При горении органических соединений образуется. Общие сведения о горении
Продуктами сгорания называют газообразные, жидкие и твердые вещества, образующиеся в результате соединения горючего вещества с кислородом в процессе горения. Состав их зависит от состава горящего вещества и условий его горения. В условиях пожара чаще всего горят органические вещества (древесина, ткани, бензин, керосин, резина и др.), в состав которых входят главным образом углерод, водород, кислород и азот. При горении их в достаточном количестве воздуха и при высокой температуре образуются продукты полного сгорания: СО 2 , Н 2 О, N 2 . При горении в недостаточном количестве воздуха или при низкой температуре кроме продуктов полного сгорания образуются продукты неполного сгорания: СО, С (сажа).
Продукты сгорания называют влажными , если при расчете их состава учитывают содержание паров воды, и сухими , если содержание паров воды не входит в расчетные формулы.
Реже во время пожара горят неорганические вещества, такие как сера, фосфор, натрий, калий, кальций, алюминий, титан, магний и др. Продуктами сгорания их в большинстве случаев являются твердые вещества, например Р 2 О 5 , Na 2 O 2 , CaO, MgO. Образуются они в дисперсном состоянии, поэтому поднимаются в воздух в виде плотного дыма. Продукты сгорания алюминия, титана и других металлов в процессе горения находятся в расплавленном состоянии.
Дым представляет собой дисперсную систему, состоящую из мельчайших твердых частиц, взвешенных в смеси продуктов сгорания с воздухом. Диаметр частиц дыма колеблется от 1 до 0,01 мкм. Объем дыма, образующегося при горении единицы массы (кг)
или объема (м 3) горючего вещества в теоретически необходимом объеме воздуха (L=1) приведен в табл. 1.2.
Таблица 1.2
Объем дыма при горении горючих веществ
|
Наименование горючего вещества |
Объем дыма, м 3 /кг |
Наименование горючего газа |
Объем дыма, м 3 / м 3 |
|
Ацетилен |
|||
|
Древесина (сосна) (W = 20 %) |
|||
|
Природный газ |
|||
В составе дыма, образующегося на пожарах при горении органических веществ, кроме продуктов полного и неполного сгорания, содержатся продукты термоокислительного разложения горючих веществ. Образуются они при нагреве еще негорящих горючих веществ, находящихся в среде воздуха или дыма, содержащего кислород. Обычно это происходит перед факелом пламени или в верхних частях помещений, где находятся нагретые продукты сгорания.
Состав продуктов термоокислительного разложения зависит от природы горючих веществ, температуры и условий контакта с окислителем. Так, исследования показывают, что при термоокислительном разложении горючих веществ, в молекулах которых содержатся гидроксильные группы, всегда образуется вода. Если в составе горючих веществ находятся углерод, водород и кислород, продуктами термоокислительного разложения чаще всего являются углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны и органические кислоты. Если в составе горючих веществ, кроме перечисленных элементов, есть хлор или азот, то в дыме находятся также хлористый и цианистый водород, оксиды азота и другие соединения. Так, в дыме при горении капрона содержится цианистый водород, при горении линолеума «Релин» – сероводород, диоксид серы, при горении органического стекла – оксиды азота. Продукты неполного сгорания и термоокислительного разложения в большинстве случаев являются токсичными веществами, поэтому тушение пожаров в помещениях производят только в кислородных изолирующих противогазах.
Вид формулы для расчета объема продуктов полного сгорания при теоретически необходимом количестве воздуха зависит от состава горючего вещества.
Горючее вещество – индивидуальное химическое соединение. В этом случае расчет ведут, исходя из уравнения реакции горения. Объем влажных продуктов сгорания единицы массы (кг) горючего вещества при нормальных условиях рассчитывают по формуле
где - объем влажных продуктов сгорания, м 3 /кг; , , , — число киломолей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего вещества в уравне- нии реакции горения; М – масса горючего вещества, численно равная молекулярной массе, кг.
