Рассмотрим процессы окисления.

Окисление водорода осуществляется по реакции:

Экспериментальные данные о реакции между водородом и кислородом много­численны и разнообразны. В любом реальном (высокотемпературном) пла­мени в смеси водорода и кислорода, возможно образование радикала * ОН или атомов водорода Н и кислорода О , которые инициируют окисление во­дорода до паров воды.

Горение углерода . Углерод, образующийся в пламенах , может быть газооб­разным, жидким или твердым. Его окисление независимо от агрегатного со­стояния происходит за счет взаимодействия с кислородом. Горение может быть полным или неполным, что определяется содержанием кислорода:

С + О ₂ = СО₂ (полное) 2С + О₂ = 2СО (неполное)

Гомогенный механизм не исследован (углерод в газообразном состоянии). Взаимодействие углерода в твер­дом состоянии наиболее изучено. Этот процесс схематически можно пред­ставить из следующих этапов:

1. доставка окислителя (О ₂ ) к поверхности раздела фаз путем молекулярной и конвективной диффузии;

2. физическая адсорбция молекул окислителя;

3. взаимодействие адсорбированного окислителя с поверхностными атомами углерода и образование продуктов реакции;

4. десорбция продуктов реакции в газовую фазу.

Горение окиси углерода . Суммарная реакция горения окиси углерода запишется СО + 0.5О ₂ = СО₂, хотя окисление монооксида углерода имеет более сложный механизм Основные закономерности горения окиси углерода можно объяснить на ос­новании механизма горения водорода, включая в него реакции взаимодейст­вия окиси углерода с образующимся в системе гидрооксидом и атомным ки­слородом, т.е. процесс этот многостадийный:

* ОН + СО = СО ₂ + Н; О + СО = СО₂

Прямая реакция СО + О ₂ —> СО₂ маловероятна, так как реальные сухие смеси СО и О₂ характеризуются чрезвычайно низкими скоростями горения или не могут воспламениться вообще.

Окисление простейших углеводородо в. Метан горит с образованием диоксида углерода и паров воды:

Но этот процесс на самом деле включает в себя целый ряд реакций, в которых участвуют моле­кулярные частицы с высокой химической активностью (атомы и свободные радикалы): * СН₃, * Н, * ОН. Хотя эти атомы и радикалы существуют в пламени короткое время, они обеспечивают быстрый расход горючего. В процессе го­рения природного газа возникают комплексы углерода, водорода и кислоро­да, а также комплексы углерода и кислорода, при разрушении которых обра­зуются СО, СО ₂ , Н₂О. Предположительно схему горения метана можно запи­сать так:

Термическое разложение, пиролиз твердых веществ

При повышении температуры твердого горючего материала происхо­дит разрыв химических связей с образованием более простых компонентов (твердых, жидких, газообразных). Этот процесс называется термическим раз­ложением или пиролизом. Термическое разложение молекул органических соединений происходит в пламени, т.е. при повышенных температурах вбли­зи поверхности горения. Закономерности разложения зависят не только от горючего, но и от температуры пиролиза, скорости ее изменения, размеров образца, его формы, степени распада и т.д.

Рассмотрим процесс пиролиза на примере наиболее распространенного твердого горючего материала — древесины.

Древесина представляет собой смесь большого количества веществ различного строения и свойств. Основными ее компонентами являются гемицеллюлоза (25 %), целлюлоза (50 %), лигнин (25 %). Гемицеллюлоза со­стоит из смеси пентазанов (С₅Н₈О₄), гексазанов (С₆Н₁₀О₅), полиуронидов . Лигнин имеет ароматическую природу и содержит связанные с ароматиче­скими кольцами углеводы. В среднем древесина содержит 50 % С , 6 % Н, 44 % О. Это пористый материал, объем пор в котором достигает 50 — 75 %. Наи­менее термостойким компонентом древесины является гемицеллюлоза (220 — 250°С), наиболее термостойким компонентом — лигнин (интенсивное его разложение наблюдается при температуре 350 — 450°С). Итак, разложение древесины состоит из следующих процессов:

