Как составлять уравнения реакций горения кислорода

Кислород: химия кислорода

Кислород

Положение в периодической системе химических элементов

Кислород расположен в главной подгруппе VI группы (или в 16 группе в современной форме ПСХЭ) и во втором периоде периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева.

Электронное строение кислорода

Электронная конфигурация кислорода в основном состоянии :

+8O 1s 2 2s 2 2p 4 1s 2s 2p

Атом кислорода содержит на внешнем энергетическом уровне 2 неспаренных электрона и 2 неподеленные электронные пары в основном энергетическом состоянии.

Физические свойства и нахождение в природе

Кислород О₂ — газ без цвета, вкуса и запаха, немного тяжелее воздуха. Плохо растворим в воде. Жидкий кислород – голубоватая жидкость, кипящая при -183 о С.

Озон О₃ — при нормальных условиях газ голубого цвета со специфическим запахом, молекула которого состоит из трёх атомов кислорода.

Кислород — это самый распространённый в земной коре элемент. Кислород входит в состав многих минералов — силикатов, карбонатов и др. Массовая доля элемента кислорода в земной коре — около 47 %. Массовая доля элемента кислорода в морской и пресной воде составляет 85,82 %.

В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе.

Способы получения кислорода

В промышленности кислород получают перегонкой жидкого воздуха.

Лабораторные способы получения кислорода:

• Разложение некоторых кислородосодержащих веществ:

Разложение перманганата калия:

Разложение бертолетовой соли в присутствии катализатора MnO₂ :

2KClO₃ → 2KCl + 3O₂

Разложение пероксида водорода:

2HgO → 2Hg + O₂

Соединения кислорода

Основные степени окисления кислород +2, +1, 0, -1 и -2.

Химические свойства

При нормальных условиях чистый кислород — очень активное вещество, сильный окислитель. В составе воздуха окислительные свойства кислорода не столь явно выражены.

1. Кислород проявляет свойства окислителя (с большинством химических элементов) и свойства восстановителя (только с более электроотрицательным фтором). В качестве окислителя кислород реагирует и с металлами , и с неметаллами . Большинство реакций сгорания простых веществ в кислороде протекает очень бурно, иногда со взрывом.

1.1. Кислород реагирует с фтором с образованием фторидов кислорода:

С хлором и бромом кислород практически не реагирует, взаимодействует только в специфических очень жестких условиях.

1.2. Кислород реагирует с серой и кремнием с образованием оксидов:

1.3. Фосфор горит в кислороде с образованием оксидов:

При недостатке кислорода возможно образование оксида фосфора (III):

Но чаще фосфор сгорает до оксида фосфора (V):

1.4. С азотом кислород реагирует при действии электрического разряда, либо при очень высокой температуре (2000 о С), образуя оксид азота (II):

N₂ + O₂→ 2NO

1.5. В реакциях с щелочноземельными металлами, литием и алюминием кислород также проявляет свойства окислителя. При этом образуются оксиды:

2Ca + O₂ → 2CaO

Однако при горении натрия в кислороде преимущественно образуется пероксид натрия:

2Na + O₂→ Na₂O₂

А вот калий, рубидий и цезий при сгорании образуют смесь продуктов, преимущественно надпероксид:

K + O₂→ KO₂

Переходные металлы окисляются кислород обычно до устойчивых степеней окисления.

Цинк окисляется до оксида цинка (II):

2Zn + O₂→ 2ZnO

Железо , в зависимости от количества кислорода, образуется либо оксид железа (II), либо оксид железа (III), либо железную окалину:

2Fe + O₂→ 2FeO

4Fe + 3O₂→ 2Fe₂O₃

3Fe + 2O₂→ Fe₃O₄

1.6. При нагревании с избытком кислорода графит горит , образуя оксид углерода (IV):

при недостатке кислорода образуется угарный газ СО:

2C + O₂ → 2CO

Алмаз горит при высоких температурах:

Горение алмаза в жидком кислороде:

Графит также горит:

Графит также горит, например, в жидком кислороде:

Графитовые стержни под напряжением:

2. Кислород взаимодействует со сложными веществами:

2.1. Кислород окисляет бинарные соединения металлов и неметаллов: сульфиды, фосфиды, карбиды, гидриды . При этом образуются оксиды:

4FeS + 7O₂→ 2Fe₂O₃ + 4SO₂

Ca₃P₂ + 4O₂→ 3CaO + P₂O₅

2.2. Кислород окисляет бинарные соединения неметаллов:

• летучие водородные соединения ( сероводород, аммиак, метан, силан гидриды . При этом также образуются оксиды:

2H₂S + 3O₂→ 2H₂O + 2SO₂

Аммиак горит с образованием простого вещества, азота:

4NH₃ + 3O₂→ 2N₂ + 6H₂O

Аммиак окисляется на катализаторе (например, губчатое железо) до оксида азота (II):

4NH₃ + 5O₂→ 4NO + 6H₂O

• прочие бинарные соединения неметаллов — как правило, соединения серы, углерода, фосфора ( сероуглерод, сульфид фосфора и др.):

CS₂ + 3O₂→ CO₂ + 2SO₂

• некоторые оксиды элементов в промежуточных степенях окисления ( оксид углерода (II), оксид железа (II) и др.):

2CO + O₂→ 2CO₂

2.3. Кислород окисляет гидроксиды и соли металлов в промежуточных степенях окисления в водных растворах.

Например , кислород окисляет гидроксид железа (II):

Кислород окисляет азотистую кислоту :

2.4. Кислород окисляет большинство органических веществ. При этом возможно жесткое окисление (горение) до углекислого газа, угарного газа или углерода:

CH₄ + 2O₂→ CO₂ + 2H₂O

2CH₄ + 3O₂→ 2CO + 4H₂O

CH₄ + O₂→ C + 2H₂O

Также возможно каталитическое окисление многих органических веществ (алкенов, спиртов, альдегидов и др.)

Урок 18. Физические и химические свойства кислорода

В уроке 18 «Физические и химические свойства кислорода» из курса «Химия для чайников» выясним, какие физические и химические свойства имеет кислород и узнаем о реакциях горения.

Как у любого химического вещества, у кислорода есть свой набор физических и химических свойств, по которым его можно отличить от других веществ.

Физические свойства

По своим физическим свойствам простое вещество кислород относится к неметаллам. При нормальных условиях он находится в газообразном агрегатном состоянии. Кислород не имеет цвета, запаха и вкуса. Масса кислорода объемом 1 дм 3 при н. у. равна примерно 1,43 г.

При температуре ниже −183 °С кислород превращается в голубую жидкость, а при −219 °С эта жидкость переходит в твердое вещество. Это означает, что температура кипения кислорода равна: t _кип.= −183 °С, а температура плавления составляет: t _пл.= −219 °С. Кислород плохо растворяется в воде.

Химические свойства

Кислород является химически активным веществом. Он способен вступать в реакции с множеством других веществ, однако для протекания большинства этих реакций необходима более высокая, чем комнатная, температура. При нагревании кислород реагирует с неметаллами и металлами.

Если стеклянную колбу наполнить кислородом и внести в нее ложечку с горящей серой, то сера вспыхивает с образованием яркого пламени и быстро сгорает (рис. 80).

Химическую реакцию, протекающую в этом случае, можно описать следующим уравнением:

В результате реакции образуется вещество SO₂, которое называется сернистым газом. Сернистый газ имеет резкий запах, который вы ощущаете при зажигании обычной спички. Это говорит о том, что в состав головки спички входит сера, при горении которой и образуется сернистый газ.

Подожженный красный фосфор в колбе с кислородом вспыхивает еще ярче и быстро сгорает, образуя густой белый дым (рис. 81).

При этом протекает химическая реакция:

Белый дым состоит из маленьких твердых частиц продукта реакции — P₂O₅.

Если в колбу с кислородом внести тлеющий уголек, состоящий в основном из углерода, то он также вспыхивает и сгорает ярким пламенем (рис. 82).

Протекающую химическую реакцию можно представить следующим уравнением:

Продуктом реакции является CO₂, или углекислый газ, с которым вы уже знакомы. Доказать образование углекислого газа можно, добавив в колбу немного известковой воды. Помутнение свидетельствует о присутствии CO₂ в колбе.