Пример 1.2. Определить объем сухих продуктов сгорания 1 кг ацетона при нормальных условиях. Составляем уравнение реакции горения ацетона в воздухе
Определяем объем сухих продуктов сгорания ацетона
Объем влажных продуктов сгорания 1 м 3 горючего вещества (газа) можно рассчитать по формуле
, (1.10)
где - объем влажных продуктов сгорания 1 м 3 горючего газа, м 3 /м 3 ; , , , — число молей диоксида углерода, паров воды, азота и горючего вещества (газа).
Горючее вещество – сложная смесь химических соединений. Если известен элементный состав сложного горючего вещества, то состав и количество продуктов сгорания 1 кг вещества можно определить по уравнению реакции горения отдельных элементов. Для этого составляют уравнения реакции горения углерода, водорода, серы и определяют объем продуктов сгорания, приходящийся на 1 кг горючего вещества. Уравнение реакции горения имеет вид
С + О 2 + 3,76N 2 = СО 2 + 3,76N 2 .
При сгорании 1 кг углерода получается 22,4/12 = 1,86 м 3 СО 2 и 22,4×3,76/12 =7,0 м 3 N 2 .
Аналогично определяют объем (в м 3) продуктов сгорания 1 кг серы и водорода. Полученные данные приведены ниже:
|
Углерод ……….. |
||||
|
Водород ……….. |
||||
|
Сера …………… |
При горении углерода, водорода и серы кислород поступает из воздуха. Однако в состав горючего вещества может входить кислород, который также принимает участие в горении. В этом случае воздуха на горение вещества расходуется соответственно меньше.
В составе горючего вещества могут находиться азот и влага, которые в процессе горения переходят в продукты сгорания. Для их учета необходимо знать объем 1 кг азота и паров воды при нормальных условиях.
Объем 1 кг азота равен 0,8 м 3 , а паров воды 1,24 м 3 . В воздухе при 0 0 С и давлении 101 325 Па на 1 кг кислорода приходится 3,76×22,4/32=2,63 м 3 азота.
На основании приведенных данных определяют состав и объем продуктов сгорания 1 кг горючего вещества.
Пример 1.3. Определить объем и состав влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля, состоящего из 75,8 % С, 3,8 % Н, 2,8 % О, 1,1 % N , 2,5 % S , W = 3,8 %, A =11,0 %.
Объем продуктов сгорания будет следующий, м 3 (табл. 1.3).
Объем продуктов сгорания каменного угля
|
Состав продуктов сгорания |
||
|
Углерод |
1,86 × 0,758 = 1,4 |
|
Водород |
11,2 × 0,038 = 0,425 |
|
|
Сера |
||
|
Азот в горючем веществе |
||
|
Влага в горючем веществе |
1,24 × 0,03 = 0,037 |
|
|
Сумма |
Продолжение табл. 1.3
|
Состав продуктов сгорания |
N 2 |
|
|
Углерод |
7 × 0,758 = 5,306 |
|
|
Водород |
21 × 0,038 = 0,798 |
|
|
Сера |
2,63 × 0,025 = 0,658 |
0,7 × 0,025 = 0,017 |
|
Азот в горючем веществе |
0,8 × 0,011 = 0,0088 |
|
|
Влага в горючем веществе |
||
|
Сумма |
6,7708 - 0,0736 = 6,6972 |
Из общего объема азота вычитают объем азота, приходящийся на кислород в составе каменного угля 0,028 × 2,63 = 0,0736 м 3 . Итог табл. 1.3 указывает состав продуктов сгорания каменного угля. Объем влажных продуктов сгорания 1 кг каменного угля равен
=1,4 + 0,462 + 6,6972 + 0,017 = 8,576 м 3 /кг.
Горючее вещество – смесь газов. Количество и состав продуктов сгорания для смеси газов определяют по уравнению реакции горения компонентов, составляющих смесь. Например, горение метана протекает по следующему уравнению:
СН 4 + 2О 2 + 2×3,76N 2 = СО 2 + 2Н 2 О + 7,52N 2 .
Согласно этому уравнению, при сгорании 1 м 3 метана получается 1 м 3 диоксида углерода, 2 м 3 паров воды и 7,52 м 3 азота. Аналогично определяют объем (в м 3) продуктов сгорания 1 м 3 различных газов:
|
Водород ………………. |
||||
|
Окись углерода ………. |
||||
|
Сероводород …………. |
||||
|
Метан ………………… |
||||
|
Ацетилен ……………… |
||||
|
Этилен ………………… |
На основании приведенных цифр определяют состав и количество продуктов сгорания смеси газов.
