Общие сведения о горении

Сущность процесса горения

Одним из первых химических явлений, с которым человечество познакомилось на заре своего существования, было горение. Вначале оно использовалось для приготовления пищи и обогрева, и лишь через тысячелетия человек научился использовать его для преобразования энергии химической реакции в механическую, электрическую и другие виды энергии.

Горение - это химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и свечением. В печах, двигателях внутреннего сгорания, на пожарах всегда наблюдается процесс горения, в котором участвуют какие-либо горючие вещества и кислород воздуха. Между ними протекает реакция соединения, в результате которой выделяется тепло и продукты реакции нагреваются до свечения. Так горят нефтепродукты, дерево, торф и многие другие вещества.

Однако процесс горения может сопровождать не только реакции соединения горючего вещества с кислородом воздуха, но и другие химические реакции, связанные со значительным выделением тепла. Водород, фосфор, ацетилен и другие вещества горят, например, в хлоре; медь - в парах серы, магний - в углекислом газе. Сжатый ацетилен хлористый азот и ряд других веществ способны взрываться. В процессе взрыва происходит разложение веществ с выделением тепла и образованием пламени. Таким образом, процесс горения является результатом реакций соединения и разложения веществ.

Условия, способствующие горению

Для возникновения горения необходимы определенные условия: наличие горючей среды (горючее вещество + окислитель) и источника воспламенения. Воздух и горючее вещество составляют систему, способную гореть, а температурные условия обуславливают возможность воспламенения и горения этой системы.

Как известно, основными горючими элементами в природе являются углерод и водород. Они входят в состав почти всех твердых, жидких и газообразных веществ, например, древесины, ископаемых углей, торфа, хлопка, ткани, бумаги и др.

Воспламенение и горение большинства горючих веществ происходит в газовой или паровой фазе. Образование паров и газов у твердых и жидких горючих веществ происходит в результате их нагревания. Твердые горючие вещества, например, сера, стеарин, фосфор, некоторые пластмассы при нагревании плавятся и испаряются. Дерево, торф, каменный уголь при нагревании разлагаются с образованием паров, газов и твердого остатка - угля.

Рассмотрим этот процесс подробнее на примере древесины. При нагревании до 110°С происходит высушивание древесины и незначительные испарения смолы. Слабое разложение начинается при 130°С. Более заметное разложение древесины (изменение цвета) происходит при 150°С и выше. Образующиеся при 150-200°С продукты разложения составляют, в основном, воду и углекислый газ, поэтому гореть не могут.

При температуре выше 200°С начинает разлагаться главная составная часть древесины - клетчатка. Газы, образующиеся при этих температурах, являются горючими, так как они содержат значительное количество окиси углерода-, водорода, углеводородов и паров других органических веществ. Когда концентрация этих продуктов в воздухе станет достаточной, при определенных условиях произойдет их воспламенение.

Все горючие жидкости способны испаряться, и горение их происходит в газовой фазе. Поэтому, когда говорят о горении или воспламенении жидкости, то под этим подразумевают горение или воспламенение ее паров.

Горение всех веществ начинается с их воспламенения. У большинства горючих веществ момент воспламенения характеризуется появлением пламени, а у тех веществ, которые пламенем не горят, - появлением свечения (напала).

Начальный элемент горения, возникающий под действием источников, имеющих более высокую температуру, чем температура самовоспламенения вещества, называется воспламенением.

Некоторые вещества способны без воздействия внешнего источника тепла выделять теплоту и самонагреваться. Процесс самонагревания, заканчивающийся горением, принято называть самовозгоранием.

Самовозгорание - это способность вещества воспламеняться не только при нагревании, но и при комнатной температуре под воздействием химических, микробиологических и физико-химических процессов.

Температура, до которой нужно нагреть горючее вещество, чтобы оно воспламенилось без поднесения к нему источника зажигания, называется температурой самовоспламенения.