сушка, удаление физически связанной воды

Разложение наименее стойких компонентов ( лумино-вых кислот) с выделением СО ₂ , Н₂О

пиролиз древесины с выделением СО, СН ₄ , Н₂, СО₂, Н₂О и т.д.; образующаяся смесь способна воспламе­няться от источника зажигания

Интенсивный пиролиз с выделением основной массы горючих веществ (до 40 % от всей массы); газообраз­ная смесь состоит из 25 % Н ₂ и 40 % предельных и ненасыщенных углеводородов; обеспечивается мак­симальная поставка летучих компонентов в зону пла­мени; процесс на этой стадии экзотермический; коли­чество тепла, которое выделяется, достигает 5 — 6 % от низшей теплоты сгорания Q ≈ 15000 кДж/кг

Скорость термического разложения резко снижается; выход летучих компонентов прекращается (конец пи­ролиза); при 600 °С выделение газообразных продук­тов прекращается

Аналогично древесине протекает пиролиз каменного угля, торфа. Од­нако выход летучих у них наблюдается при других температурах. Каменный уголь состоит их более твердых термостойких углеродсодержащих компо­нентов, и разложение его протекает менее интенсивно и при более высоких температурах (рис.1).

По характеру горения металлы делятся на две группы: летучие и неле­тучие. Летучие металлы имеют Т_{пл .} K и Т_{кип .} K . К ним относятся щелочные металлы (литий, натрий, калий) и щелочноземельные (магний, кальций). Горение металлов осуществляется следующим образом: 4 Li + О ₂ = 2 Li ₂ O . Нелетучие металлы имеют Т_{пл .} > 1000 K и Т_{кип .}> 2500 K .

Механизм горения во многом определяется свойствами оксида металла. Температура летучих металлов ниже температуры плавления их оксидов. При этом последние представляют собой достаточно пористые образования. При поднесении искры зажигания к поверхности металла происходит его испарение и окисление.

При достижении концентрации паров, равной нижнему концентрационному пределу воспламенения, происходит их воспламенение. Зона диффузионного горения устанавливается у поверхности, большая доля тепла передается металлу, и он нагревается до температуры кипения.

Образующиеся пары, свободно диффундируя через пористую оксидную пленку, поступают в зону горения. Кипение металла вызывает периодическое разрушение оксидной пленки, что интенсифицирует горение. Продукты горения (оксиды металлов) диффундируют не только к поверхности металла, способствуя образованию корки оксида металла, но и в окружающее пространство, где, конденсируясь, образуют твердые частицы в виде белого дыма. Образование белого плотного дыма является визуальным признаком горения летучих металлов.

У нелетучих металлов, обладающих высокими температурами фазово­го перехода, при горении на поверхности образуется весьма плотная оксидная пленка, которая хорошо сцепляется с поверхностью металла. В результате этого скорость диффузии паров металла через пленку резко снижается и крупные частицы, например, алюминия или бериллия, гореть не способны. Как правило, пожары таких металлов имеют место в том случае, когда они вводятся в виде стружки, порошков, аэрозолей. Их горение происходит без образования плотного дыма. Образование плотной оксидной пленки на поверхности металла приводит к взрыву частицы. Это явление особенно, часто наблюдающееся при движении частицы в высокотемпера­турной окислительной среде, связывают с накоплением паров металлов под оксидной пленкой с последующим внезапным ее взрывом. Это естественно приводит к резкой интенсификации горения.

Пыль — это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсной среды (воздух) и твердой фазы (мука, сахар, древесина, уголь и т.д.).

Распространение пламени по пыли происходит за счет прогрева холодной смеси лучистым потоком от фронта пламени. Твердые частицы, поглощая тепло от лучистого потока, нагреваются, разлагаются с выделением горючих продуктов, которые образуют горючие смеси с воздухом.