Анализ продуктов сгорания, взятых на пожарах в различных помещениях, показывает, что в них всегда содержится значительное количество кислорода. Если пожар возникает в помещении с закрытыми оконными и дверными проемами, то пожар при наличии горючего может продолжаться до тех пор, пока содержание кислорода в смеси воздуха с продуктами сгорания в помещении не снизится до 14 – 16 % (об.). Следовательно, на пожарах в закрытых помещениях содержание кислорода в продуктах сгорания может быть в пределах от 21 до 14 % (об.). Состав продуктов сгорания во время пожаров в помещениях с открытыми проемами (подвал, чердак) показывает, что содержание в них кислорода может быть ниже 14 % (об.):
|
В подвалах ……… |
|||
|
На чердаках ……. |
Пример 1.4. Определить коэффициент избытка воздуха при пожаре в помещении, если во взятом на анализе дыме содержалось 19 % (об.) О 2 . Коэффициент избытка воздуха находим, пользуясь формулой (1.8).
.
После изучения вопроса о продуктах сгорания решите самостоятельную задачу.
Задача 1.3. Определить объем влажных продуктов сгорания 1 м 3 доменного газа, состоящего из 10,5 % СО 2 , 28 % СО, 0,3 % СН 4 , 2,7 % Н 2 и 58,5 % N 2 .
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
______________________________________________________________________
Ответ: V n.c = 1,604 м 3 /м 3 .
Горение – химический процесс соединения топлива с окислителем, сопровождающийся интенсивным тепловыделением и резким повышением температуры продуктов сгорания.
Горение сопровождается смесеобразованием, диффузией, воспламенением, теплообменом и другими процессами, протекающими в условиях тесной взаимосвязи.
Различают гомогенное и гетерогенное горение. При гомогенном горении тепло- и массообмен протекают между веществами, находящимися в одинаковом агрегатном состоянии (обычно газообразном).
Гетерогенное горение свойственно жидкому и твердому топливам.
Скорость химической реакции зависит от концентрации реагирующих веществ, температуры и давления и определяется произведением концентраций реагирующих веществ
где k 0 – эмпирическая константа.
Энергия активации E – это наименьшая энергия (для газовых смесей 85–170 МДж/кмоль), которой должны обладать молекулы в момент столкновения, чтобы быть способными к химическому взаимодействию. Разность энергий активации прямой и обратной реакции составляет тепловой эффект химической реакции.
Реакции характеризуются сильной экзотермичностью, обусловливающей рост температуры. Влияние температуры на скорость реакции значительно сильнее влияния концентрации реагирующих веществ. Поэтому, несмотря на уменьшение концентрации реагирующих веществ при горении, скорость реакции горения увеличивается и достигает максимума после выгорания 80–90% горючих веществ. Реакции горения газообразного топлива протекают практически мгновенно, что объясняется не только сильным влиянием температуры, но и цепным характером их протекания.
Скорость реакции зависит также от
давления
(n
– порядок реакции).
Процесс горения топлива имеет две области: кинетическую, в которой скорость горения топлива определяется скоростью химической реакции, и диффузионную, в которой регулятором скорости выгорания является скорость смесеобразования. Примером кинетической области горения является горение однородной газовоздушной смеси. Диффузионно горит газообразное топливо, вводимое в реакционную камеру отдельно от окислителя.
Кинетическая область химического воздействия на скорость горения наиболее сильно ощущается при низких концентрациях, температурах и давлениях в смеси. В этих условиях химическая реакция может настолько замедлиться, что сама станет тормозить горение. Диффузионная область воздействия на скорость выгорания топлива проявляется при высоких концентрациях и температурах. Химическая реакция протекает очень быстро, и задержка в горении может быть вызвана недостаточно высокой скоростью смесеобразования.
Процесс смесеобразования практически не зависит от температуры.
Кинетическое горение готовой горючей смеси при турбулентном режиме движения очень неустойчиво. Поэтому в высокопроизводительных промышленных топочных устройствах при турбулентном режиме движения газовоздушных потоков горение является в основном диффузионным.