Процесс самовоспламенения вещества проходит следующим образом. При нагревании горючего вещества, например, смеси паров бензина с воздухом, можно достигнуть такой температуры, при которой в смеси начинает протекать медленная реакция окисления. Реакция окисления сопровождается выделением тепла, и смесь начинает нагреваться выше той температуры, до которой ее нагрели.

Однако вместе с выделением тепла и повышением температуры смеси происходит теплоотдача от реагирующей смеси в окружающую среду. При малой скорости окисления величина теплоотдачи всегда превышает выделение тепла, поэтому температура смеси после некоторого повышения начинает снижаться и самовоспламенение не происходит. Если смесь нагреть извне до более высокой температуры, то вместе с увеличением скорости реакции увеличивается количество тепла, выделяемого в единицу времени.

При достижении определенной температуры тепловыделение начинает превышать теплоотдачу, и реакция приобретает условия для интенсивного ускорения. В этот момент происходит самовоспламенение вещества. Температура самовоспламенения у горючих веществ разная.

Процесс самовоспламенения, рассмотренный выше, является характерным явлением, присущим всем горючим веществам, в каком бы агрегатном состоянии они не находились. Однако в технике и быту горение веществ возникает вследствие воздействия на них пламени, искр или накаленных предметов.

Температура указанных источников воспламенения всегда выше температуры самовоспламенения горючих веществ, поэтому горение возникает очень быстро. Вещества, способные самовозгораться, делятся на три группы. К первой относятся вещества, способные самовозгораться при контакте с воздухом, ко второй со слабо нагретыми предметами. К третьей группе относятся вещества, которые самовозгораются при контакте с водой.

Например, склонными к самовозгоранию могут быть растительные продукты, древесный уголь, сульфаты железа, бурый уголь, жиры и масла, химические вещества и смеси.

Из растительных продуктов склонны к самовозгоранию сено, солома, клевер, листья, солод, хмель. Особенно подвержены самовозгоранию недосушенные растительные продукты, в которых продолжается жизнедеятельность растительных клеток.

Согласно бактериальной теории, наличие влаги и повышение температуры за счет жизнедеятельности растительных клеток способствует размножению имеющихся в растительных продуктах микроорганизмов. Вследствие плохой теплопроводности растительных продуктов выделяющаяся теплота постепенно накапливается и температура повышается.

При повышенной температуре микроорганизмы погибают и превращаются в пористый уголь, который обладает свойством нагреваться за счет интенсивного окисления и поэтому является следующим, после микроорганизмов, источником выделения тепла. Температура в растительных продуктах поднимается до 300°С, и они самовозгораются.

Древесный, бурый и каменный уголь, торф самовозгораются также за счет интенсивного окисления кислородом воздуха.

Растительные и животные жиры, если они нанесены на измельченные или волокнистые материалы (тряпки, веревки, пакля, рогожа, шерсть, опилки, сажа и др.) обладают способностью самовозгораться.

При смачивании измельченных или волокнистых материалов маслом, оно распределяется по поверхности и при соприкосновении с воздухом, начинает окисляться. Одновременно с окислением в масле происходит процесс полимеризации (соединения нескольких молекул в одну). Как первый, так и второй процессы сопровождаются значительным выделением тепла. Если выделяемое тепло не рассеивается, то температура в промасленном материале поднимается, и может достигнуть температуры самовоспламенения.

Некоторые химические вещества способны самовозгораться при соприкосновении с воздухом. К ним относится фосфор (белый, желтый), фосфористый водород, цинковая пыль, алюминиевая пудра, металлы: рубидий, цезий и др. Все эти вещества способны окисляться на воздухе с выделением тепла, за счет которого реакция ускоряется до самовоспламенения.

Калий, натрий, рубидий, цезий, карбид кальция, карбиды щелочных и щелочно-земельных металлов энергично соединяются с водой, и при взаимодействии выделяют горючие газы, которые, будучи нагреты за счет теплоты реакции, самовозгораются.

При смешении таких окислителей, как сжатый кислород, хлор, бром, фтор, азотная кислота, перекись натрия и бария, марганцевокислый калий, селитра и др., с органическими веществами, происходит процесс самовозгорания этих смесей.