Возгорание уголька можно использовать для отличия кислорода от других газов. Если в сосуд (колбу, пробирку) с газом внести тлеющий уголек и он вспыхнет, то это указывает на наличие в сосуде кислорода.

Кроме неметаллов, с кислородом реагируют и многие металлы. Внесем в колбу с кислородом раскаленную стальную проволоку, состоящую в основном из железа. Проволока начинает ярко светиться и разбрасывать в разные стороны раскаленные искры, как при горении бенгальского огня (рис. 83).

При этом протекает следующая химическая реакция:

В результате реакции образуется вещество Fe₃O₄ (железная окалина). В состав формульной единицы этого вещества входят три атома железа, причем один из них имеет валентность II, а два других атома имеют валентность III. Поэтому формулу этого вещества можно представить в виде FeO * Fe₂O₃.

На заметку: Реакцию железа с кислородом используют для резки стальных изделий. Для этого определенный участок детали сначала нагревают с помощью кислородногазовой горелки. Затем направляют на нагретое место струю чистого кислорода, для чего перекрывают кран поступления горючего газа в горелку. Нагретое до высокой температуры железо вступает в химическую реакцию с кислородом и превращается в окалину. Так можно разрезать очень толстые железные детали.

Реакции горения

Общим для рассмотренных нами реакций является то, что при их протекании выделяется много света и теплоты. Очень многие вещества именно так взаимодействуют между собой.

Рассмотренные выше реакции простых веществ серы, фосфора, углерода и железа с кислородом являются реакциями горения.

Реакциями горения называются химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света.

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, например метан CH₄. При горении метана образуются углекислый газ и вода:

В результате этой реакции выделяется очень много теплоты. Вот почему ко многим домам подведен природный газ, основным компонентом которого является метан. Теплота, выделяющаяся при горении метана, используется для приготовления пищи и других целей.

На заметку: Некоторые химические реакции протекают очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва.

Горение может протекать не только в кислороде, но и в других газах. Об этих процессах вы узнаете при дальнейшем изучении химии.

Горение веществ на воздухе и в кислороде

Вы уже знаете, что в состав окружающего нас воздуха входит кислород. Поэтому многие вещества горят не только в чистом кислороде, но и на воздухе.

Горение на воздухе протекает чаще всего гораздо медленнее, чем в чистом кислороде. Происходит это потому, что в воздухе лишь одна пятая часть по объему приходится на кислород. Если уменьшить доступ воздуха к горящему предмету (а следовательно, уменьшить доступ кислорода), горение замедляется или прекращается. Отсюда понятно, почему для тушения загоревшегося предмета на него следует набросить, например, одеяло или плотную тряпку.

На заметку : При пожарах для тушения горящих предметов часто используют пену (рис. 84). Она обволакивает горящий предмет и прекращает доступ к нему кислорода. Горение сначала замедляется, а затем прекращается совсем.

Некоторые вещества, быстро сгорающие в кислороде, на воздухе не горят вообще. Так, если нагреть железную проволоку на воздухе даже до белого каления, она все равно не станет гореть, тогда как в чистом кислороде быстро сгорает с образованием раскаленных искр.

Краткие выводы урока:

1. При обычных условиях кислород — газ, не имеющий цвета, запаха и вкуса, плохо растворимый в воде.
2. Кислород обладает высокой химической активностью. Он вступает в химические реакции со многими простыми и сложными веществами.
3. Химические реакции, протекающие с выделением большого количества теплоты и света, называют реакциями горения.
4. В чистом кислороде вещества горят намного быстрее, чем на воздухе.

Надеюсь урок 18 «Физические и химические свойства кислорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.

Правила составления уравнения реакции горения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИВАНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МИНИСТЕРСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ»

Кафедра химии, теории горения и взрыва

Т.А Мочалова, Д.В. Батов, А.В. Петров

Теория горения и взрыва

Задания и методические указания по выполнению

Расчетно-графической работы

Иваново

Мочалова Т.А, Батов Д.В., Петров А.В. Теория горения и взрыва. Задания и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы. Учебное пособие. Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2012.- 38 с.