Процесс горения горючей смеси может начаться путем самовоспламенения или принудительного воспламенения (электрическая искра, факел и т.п.). Температура самовоспламенения определяется соотношением количества теплоты, выделяющегося при горении и отдаваемого во внешнюю среду. Количество теплоты, выделяющееся при горении, зависит от температуры и изменяется по экспоненте 1 (рис. 1.1)
где α – коэффициент теплоотдачи; A – площадь поверхности;T с - температура охлаждаемой стенки.
При небольшом отводе теплоты (прямая 2""" ) количество выделяемой теплотыq в >q от, поэтому реакция сопровождается повышением температуры системы, приводящим к самовоспламенению.
При большем отводе теплоты (прямая 2"" ) в точке Вq в =q от. ТемператураT в в этой точке называется температурой воспламенения горючей смеси. Она зависит от условий отвода теплоты и не является физико-химической константой, характеризующей данную горючую смесь. При увеличении отвода теплоты (прямая2" ) самовоспламенение невозможно. Точка А соответствует стабилизированному окислению в области низких температур, а точка Б – неустойчивому равновесию в области высоких температур.
Температура воспламенения может быть найдена из условий
q в =q от иdq в /dT =dq от /dT ,
определяемых точкой В (см. рис. 1.1).
С учетом уравнений (1.8) и (1.9) имеем
.
Решив это уравнение, получим
|
|
.Температура воспламенения T в для некоторых газов приведена в табл. 1.4.
Минимальная и максимальная концентрации горючей составляющей, ниже и выше которых не происходит принудительное воспламенение смеси, называются концентрационными пределами воспламенения (табл. 1.4); они зависят от количества и состава негорючих составляющих газообразного топлива, повышающих нижний и понижающих верхний пределы воспламенения.
ГОРЕНИЕ, сложный физико-химический процесс превращения вещества; развивается в режиме прогрессирующего самоускорения, связанного с лавинообразным накоплением в реагирующей системе тепловой энергии и активных промежуточных частиц - атомов, свободных радикалов и др. Горение используется в энергетике при производстве теплоты, работе транспорта, реактивных двигателей, а также в технологических процессах и осуществляется главным образом в камерах сгорания двигателей, топках, печах. С явлением горения человек имеет дело при пожарах, производстве и использовании взрывчатых веществ.
Развитие представлений о горении связано с именами М. Фарадея (горение свечи), М. В. Ломоносова (соединение веществ с кислородом), горения Шталя (теория флогистона), В. А. Михельсона (теория скорости распространения пламени) и др. В разработку современной теории горения значительный вклад внесли российские учёные Н. Н. Семёнов, Я. Б. Зельдович, Д. А. Франк-Каменецкий и др.
В большинстве случаев в основе горения лежит реакция окисления, в которой в качестве так называемого горючего могут участвовать почти все органические и многие неорганические вещества, в качестве окислителя - кислород, озон, галогены, перхлораты, нитросоединения и пр. Например, наибольшее практическое значение имеют процессы горения углеводородных горючих (природного горючего газа, нефти, углей, торфа и пр.) в присутствии кислорода. В режиме горения происходят также некоторые другие реакции (например, разложения, прямого синтеза из элементов).
В реальных условиях помимо продуктов полного сгорания, не способных к дальнейшему горению (диоксида углерода, воды и пр.), образуются другие химические соединения, называемые продуктами неполного горения, в том числе монооксид углерода, оксиды азота, серы, альдегиды, кислоты, бенз[а]пирен. Именно они обусловливают вредность и токсичность выбросов, загрязняют среду обитания и в итоге создают для современного общества экологические проблемы. Многие специалисты полагают, что за счёт процессов организованного горения, главным образом в энергетике, сопровождающихся образованием диоксида углерода и других парниковых газов, происходит потепление климата. К ухудшению качества среды обитания приводят также лесные и торфяные пожары, пожары на складах, химических предприятиях (в том числе использующих технологии хлорорганического синтеза), в местах добычи и переработки нефти и на других пожаро- и взрывоопасных объектах. Например, при горении трансформаторных жидкостей, твёрдых бытовых отходов, полимерных материалов на основе поливинилхлорида происходит образование диоксинов и других суперэкотоксикантов и загрязнение ими окружающей среды.