Пожарная опасность веществ и материалов определяется не только их способностью воспламеняться, но и массой других факторов: интенсивностью самого процесса горения и сопутствующих горению явлений (образование дыма, токсичных паров и т.д.), возможностью прекращения этого процесса. Общим показателем пожарной опасности является горючесть.

Согласно этому показателю все вещества и материалы условно делятся на три группы: негорючие, трудногорючие, горючие.

Негорючими считаются вещества и материалы, неспособные к горению в воздухе (около 21 % кислорода). К ним относятся сталь, кирпич, гранит и т.д. Однако было бы ошибкой относить негорючие материалы к безопасным в пожарном отношении. Не горючими, но пожароопасными считаются сильные окислители (азотная и серная кислоты, бром, перекись водорода, перманганаты и др.); вещества, выделяющие горючие газы при нагревании, при реакции с водой, вещества, реагирующие с водой с выделением большого количества тепла, например, негашеная известь.

Трудногорючие - это вещества и материалы, способные гореть в воздухе от источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие - это вещества и материалы, способные самовозгораться, возгораться от источника зажигания и гореть после его удаления.

Лекция

Горение в большинстве случаев сложный химический процесс. Он состоит из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул. Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, бром, сера, кислород, кислородсодержащие вещества и т. п. Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород. Известно, что воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78%), кислород (21%) и аргон (0,9%). Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не принимает. Азот в процессе горения органических веществ также практически участия не принимает.

Для многих расчетов (определение объема воздуха, необходимого для сгорания одной массовой или объемной единицы вещества, нахождение объема продуктов сгорания, температуры горения и т. п.) необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При составлении этих уравнений поступают следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишут в левой части, после знака равенства пишут образующиеся продукты реакции. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчетов принимают, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79% азота, т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21 = 3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О 2 +З,76 N 2 . Тогда левая часть уравнения будет иметь вид CH 4 +O 2 + 3,76N 2 =

Какие будут получаться продукты? Ориентироваться необходимо на состав горючего

вещества. Углерод горючего всегда при полном сгорании превращается в диоксид углерода

(СО 2), водород - в воду (Н 2 О). Так как в данном горючем веществе нет других

элементов, то в продуктах сгорания будет диоксид углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N 2) в

процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким

образом, правая часть уравнения реакции горения метана будет следующей:

CO 2 + H 2 O + 3,76N 2

Написав левую и правую части, необходимо найти коэффициенты перед формулами. Известно, что суммарная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции. Это означает, что число атомов одного и того же элемента в правой и левой частях уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом. Уравнение реакции будет иметь вид

СН 4 + 2О 2 + 2-3,76N 2 = СО 2 + 2Н 2 О + 2-3,76N 2

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м 3 горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. Поэтому в некоторых уравнениях реакций горения могут появиться перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты; например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид

C 2 H 2 + 2,5O 2 +2,5-3,76N 2 = 2CO 2 + H 2 O + 2,5-3,76N 2

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде N 2 , например при горении пиридина

C 2 H 6 N + 6,25О 2 + 6,25 - 3,76N 2 = = 5СО 2 + 2,5Н 2 О + 6,25-3,76N 2 + 0,5N 2-

Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водорода, например при горении хлористого винила

СН а =СНС1 + 2,5О 2 + 2,5-3,76N 2 = 2СО 2 + Н 2 О + 2,5-3,76N 2 + HC1

Сера, входящая в состав горючего вещества, выделяется в виде SO 2 .

Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, например СО 2 или Н 2 О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание веществ может происходить также за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота HNO 3 , бертолетова соль КСЮ 3 , селитра KNO 3 , NaNO 3 , NH4NO 3 , перманганат калия КМпО 4 , пероксид бария ВаО 2 и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примером таких смесей может служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т. п.

Чтобы возникло горение, необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником зажигания): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или механической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания процесса горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соотношении.

