Уравнения реакций горения сложных веществ

Что такое горение: определение термина, реакция горения в химии

Содержание:

Горение – это физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопровождается интенсивным выделением энергии и теплообменом с окружающей средой. Это древнейший процесс, которым человек пользуется каждый день.

Освоение огня сыграло огромную роль в развитии человеческой цивилизации. Огонь открыл людям возможность термической обработки пищи и обогрева жилищ, а впоследствии — развития металлургии, энергетики и создания новых, более совершенных инструментов и технологий. Управление процессами горения лежит в основе создания двигателей для автомобилей, самолетов, судов, ракет и т. д.

Примеры реакций горения простых веществ

простое вещество + О₂ = оксид вещества.

Оксиды – это сложные вещества, в которых на втором месте всегда стоит кислород. Примерами оксидов служат углекислый газ СО₂, угарный газ СО, оксид кальция СаО и т. д.

Не все простые вещества горят одинаково. Например, при горении магния образуются искры. Эту реакцию видел каждый, ведь она заложена в основе горения бенгальских огней.

2 Mg + O₂ = 2 MgO

Если поджечь железо, то никаких искр не будет. Для проведения данной реакции необходимо сильное нагревание металла.

Горение серы сопровождается синим пламенем и неприятным запахом. Раньше считалось, что пламя отпугивает различных духов.

Горение фосфора используется в военной промышленности для создания дымовой завесы. При съемках фильмов данная реакция используется для создания искусственного дыма.

Примеры реакций горения сложных веществ

Условия горения

Для осуществления реакции горения необходимо создать «треугольник огня».

Для предотвращения реакции горения этот треугольник необходимо нарушить. Например, чтобы кислород из воздуха не поступал в систему, ее необходимо накрыть покрывалом.

В зависимости от вещества применяют различные способы тушения. Иногда систему заливают водой или засыпают песком. Например, горящий бензин нельзя заливать водой, т.к. у бензина плотность меньше, чем у воды. Т.о., бензин находится на поверхности воды.

Реакции горения

Горение — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

где _{m, n} — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qe и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)

CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O

C2H6 + 0,5O2 = 2CO2 + 3H2O

C3H + 5H2O = 3CO2 +4H2O

C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O

C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O

C5H,2 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O

C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O

C4H + 6O2 = 4CO2 + 4H2O

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r1, r2, . rn — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь; Q₁, Q₂. Q_n — теплота сгорания компонентов.

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H₂, C_O, CH₄ и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н₂О и двуокись углерода СО 2 . При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С₁ и С₂ — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; к — константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К₀ — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, =1,0; Е — энергия активации, кДж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/ (кг*К); Т — абсолютная температура, К (°С); е — основание натуральных логарифмов.

Предэкспоненциальный множитель К₀ можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е — как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150)•10 3 кДж/кмоль.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2·10 4 ÷5•10 8 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначалаьно генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:

Урок химии в 8 классе по теме: «Воздух. Горение сложных веществ»

МУНИЦИПАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ «ГИМНАЗИЯ№ 000»

КИРОВСКОГО РАЙОНА ГОРОДА КАЗАНИ РТ

Урок химии в 8 классе по теме:

«Воздух. Горение сложных веществ».

Учитель химии первой квалификационной категории:

Урок химии в 8 классе по теме:

«Воздух. Горение сложных веществ»

(с использованием мультимедийных технологий)

Образовательные:

Обобщить знания о кислороде; ознакомить учащихся с составом и свойствами воздуха; закрепить и совершенствовать умения и навыки составления уравнений химических реакций.

Развивающие :

Р азвивать познавательный интерес к предмету, развивать умение сравнивать, анализировать, обобщать, делать выводы.

Воспитательные:

Сформировать у учащихся представление о необходимости защиты чистоты атмосферы; содействовать эстетическому воспитанию учащихся.

Экран, мультимедийный проектор, компьютер; Презентация к уроку (Приложение 1);

I. Организационный момент.

Учитель сообщает учащимся тему, цель и план урока. Учащиеся в тетрадях записывают тему урока.

II. Повторение изученного материала

А) Фронтальный опрос по вопросам:

ž Какова химическая формула кислорода?

ž Каковы физические свойства кислорода?

ž Где в природе находится кислород в виде химического элемента и как простое вещество?

ž Из каких веществ в лаборатории можно получить кислород?

ž Как получают кислород в промышленности?

ž Какие реакции называются реакциями горения и окисления?

ž Какие вещества называются оксидами?

Б) Письменная работа (на листочках и у доски)

Выпишите только формулы оксидов и назовите их.

Составьте формулы оксидов следующих элементов:

K , C ( IV ), Fe ( III ), Cl ( VII ), N ( II )

Ag(I), Cu(II), Al(III), P(V), Br(VII)

Вместо знаков вопроса впишите формулы веществ и коэффициенты:

III. Изучение нового материала

1. Развитие представлений о составе воздуха

Учитель: в начальной школе на уроках природоведения, а также позже на уроках географии вы получили некоторые знания об атмосферном воздухе. Что же представляет собой воздух, которым мы дышим? Однородное это или сложное соединение?
Учащиеся: Воздух – это смесь газов, образующих атмосферу и создающих атмосферное давление.
Учитель: Сегодня вы знаете ответ на вопрос, а еще 200 лет назад воздух считался элементарным веществом, и до середины XVIII в. представления ученых о его составе оставались не более чем догадками. Давайте послушаем сообщения ребят, как было доказано, что воздух – это смесь газов, вспомним ученых разных стран и эпох, занимавшихся определением его состава.