Основными характеристиками горения являются теплота сгорания горючего вещества, а также адиабатическая температура (температура, которая теоретически могла бы быть достигнута при полном сгорании вещества без потерь теплоты) и скорость процесса. Химические превращения при горении сопровождаются интенсивным тепло- и массообменом с окружающей средой и характеризуются соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. При горении происходит излучение света в разных диапазонах длин волн, но, как правило, яркое свечение пламенем наблюдается в видимой области. Полное описание процесса горения можно провести с использованием закономерностей макрокинетики.
Важнейшая особенность процесса горения - способность к распространению в пространстве. Различают дефлаграционное и детонационное горение. В первом случае (дефлаграция) распространение горения осуществляется за счёт теплопроводности путём передачи теплоты от горящего объёма в соседние участки смеси, во втором - зажигание и распространение горения происходит за счёт сжатия вещества ударной волной (горение взрывчатых веществ). В свою очередь, дефлаграционное горение подразделяют на ламинарное и турбулентное.
Обычно линейная скорость горения выражается через скорость перемещения фронта реакции (пламени), массовая скорость горения - как количество горючего, сгорающего в единицу времени. Скорость горения зависит от природы и состава горючей смеси, давления и пр. Например, при ламинарном горении углеводородных воздушных смесей скорость распространения пламени составляет в среднем 0,4-0,8 м/с. Распространение пламени в турбулентном потоке газа приводит к искажению фронта горения, расширению зоны протекания химических реакций, а следовательно, к ускорению горения. На скорость горения влияют степень и масштабы турбулентности.
По агрегатному состоянию окислителя и горючего горение разделяют на гомогенное и гетерогенное. Примером гомогенного горения является горение пламенем горючих газов, паров керосина, бензина, спирта в воздухе. При гетерогенном горении (в том числе тлении - беспламенном горения) реакция происходит на поверхности раздела фаз газ - твёрдое тело (металлы, уголь). Если окислитель и горючее предварительно смешаны между собой, то гомогенное горения происходит в кинетическом режиме. Так как температура горения намного выше температуры кипения жидкостей и температуры возгонки некоторых твёрдых веществ, то их горение протекает в гомогенной смеси, а если горючее и окислитель заранее не смешаны, то в диффузионном режиме. Для газовых систем возможны как кинетический, так и диффузионный режимы горения. Определяющая роль разветвлённого цепного механизма процессов газофазного горения позволяет управлять этими процессами путём варьирования скоростей разветвления и обрыва цепей с помощью химически активных примесей.
Для любого вида горения характерны стадия воспламенения и последующий период устойчивого горения вещества с образованием продуктов полного и неполного горения. Различают два способа теплового воспламенения: самовоспламенение и зажигание. При самовоспламенении процесс происходит во всём объёме горючей смеси. При зажигании (вынужденном воспламенении) нагрев системы или накопление активных центров происходит вблизи источника зажигания (искра, пламя, нагретое тело). Температура воспламенения зависит от давления, состава горючего и прочих параметров и для большинства органических веществ находится в интервале 500-800 К.
Существуют критические предельные параметры горения, и вне этих пределов горения (как самопроизвольно протекающий процесс) невозможно. Этими параметрами для каждой горючей смеси являются соотношение объёмов горючего и окислителя, температура, давление, содержание примесей, в том числе концентрация в горючей смеси флегматизаторов (СО 2 , N 2 , Ar и др.) и ингибиторов (С 2 F 4 Br 2 , CH 2 CI 2 F 2 и др.), и пр. Для газов обычно указывают концентрационные, для жидкостей и твёрдых веществ - температурные пределы горения.
Выяснение законов горения и установление критических параметров воспламенения, развития и прекращения процесса горения - необходимое условие управления процессами горения, используемыми в различных сферах человеческой деятельности, обеспечения пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов и объектов.