Сгорание веществ может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (СО 2 , Н 2 О, НС1); при неполном - получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, H 2 S, HCN, NH 3 , альдегиды и т. д.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Однако как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления - восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительно заряженный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний уровень заполняется восемью электронами, но атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате действия кулоновских электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь)

Na + + Cl - à + Na+Сl

В других процессах электроны внешних оболочек двух различных атомов как бы поступают в общее пользование, стягивая тем самым атомы в молекулы (ковалентная связь)

Н. + . С1 à Н: С1:

И, наконец, один атом может отдавать в общее пользование свою пару электронов

:O: + :Са à O:Са

Но во всех случаях атомы стремятся приобрести устойчивые внешние электронные структуры.

Процесс горения - весьма активный процесс, протекающий с выделением значительного количества энергии (в виде тепла и света). Следовательно, в этом процессе происходит такое превращение веществ, при котором из менее устойчивых веществ получаются более устойчивые.

Сгорание органических веществ сопровождается уменьшением внутренней энергии.
Сгорание органического вещества в избытке кислорода при 1000 - 1200 С проходит практически мгновенно, и нет необходимости опасаться того, что образовавшиеся пары воды и углекислый газ не успеют поглотиться в аппаратах. Поглотительная способность аскарита, безводного хлорида кальция и ангидрона весьма велики. Например, нами установлено, что органические вещества в количествах до 0 5 г сгорают количественно без катализаторов в струе кислорода, пропускаемого со скоростью 6 л / мин в течение 2 мин.
После сгорания органического вещества колбу вращают 1 мин.
Аппарат Сокслета. После сгорания органического вещества остаток в тигле прокаливают до постоянного веса. Для получения однородных результатов всю золу обычно переводят в сернокислые соли. Для этого к содержимому тигля прибавляют несколько капель концентрированной серной кислоты. Серную кислоту выпаривают под тягой на маленьком пламени газовой горелки и тигель прокаливают до постоянного веса.
Теплоты сгорания органических веществ довольно велики (обычно от 3 5 до 10 ккал / г), поэтому для их измерения часто используют жидкостные калориметры больших размеров - з калориметрический сосуд помещается от 2 до 4 л воды. Форма калориметрического сосуда и тип мешалки выбирают с учетом возможно быстрого и полного перемешивания всей массы жидкости.
Теплотой сгорания органического вещества называется тепловой эффект реакции полного сгорания данного вещества до СО2 (Газ), Н2ОЖИДК и соответствующих продуктов полного окисления других элементов, если они входили в состав данного вещества.
Продукты сгорания органического вещества вместе с содержащимся в нем в качестве примеси мышьяка массой 2 00 г были поглощены щелочным раствором ЬЬСЬ. Образовавшийся арсенат был оттитрован 15 85 мл 0 01 М Pb (NO3) 2 (/ С 0 9612) в присутствии пиридилазорезорцина.
Продукты сгорания органического вещества вместе с содержащимся в нем в качестве примеси мышьяка массой 2 00 г были поглощены щелочным раствором ШСЬ. Образовавшийся арсенат был оттитрован 15 85 мл 0 01 М Pb (NO3) 2 (/ (0 9612) в присутствии пиридилазорезорцина.
При сгорании органического вещества в калориметре выделяется тепло.
При сгорании органического вещества в водородном пламени образуется ряд ионизированных углеродных соединений. Вследствие образования этих ионов между изолированной горелкой, на которую подано напряжение, и электродом может протекать ток. Для изучения свойств пламенных детекторов разработана конструкция двухпламенного ионизационного детектора (рис. 1 и 2), который можно использовать и в виде однопламенного.
При сгорании органического вещества в водородном пламени образуется ряд ионизированных углеродных соединений. Вследствие образования этих ионов между изолированной горелкой, на которую подано напряжение, и электродом может протекать ток. Для изучения свойств пламенных детекторов разработана конструкция двухпламенного ионизационного детектора (рис. 1 и 2), который можно использовать и в виде одноплеменного.
Поэтому теплоту сгорания органических веществ (особенно многоатомных) можно считать относительно не изменяющейся с темпера-турой.