Учебное пособие предназначено для обучающихся по специальности 280705 Пожарная безопасность и направлению подготовки 280700 Техносферная безопасность. Учебное пособие охватывает основные темы дисциплины «Теория горения и взрыва» и рассчитано на более глубокое ее усвоение. Пособие содержит варианты контрольных заданий и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Теория горения и взрыва».

Печатается по решению Редакционно-издательского совета института

Рассмотрено и рекомендовано к публикации кафедрой химии, теории горения и взрыва, протокол № 7 от 22 декабря 2011 года.

Ведущий научный сотрудник ФГБУН

Институт химии растворов им. Г.А.Крестова РАН

доктор химических наук П.Р.Смирнов

кафедры физики и теплотехники

Ивановского института ГПС МЧС России

кандидат химических наук О.Е.Сторонкина

© Ивановский институт ГПС МЧС России, 2012

Список используемых сокращений

КПР – концентрационные пределы распространения пламени

НКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени

ВКПР — верхний концентрационный предел распространения пламени

ТПР – температурные пределы распространения пламени

ПГ – продукты горения

ГВ – горючее вещество

Введение

В результате изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» у обучающихся формируется теоретический фундамент для глубокого осмысления всей системы показателей пожарной опасности веществ и материалов как совокупности предельных условий и параметров возникновения и прекращения горения.

Овладение методами расчета показателей пожарной опасности веществ необходимо, прежде всего, для будущей практической деятельности: для решения вопросов обеспечения безопасности технологических процессов, зданий и сооружений, а также обеспечения пожарной безопасности людей во время пожаров.

Использование знаний о механизмах протекания горения дает возможность управлять горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению.

1. Общие указания по выполнению расчетно-графической работы

В соответствие с учебным планом обучающиеся по дисциплине «Теория горения и взрыва» обязаны выполнить расчетно-графическую работу. Расчетно-графическая работа выполняется по индивидуальному заданию.

Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки (Приложение 1).

При необходимости преподаватель имеет право изменить вариант расчетно-графической работы обучающегося.

Расчетно-графические работы могут быть оформлены как в ученических тетрадях в объеме не более 18 листов рукописного текста, так и на листах формата А-4, в объеме не более 15 листов, компьютерным набором, ориентация книжная.

При выполнении расчетно-графической работы в ученической тетради с полями, содержащей не менее 18 листов, на титульном листе тетради должны быть указаны звание, фамилия, имя, отчество, номер зачётной книжки и номер учебной группы обучающегося. Работа выполняется аккуратно, разборчивым почерком через строчку, графики вычерчиваются при помощи линейки и карандаша. В задании должны быть представлены номер и полный текст задачи.

При выполнении расчетно-графической работы на компьютере необходимо учитывать следующие требования:

— ориентация страниц – книжная;

— на титульном листе указывается министерство, название кафедры, фамилия, инициалы обучающегося, номер учебной группы, номер варианта, должность, фамилия, инициалы преподавателя (приложение 3);

— поля: верхнее – 1 см, левое – 2 см, нижнее – 1 см, правое – 1 см;

— интервал между строками- одинарный;

— красная строка 1,5 см от левой границы текста;

— нумерация по центру листа внизу;

— шрифт Times New Roman, размер шрифта 14;

— работа скрепляется в папку-скоросшиватель.

Задание должно быть оформлено в соответствии со следующей схемой: формулировка задачи, дано, найти, решение, ответ.

При решении задач даются ссылки на использованные справочные данные и соответствующий литературный источник. Литература, используемая в процессе выполнения задания, приводится в конце работы. Список литературы составляется с учетом правил оформления библиографии (Приложение 1).

Выполненная и правильно оформленная расчетно-графическая работа сдается преподавателю. Работа, выполненная не по своему варианту, к зачету не принимается. Такая работа должна быть выполнена повторно.

Правила составления уравнения реакции горения

При решении практически всех задач по дисциплине «Теория горения и взрыва» необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

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 CO₂,

сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P₂O₅,

водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H₂O,

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 (CO₂, SO₂, H₂O) как и кислород воздуха.

азот (N), при температуре горения ниже 2000 о С не вступает в реакцию. Поскольку, в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600 о С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N₂). 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.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS — 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4.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.