Лит.: Зельдович Я. Б. Теория горения и детонации газов. М.; Л., 1944; Иост В. Взрывы и горение в газах. М., 1952; Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М., 1954; Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. М., 1957; Кнорре Г. Ф. Топочные процессы. 2-е изд. М.; Л., 1959; Гейдон А. Г., Вольфгард Х. Пламя, его структура, излучение и температура. М., 1959; Вильямс Ф. А. Теория горения. М., 1971; Математическая теория горения и взрыва. М., 1980; Lewis В., Elbe G. von. Combustion, flames and explosions of gases. 3rd ed. Orlando, 1987; Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 3-е изд. М., 1987; Denisov Е. Т., Azatyan V. V. Inhibition of chain reactions. L., 2000; Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. М., 2001.
Всем нам практически ежедневно приходится сталкиваться с тем или иным проявлением процессом горения. В нашей статье мы хотим более подробно рассказать какие особенности включает в себя данный процесс с научной точки зрения.
Является основной составляющим процессом на пожаре. Пожар начинается с возникновения горения, его интенсивность развития как правило путь пройденный огнем, то есть скорость горения, а тушение заканчивается прекращением горения.
Под горением обычно понимают экзотермическую реакцию между горючим и окислителем, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из трех следующих факторов: пламенем, свечением, дымообразованием. Из-за сложности процесса горения указанное определение не является исчерпывающим. В нем не учтены такие важнейшие особенности горения, как быстрое протекание лежащей в его основе экзотермической реакции, ее самоподдерживающийся характер и способность к самораспространению процесса по горючей смеси.
Различие между медленной экзотермической окислительно-восстановительной реакцией (коррозия железа, гниение) и горением заключается в том, что последняя протекает настолько быстро, что теплота производится быстрее, чем рассеивается. Это приводит к повышению температуры в зоне реакции на сотни и даже тысячи градусов, к видимому свечению и образованию пламени. По сути так образуется пламенное горение.Если происходит выделение тепла но пламя при это отсутствует, то этот процесс называется тлением.И в том и в другом процессе происходит – аэрозоля полного или неполного сгорания веществ. Стоит отметить, что при горении некоторых веществ пламени не видно, а также отсутствует и выделение дыма, к таким веществам относится водород. Слишком быстрые реакции (взрывчатое превращение) также не входят в понятие горения.
Необходимым условием для возникновения горения является наличие горючего вещества, окислителя (при пожаре его роль выполняет кислород воздуха) и источника зажигания. Для непосредственного возгорания необходимо наличие критических условий по составу горючей смеси, геометрии и температуре горючего материала, давлению и др. После возникновения горения в качестве источника зажигания выступает уже само пламя или зона реакции.
Например, метан способен окисляться кислородом с выделением тепла до метилового спирта и муравьиной кислоты при 500-700 К. Однако, чтобы реакция продолжилась, необходимо пополнение теплоты за счет внешнего подогрева. Горением это не является. При нагревании реакционной смеси до температуры выше 1000 К скорость окисления метана возрастает настолько, что выделяющегося тепла становится достаточно для дальнейшего продолжения реакции, необходимость в подводе теплоты извне исчезает, начинается горение. Таким образом, реакция горения, возникнув, способна сама себя поддерживать. Это главная отличительная особенность процесса горения. Другая, связанная с ней особенность - способность пламени, являющегося зоной химической реакции, самопроизвольно распространяться по горючей среде или горючему материалу со скоростью, определяемой природой и составом реакционной смеси, а также условиями процесса. Это основной механизм развития пожара.
Типичная модель горения построена на реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха. Множество физических и химических процессов сопровождают горение. Физика это перенос тепла в систему. Окислительные и восстановительные реакции это составляющая природы горения со стороны химии. Отсюда из понятия горение вытекают самые разные химические превращения, включая разложение исходных соединений, диссоциации и ионизации продуктов.
Совокупность горючего вещества или материала с окислителем представляет собой горючую среду. В результате разложения горючих веществ под воздействием источника зажигания происходит образование газопаровоздушной реакционной смеси. Горючие смеси, которые по составу (соотношению компонентов горючего и окислителя) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Они наиболее опасны в пожарном отношении: легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, в результате чего выделяют максимальное количество теплоты.