Измерение теплот сгорания органических веществ и изучение закономерностей в их величинах является одним из старейших разделов термохимии.
В продуктах сгорания органических веществ, содержащих азот, азот находится в свободном состоянии. Поэтому, чтобы открыть присутствие азота в органическом соединении, нужно разрушить это соединение и перевести азот в такое соединение, которое легко открыть какими-нибудь качественными реакциями.
Общий вид камерной цилиндрической вертикальной печи для сжигания сточных вод (конструкция ВНИИТ. На полноту сгорания органических веществ, находящихся в ПСВ-г, сильное влияние оказывают условия диспергирования и распределения жидкости форсунками в печи.
Определение теплоты сгорания органических веществ, производимое при помощи особых калориметрических установок в калориметрических бомбах, дает возможность вычислить энергию (теплоту) образования данных соединений, а отсюда и энергию отдельных химических связей.
Теплоты образования изомеров. Для теплот сгорания органических веществ еще не найдено общего выражения для всех отдельных закономерностей, наблюдаемых для разных классов органических соединений, но в пределах одного гомологического ряда имеются закономерности, весьма точно подтверждающиеся результатами опытов.
Схема прибора для определения органических веществ. Образующаяся при сгорании органических веществ двуокись углерода поглощается в барботере 10 титрованным раствором щелочи.
Анализ значений теплот сгорания органических веществ позволяет также делать выводы о стабильности их молекул.
Потеря, обусловленная сгоранием органического вещества, не поддается учету.
Так как при сгорании органического вещества выделяется двуокись серы и частично пары серного ангидрида, то процесс нужно вести под тягой. После сжигания смесь переносят в прибор (рис. 29), состоящий из круглодонной колбы, служащей для разложения аммонийных солей и отгонки аммиака, соединенной через каплеуловитель с холодильником. Нижний конец холодильника опущен в приемник с раствором кислоты.
Так, при сгорании органических веществ всегда образуется вода; она и должна быть признана элементарным телом.
Это осветление происходит вследствие сгорания органического вещества, в результате чего мета-морфизованные разности теряют свой характерный запах. Фосфориты эти имеют чаще всего тонкослоистую текстуру, пронизаны мелкими трещинами, становятся более хрупкими, иногда рассыпчатыми, мажущимися породами.
Качество сжигания или полноту сгорания органических веществ было решено контролировать по степени затемнен-ности дымовых газов.