Рассмотрим несколько примеров составления реакций горения веществ в воздухе, в которых использованы описанные выше правила.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄ в воздухе.

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

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 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 – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

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

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:

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:

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:

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

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.

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола (С₄Н₄Сl₂) в воздухе.

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

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

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

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

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена (С₂Н₂) в воздухе.

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

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

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества — два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

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

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃ в воздухе.

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

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

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

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

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂ тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

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 четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Многообразие реакций горения не исчерпывается рассмотренными в данном разделе примерами. Однако, используя описанные правила, можно самостоятельно составить реакцию горения многих других горючих веществ. Написание уравнений реакций горения является важной составной частью при решении многих задач в курсе «Теория горения и взрыва».

Пример решения задач

Задача. Используя данные таблицы, определить показатели пожарной опасности толуола: группу горючести, температуру вспышки; концентрационные пределы распространения пламени (в % и г/м 3 ) при t = 25, 45 и 65 o C, построить график зависимости КПР от температуры; температурные пределы распространения пламени, низшую теплоту сгорания по следствию из закона Гесса; максимальное давление взрыва, тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав компонентов продуктов горения.

1. Составляем уравнение реакции горения толуола в воздухе (см. правила составления уравнения реакции горения) и определяем стехиометрический коэффициент β (коэффициент перед кислородом):

2. Рассчитываем объём, занимаемый 1 кмоль воздуха при заданных условиях.

3. Рассчитываем молярную массу толуола.

М (C₇H₈) = 12 × 7 + 1 × 8 = 92 (кг/кмоль)

4. Рассчитываем объём воздуха, необходимого для полного сгорания заданной массы толуола.

5. Определяем избыточное количество вещества кислорода и азота.

= b(a — 1), кмоль; = 9(1,3 — 1) = 2,7 (кмоль)

=3,76 × b(a — 1), кмоль; =3,76 × 9(1,3 — 1) = 10,2 (кмоль)

6. Рассчитываем общее количество вещества продуктов горения.

ån_пг = , кмоль;

ån_пг = 7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2 = 57,74 (кмоль)

7. Определяем общий объём образующихся продуктов горения.

, м 3 ;

8. Определяем мольный процентный состав компонентов продуктов горения. Принимаем общее количество вещества продуктов горения за 100%, а количество вещества конкретного продукта реакции за %:

Для СО₂ получаем следующую пропорцию.

ån_пг = 57,74 кмоль – 100%

= 7 кмоль – %,

отсюда

Аналогично находим процентное содержание оставшихся продуктов горения:

При расчете процентного содержания азота суммируем его количество перешедшее в продукты горения в результате реакции и из избытка воздуха.

9. Определяем группу горючести толуола. Для этого рассчитываем его коэффициент горючести по формуле:

где: n_C, n_S, n_H, n_N, n_O, n_Cl, n_F, n_Br— соответственно число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле вещества.

Если расчётное значение К £ 0 – вещество негорючее, 0 2 – вещество является горючим.

Записываем количество атомов составляющих толуол (С₇Н₈): n_C= 7; n_H= 8;

Рассчитываем коэффициент горючести:

Вывод: К > 2, следовательно, толуол – горючее вещество.

10. Определяем температуру вспышки. Для этого по справочнику [4] находим температуру кипения толуола:

Определяем температуру вспышки по формуле Элея:

.

Справочное значение 7 0 С [4].

11. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени толуола при стандартных условиях по формуле:

, об. %

— нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени, % об.;

b — число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего;

a и b — константы определяемые по табл. 2 приложения 2.

Концентрационные пределы распространения пламени при заданных условиях рассчитываются по формулам:

и — концентрационные пределы распространения пламени при стандартных условиях (Р = 101325 Па, Т = 298 К);

и — концентрационные пределы распространения пламени при заданной температуре Т;

1550 К и 1110 К — температура горения соответственно на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения пламени.

Рассчитываем КПР при температуре 298 К.

Для расчета выбираем из табл. 2 Приложения 2: a = 8.64, b = 4.679.

Для расчета при b > 7.5 a = 0.768, b = 6.554.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 45 = 318,15 К.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 65 = 338,15 К.