Рис. 1. Формы диффузионных пламен
а – горение реактивной струи, б – горение разлитой жидкости, в – горение лесной подстилки
По соотношению количества горючего материала и объема окислителя различают бедные и богатые смеси: бедные содержат в изобилии окислитель, богатые - горючий материал. Минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания единицы массы (объема) того или иного горючего вещества, определяется по уравнению химической реакции. При горении с участием кислорода требуемый (удельный) расход воздуха для большинства горючих веществ находится в пределах 4-15 м 3 /кг. Горение веществ и материалов возможно только при обусловленном содержании в воздухе их паров или газообразных продуктов, а также при концентрации кислорода не ниже заданного предела.
Так, для картона и хлопка самопотухание наступает уже при 14 об. % кислорода, а полиэфирной ваты - при 16 об. %. В процессе горения, как и в других химических процессах, обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между реагентами и само взаимодействие молекул горючего с окислителем с образованием продуктов реакции. Если скорость превращения исходных реагентов определяется диффузионными процессами, т.е. скоростью переноса (пары горючих газов и кислорода переносятся в зону реакции за счет градиента концентраций в соответствии с законами диффузии Фика), то такой режим горения называется диффузионным. На рис. 1 приведены различные формы диффузионных пламен. При диффузионном режиме зона горения размыта, и в ней образуется значительное количество продуктов неполного сгорания. Если же скорость горения зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии, то режим горения называется кинетическим. Ему свойственны более высокие скорости и полнота сгорания и как следствие высокие скорости тепловыделения и температура пламени. Этот режим имеет место в предварительно перемешанных смесях горючего и окислителя. Отсюда, если реагенты в зоне химической реакции находятся в одинаковой (обычно газовой) фазе, то такое горение называют гомогенным, при нахождении горючего и окислителя в зоне реакции в разных фазах - гетерогенным. Гомогенным является горение не только газов, но и , а также большинства твердых . Объясняется это тем, что в зоне реакции горят не сами материалы, а их пары и газообразные продукты разложения. Наличие пламени является отличительным признаком гомогенного горения.
Примерами гетерогенного горения служат горение углерода, углистых остатков древесины, нелетучих металлов, которые даже при высоких температурах остаются в твердом состоянии. Химическая реакция горения в этом случае будет происходить на поверхности раздела фаз (твердой и газообразной). Отметим, что конечными продуктами горения могут быть не только оксиды, но и фториды, хлориды, нитриды, сульфиды, карбиды и др.
Характеристики процесса горения разнообразны. Их можно подразделить на следующие группы: форма, размер и структура пламени; температура пламени, его излучательная способность; тепловыделение и теплота сгорания; скорость горения и концентрационные пределы устойчивого горения и др.
Всем известно, что при горении образуется свечение которое сопровождает продукта горения.
Рассмотрим две системы:
- газообразная система
- конденсированная система
В первом случае при возникновении горения весь процесс будет происходить в пламени, во втором же случае часть реакций будет происходить в самом материале, либо его поверхности. Как упоминалось выше существуют газы которые могут гореть без пламени, но если рассматривать твердые вещества существуют также группы металлов которые также способны гореть без проявления пламени.
Часть пламени с максимальным значением, где происходят интенсивные превращения, называется фронтом пламени.
Теплообменные процессы и диффузия активных частиц из зоны горения которые являются ключевыми механизмами движения фронта пламени по горючей смеси.
Скорость распространения пламени принято разделять на:
- дефлаграционное (нормальное), протекающее с дозвуковыми скоростями (0,05-50 м/с)
- детонационное, когда скорости достигают 500-3000 м/с.
Рис. 2. Ламинарное диффузионное пламя
В зависимости от характера скорости движения газового потока, создающего пламя, различают ламинарные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массоообмена происходят путем молекулярной диффузии и конвекции. В турбулентных пламенах процессы тепло-, массообмена осуществляются в основном за счет макроскопического вихревого движения. Пламя свечи - пример ламинарного диффузионного пламени (рис. 2). Любое пламя высотой более 30 см будет уже обладать случайной газовой механической неустойчивостью, которая проявляется видимыми завихрениями дыма и пламени.
Рис. 3. Переход ламинарного потока в турбулентный
Очень наглядным примером перехода ламинарного потока в турбулентный является струйка сигаретного дыма (рис. 3), которая, поднявшись на высоту около 30 см, приобретает турбулентность.