Ученик 1. В 1772 г. шведский химик Карл Шееле, обобщая результаты своих экспериментов, писал: «Я, Карл Шееле, склонен думать, что атмосферный воздух состоит главным образом из двух видов воздуха – «огненного», поддерживающего дыхание и горение, и «испорченного воздуха», не поддерживающего горение. В 1772 году впервые сумел получить в лаборатории чистый кислород; однако приоритет открытия кислорода принадлежит Джозефу Пристли (1774 год), так как труд Шееле, посвященный его открытию, -«Химический трактат о воздухе и огне»-был опубликован только в 1777 году.

Ученик 2. Английский ученый Джозеф Пристли, изучая состав воздуха, пытался выяснить, какие его составляющие могут выделиться из химических веществ при их нагревании. Нагревая оксид ртути (II), он получил газ и назвал его «дефлогистированным воздухом». Исследуя свойства полученного газа, Пристли обнаружил, что зажженная свеча горела в нем ослепительно ярко и что он поддерживает дыхание. Лавуазье назвал этот газ кислородом.

Ученик 3. Французский ученый Антуан Лоран Лавуазье впервые установил количественный состав воздуха. По результатам 12-дневного опыта он сделал вывод, что весь воздух в целом состоит из кислорода, пригодного для дыхания и горения, и азота, неживого газа, в пропорциях 1/5 и 4/5 объема соответственно. Ученый предложил «жизненный воздух» переименовать в «кислород», поскольку при сгорании в кислороде большинство веществ превращается в кислоты, а «удушливый воздух» – в «азот», т. к. он не поддерживает жизнь, вредит жизни.

Ученик 5. Заслуги английских ученых Г. Кавендиша и У. Рамзая в исследовании состава воздуха заключаются в следующем:
Г. Кавендиш установил, что кроме кислорода и азота в воздухе есть и другие газы, и определил, что на их долю приходится около 1/120 объема воздуха. Из-за несовершенства методов анализа и приборов Кавендиш не смог определить, что это за газы. Лишь спустя 100 с лишним лет Уильям Рамзай, воспроизводя опыты Кавендиша, открыл инертные газы в составе воздуха.

2. Опыт, доказывающий о количественном содержании кислорода в воздухе. Демонстрация видеоролика.

3.Свойства воздуха. (слайд №15)

4. Состав воздуха: постоянные и переменные компоненты.(слайд №16,17)

Учитель. Как эти вещества попадают в атмосферу? Какую роль они играют?
Ученик 6. Эти вещества попадают в атмосферу естественным путем. При извержении вулканов в атмосферу попадают сернистый газ, сероводород и элементарная сера. Пылевые бури способствуют появлению в воздухе пыли. Оксиды азота попадают в атмосферу и при грозовых электрических разрядах, во время которых азот и кислород воздуха реагируют друг с другом, или в результате деятельности почвенных бактерий, способных высвобождать оксиды азота из нитратов; способствуют этому и лесные пожары и горение торфяников. Процессы разрушения органических веществ сопровождаются образованием различных газообразных соединений серы. Вода в составе воздуха определяет его влажность. У остальных веществ роль отрицательная: они загрязняют атмосферу.

Учитель. Уровень загрязнения атмосферы естественными источниками является фоновым, он мало изменяется с течением времени. В настоящее время глобальный характер приобрела проблема антропогенного загрязнения атмосферы. Слайд №18 — масштабы загрязнения воздуха природными (31–41%) и антропогенными (59–69%) источниками Рассмотрите внимательно схему (слайд №19). «На совести» автомобилей 60% выбросов вредных веществ в городе! Предприятия теплоэнергетики выбрасывают в атмосферу до 30% загрязнителей, а еще 30% – вклад промышленности (черная и цветная металлургия, нефтедобыча и нефтепереработка, химическая промышленность и производство строительных материалов.) К чему приводит загрязнение воздуха? (Кислотные дожди, парниковый эффект, образование озоновых дыр).

Демонстрация видеоролика «Парниковый эффект».

Учитель. Итак, проблем много, среди них есть проблемы глобальные и есть проблемы локальные. Я верю, что ваше поколение сможет внедрить во все отрасли промышленности новые технологии – безотходные, не загрязняющие воздух, почву, природные воды.
Я надеюсь, что вы сможете использовать энергию Солнца, ветра, волн, приливов и отливов, тепло Земли и сделаете эти источники энергии традиционными.

5. Горение веществ в воздухе.

Учитель: в воздухе вещества горят медленнее(в этом вы убедились на предыдущих уроках, вспомните на воздухе лучина тлеет, а в чистом кислороде горит ярким пламенем, почему? Потому что кислорода в воздухе содержится только 1/5 часть. При горении веществ на воздухе в качестве продуктов образуются оксиды. При горении сложных веществ образуется несколько оксидов. Например, при горении парафиновой свечи, природного газа образуются оксид углерода и водорода, то есть вода. Молекулы этих веществ состоят из элементов углерода и водорода, которые соединяются с атомами кислорода, образуя оксиды. Рассмотрим пример химической реакции горения сложного вещества.(Слайд №21)

IV. Закрепление и рефлексия

Дописать уравнения и расставить коэффициенты:

V. Подведение итогов урока. Домашнее задание § 22 упражнение 7 стр.69. (учебник ,