Аэрозоль, имеющая очень мелкие частицы, при воспламенении быстро сгорает в зоне воздействия источника зажигания. Однако толщина зоны пламени настолько мала, что интенсивность его излучения оказывается недостаточной для разложения частиц, и стационарного распространения пламени по таким частицам не происходит.

Аэрозоль, содержащая крупные частицы, также неспособна к стационарному горению. С увеличением размера частиц снижается удельная поверхность теплообмена, и возрастает время их прогрева до температуры разложения.

Если время образования горючей паровоздушной смеси перед фронтом пламени за счет разложения частичек твердого материала больше времени существования фронта пламени, то горение происходить не будет.

Факторы, влияющие на скорость распространения пламени по пылевоздушным смесям:

1. концентрация пыли (максимальная скорость распространения пламени имеет место для смесей несколько выше стехиометрического состава, например, для торфяной пыли при концентрации 1 — 1.5 кг/м 3 );

2. зольность (при увеличении зольности уменьшается концентрация горючего компонента и уменьшается скорость распространения пламени);

3. содержание кислорода в окружающей среде (с уменьшением содержания кислорода скорость распространения пламени снижается).

Классификация пыли по взрывопожарной опасности:

I класс — наиболее взрывоопасная пыль (концентрация до 15 г/м 3 );

II класс — взрывоопасная до 15-65 г/м 3

III класс — наиболее пожароопасная > 65 г/м 3 Т_св ≤ 250°С;

IV класс — пожароопасная > 65 г/м 3 Т_св > 250°С.

Существует ряд веществ, которые при повышении их температуры выше определенного уровня претерпевают химическое разложение, приводя­щее к свечению газа, едва отличимому от пламени. Пороха и некоторые синтетические материалы могут гореть без доступа воздуха или в нейтральной среде (в чистом азоте).

Горение целлюлозы (звено — С₆Н₇О₂(ОН)₃ — ) можно представить в виде внут­ренней окислительно-восстановительной реакции в молекуле, содержащей атомы кислорода, которые могут реагировать с углеродом и водородом целлюлозного звена.

Пожар, в котором участвует нитрат аммония, может поддерживаться без подвода кислорода. Эти пожары вероятны при большом содержании нит­рата аммония (около 2000 т) в присутствии органического вещества, в част­ности, бумажных пакетов или упаковочных мешков.

В качестве примера можно привести аварию в 1947 г. Судно “ Grandcamp ” назодилось в порту Техас-Сити с грузом около 2800 т нитрата аммония. Пожар возник в грузовом отсеке с нитратом аммония, упакованном в бумажные мешки. Капитан судна принял решение не гасить огонь водой, чтобы не испортить груз, и пытался ликвидировать пожар, задраив палубные люки и впуская пар в грузовой отсек. Такие меры способствуют ухудшению ситуации, усиливая пожар без доступа воздуха, поскольку происходит подогрев нитрата аммония. Пожар начался в 8 часов утра, а в 9 час. 15 мин .п роизошел взрыв. В результате погибло более 200 человек, столпившихся в порту и наблюдавших за пожаром, в том числе команда судна и экипаж двух самолетов из 4 человек, облетавших судно.

В 13 час 10 мин следующего дня на другом судне, транспортировавшем нитрат аммония и серу, которое загорелось от первого судна накануне, также произошел взрыв.

Маршалл описывает пожар, возникший вблизи Франкфурта в 1961 г. Самопроизвольное термическое разложение, вызванное лентой транспортера, привело к загоранию 8.. т удобрений, треть этого количества составлял нитрат аммония, а остальное — инертные вещества, используемые в качестве удобрений. Пожар продолжался 12 часов. В результате пожара выделялось большое количество ядовитых газов, в состав которых входил азот.

Источник