При пожарах пламена имеют диффузионный турбулентный характер. Присутствие турбулентности в пламени усиливает перенос тепла, а смешивание влияет на химические процессы. В турбулентном пламени выше также скорости горения. Это явление делает затруднительным перенос поведения мелкомасштабных пламен на крупномасштабные, имеющих большую глубину и высоту.
Экспериментально доказано, что температура горения веществ в воздухе гораздо ниже температуры горения в атмосферной кислородной среде
В воздухе температура будет колебаться от 650 до 3100 °С, а в кислородной показатели температуры возрастут на 500-800 °С.
Ход опыта
В сухую пробирку с газоотводной трубкой помещают парафин в виде стружки (до 0,3 г) и 1- 2 г оксида меди (II). Содержимое пробирки тщательно перемешивают, засыпают сверху слоем (1 г) оксида меди (II). В верхнюю часть пробирки помещают комочек ваты, на которую насыпают немного б/в сульфата меди (II). Пробирку закрывают пробкой с газоотводной трубкой и закрепляют ее в штативе с небольшим наклоном в сторону пробирки. Свободный конец газоотводной трубки опускают в пробирку с известковой водой, чтобы трубка почти касалась поверхности жидкости (позднее можно опустить ее непосредственно в жидкость).
Сначала прогревают всю пробирку, затем сильно нагревают ту часть, где находится реакционная смесь, и постепенно продвигают спиртовку к отверстию для вытеснения газов.
На удаленных от реакционной смеси стенках пробирки наблюдают появление капелек жидкости, а в сульфате меди (II) образуются синие участки. Выделяющийся газ вызывает помутнение известковой воды. Наблюдения и ответы на вопросы после опыта запишите в рабочую тетрадь.
Вопросы и задания:
- Чем обусловлен синий цвет кусочков сульфата меди (II)?
- Что является причиной помутнения известковой воды, а при стоянии – появления осадка?
- Опишите происходящие изменения с помощью уравнений реакций.
Опыт 4. Обнаружение галогена в органическом веществе
Опыт 4. Обнаружение галогена в органическом веществе (проба Ф.Ф. Бейльштейна, 1872 г.)
Проба Ф.Ф. Бейльштейна используется в органической химии для доказательства наличия в составе молекулы галогена. При сгорании вещества на медной проволочке пламя спиртовки окрашивается в зеленый цвет за счет образования летучих при высоких температурах галогенидов меди (кроме фторидов).
Оборудование и реактивы: спиртовка, спички; органическое вещество, содержащее галоген (четыреххлористый углерод, кусочки полихлорвинила), медная проволочка, закрученная в спираль на одном конце и вдетая в корковую пробку (держатель) – на другом.
Ход опыта
Внесите в пламя спиртовки медную проволочку с петлей на конце и прогрейте ее до красного каления. Убедитесь, что при прокаливании проволочки пламя спиртовки не окрашивается.
После охлаждения почерневшей проволочки опустите на мгновение ее петлю в исследуемую жидкость и внесите смоченную в жидкости проволочку в нижнюю часть пламени, затем перенесите ее в самую горячую верхнюю часть пламени спиртовки. Наблюдайте за изменением окраски пламени.
Если исследуемое вещество твердое, опустите в него на мгновение конец раскаленной проволочки, а затем внесите проволочку с веществом в пламя спиртовки. Наблюдения и ответы на вопросы после опыта запишите в рабочую тетрадь.
Вопросы и задания:
- Почему происходит почернение проволочки на воздухе?
- Как изменяется цвет пламени спиртовки при внесении медной проволочки со следами бромэтана, хлороформа, ПВХ, фторопласта?
- Можно ли отличить хлорид натрия от органического вещества, содержащего галоген?
Рекомендуется прокаливание кристаллического сульфата меди (II) выполнить непосредственно перед использованием. В фарфоровую чашку насыпают сульфат меди (II) и прокаливают в пламени спиртовки, периодически перемешивая содержимое и не допуская перекаливания. При изменении окраски прокаливание прекращают. Сравнивают окраску сульфата до и после прокаливания.