Строим графики зависимостей КПР от температуры.

Из графика делаем вывод, что с увеличением температуры НКПР толуола незначительно уменьшается, ВКПР – сильно возрастает. Изменение ВКПР приблизительно в 10 раз превышает изменение НКПР. Таким образом, с ростом температуры область воспламенения паров толуола расширяется.

12. Рассчитываем концентрационные пределы распространения пламени толуола в граммах на кубометр (j / _н или j / _в):

, г/м 3

V_t – объем занимаемый 1 кмоль газа при заданной температуре и давлении, м 3 /кмоль;

М – молярная масса, кг/кмоль.

Определяем мольный объем паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К

При Т = 318.15 К

При Т = 338.15 К

Рассчитываем КПР паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 318.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 338.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

13. Определяем температурные пределы распространения пламени по уравнению Антуана:

,

t_Н(В) – нижний (верхний) температурные пределы распространения пламени;

— давление насыщенного пара на нижнем (верхнем) температурном пределе распространения пламени, мм.рт.ст.;

А, В, С – константы, определяемые по таблице 10 Приложения 2.

Определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем температурных пределах распространения пламени по формуле:

Из табл. 10 приложения 2 находим значения констант А, В и С для толуола:

А = 6,95508, В = 1345,087, С = 219,516

Подставляем значения в уравнение Антуана и определяем температурные пределы распространения пламени:

Справочные значения t_н = 6 о С, t_в = 37 о С [4].

14. Рассчитываем низшую теплоту сгорания толуола, используя следствие из закона Гесса.

Q_н = [S(n_i× )_ПГ — S(n_j× )_ГВ], кДж/моль.

Здесь n_i×и — число молей и стандартные энтальпии образования компонентов продуктов горения (ПГ), n_j и — число молей и стандартные энтальпии образования компонентов горючей смеси (ГВ).

По уравнению реакции находим, что при сгорании 1 моль толуола выделяется 7 моль углекислого газа и 4 моль воды:

, ,

Определяем по табл. 3 приложения 2 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

D_f = 50,02 кДж/моль;

D_f = -393,65 кДж/моль;

D_f = -241,91 кДж/моль

Следует иметь в виду, что существует две шкалы тепловых эффектов. В термодинамической шкале экзотермическому процессу соответствует знак минус, эндотермическому – знак плюс. В термохимической шкале знаки изменяются на противоположные. В справочной литературе используется в основном термодинамическая шкала. Однако для расчетов в курсе «Теории горения и взрыва» применяют термохимическую шкалу. Поэтому значения стандартных энтальпий образования веществ нужно подставлять в уравнение с обратным знаком.

Q_н = = 7×393,65 + 4×241,91 – 1∙(-50,02) = 3773,21 (кДж/моль)

15. Рассчитываем максимальное давление взрыва паров толуола при заданных условиях по формуле:

Р_н – давление паровоздушной смеси до взрыва, Па;

Т_ВЗР – температура взрыва, К;

Т_н — температура паровоздушной смеси до взрыва, К;

Sn_пг — число моль продуктов горения, моль;

Sn_cм — число моль исходной газовоздушной смеси, моль.

По уравнению реакции горения определяем число моль газов в горючей смеси до взрыва и число моль продуктов горения.

Sn_cм = = 1 + 9 + 9∙3,76 = 43,84 моль

ån_п.г= =7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2=57,74 (моль)

Переводим начальную температуру и температуру взрыва из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина:

Т_н = 273 + 23 = 296 К

Т_ВЗР = 273 + 2678 = 2951 К

Рассчитываем давление взрыва паров толуола при заданных условиях.

16. Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва паров толуола при взрыве в технологическом оборудовании по формуле:

Q_Н — низшая теплота сгорания взрывчатого вещества, Дж/кг;

m_ВВ – масса горючего вещества в смеси, кг;

4520×10 3 – низшая теплота сгорания тринитротолуола (ТНТ, тротил), Дж/кг.

Согласно расчету, проведенному в п.14, низшая теплота сгорания толуола равна Q_н = 3773,21 кДж/моль. Переводим ее в кДж/кг, разделив на молярную массу (92∙10 -3 кг/моль):

Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании:

(кг тротила)