В настоящее время по энтальпиям сгорания органических веществ накоплен очень обширный экспериментальный материал. Однако далеко не весь этот материал следует рассматривать как достаточно достоверный. Можно полностью согласиться с высказанным Россини еще в 1937 г. мнением о том, что все полученные до начала тридцатых годов нашего столетия числовые данные по энтальпиям сгорания органических веществ нельзя считать надежными, несмотря на то что во многих из выполненных в то время работ авторам удавалось достичь очень высокой воспроизводимости (до 0 03 - 0 05 %) результатов калориметрических измерений.
В нижнем пламени 17 происходит сгораний органических веществ, в том числе растворителя. В верхнем пламени 19 наблюдается эмиссия представляющих интерес молекул. Детектор более устойчив при вводе больших концентраций органических веществ.
Остаток, полученный в результате сгорания органического вещества, называется золой.
Накопление вполне надежных данных по энтальпиям сгорания органических веществ стало возможным только начиная с 30 - х годов нашего века.
Представляет собой продукт, получаемый при сгорании органических веществ без доступа воздуха; обладает большой поверхностью, ч го обусловливает его адсорбционную способность в отношении газов и многих растворенных веществ.
Пусть наша задача состоит в определении теплоты сгорания органического вещества. В этом случае, даже при наличии систематических ошибок в измерении подъема температуры в главном периоде, мы получим величину теплоты сгорания исследуемого вещества не искаженной.
Для измерения теплот реакций, особенно теплот сгорания органических веществ, используют прочный герметичный сосуд из нержавеющей стали - так называемую калориметрическую бомбу, в которой сжигают отвешенное количество вещества под давлением кислорода 20 - 40 атм. Вещество поджигают стальной проволокой, через которую пропускают электрический ток; при этом вещество испаряется.
Для количественного поглощения воды, образующейся при сгорании органического вещества, служит U-образная трубка (рис. 43), наполненная безводным зерне-ным хлористым кальцием, предварительно отсеянным от мелких частиц.
Наполненная хлоркальциевая трубка. Для количественного поглощения воды, образующейся при сгорании органического вещества, служит U-образная трубка (рис. 43), наполненная безводным зерненым хлористым кальцием, предварительно отсеянным от мелких частиц.
Для количественного поглощения воды, образующейся при сгорании органического вещества, служит U-образная трубка (рис. 43), наполненная безводным зерне-ньш хлористым кальцием, предварительно отсеянным от мелких частиц.
Графики изменения минерального состава грунтов в результате. В интервале температур 350 - 700 С происходит сгорание органических веществ, продукты окисления которых удаляются о аморфизации глинистых минералов.
В процессе биологического окисления замечательно то, что сгорание органического вещества за счет молекулярного кислорода, которое происходит с большой скоростью при невысокой температуре тела, осуществляется.
Накопленный в настоящее время термохимический материал по энтальпиям сгорания органических веществ и вычисленные на его основе величины стандартных энтальпий образования этих веществ дают возможность вычислить изменение энтальпии во многих реакциях. Однако следует иметь в виду, что даже при условии измерения энтальпий сгорания с очень высокой относительной точностью (например, 0 01 - 0 02 %) вычисленные из этих данных энтальпии соответствующих реакций часто могут быть получены лишь с очень большой величиной относительной погрешности. Погрешность особенно увеличивается в тех случаях, когда тепловой эффект реакции мал.

Наиболее точными измерениями в калориметрии являются определения теплоты сгорания органических веществ и теплоемкости.
Учащимся уже, известны причины образования копоти при сгорании органических веществ. Учитель предлагает им самим объяснить наблюдаемое явление.
Во второй главе книги сжато изложены вопросы измерения энтальпий сгорания органических веществ, содержащих помимо С, Н, О и другие элементы. Эта область калориметрии в настоящее время бурно развивается и совершенствуется.
Калориметрическая установка (калориметр) предназначена для определения теплоты сгорания органических веществ, в том числе углей.
В природе самопроизвольно совершаются медленные процессы, аналогичные как сгоранию органических веществ, полному или неполному, так и сухой перегонке. На поверхности земли при достаточном доступе воздуха остатки растений или животных подвергаются обычно сложным процессам гниения или тления под действием микроорганизмов. Окончательным результатом этих процессов является полное сгорание углерод - и водо-родсодержащих веществ с образованием двуокиси углерода и воды; азот частью выделяется в свободном виде или в виде а.
В природе самопроизвольно совершаются медленные процессы, аналогичные как сгоранию органических веществ, полному или неполному, так и сухой перегонке.
Сжигание необходимо производить под тягой, так как при сгорании органического вещества выделяется сернистый газ и частично пары серного ангидрида.
Следует отметить две основные причины несовершенства старых данных по энтальпиям сгорания органических веществ. Первая из них - это недостаточная степень чистоты объектов исследования. Во многих работах того времени сведения о чистоте исследованных веществ вообще отсутствуют.

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 .

Скорость горения веществ и материалов в кислороде (жидком и газообразном) в 10-100 раз выше, чем на воздухе. Особенно велики скорости горения органических соединений.

В природе окись углерода содержится лишь в газах вулканов, рудников и болот. В промышленности окись углерода получают сухой перегонкой, а также газификацией углей. Кроме того, она образуется при горении органических соединений в условиях недостатка кислорода. Например, при полном сгорании метана образуется двуокись углерода

Примерное постоянство Тал, со объясняется следующим образом. Как было отмечено выше, горение органических соединений в воздухе протекает в две стадии. При этом лимитирую-

Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества, условий, в которых происходит горение, и главным образом полноты сгорания. В продуктах сгорания могут содержаться многие неорганические вещества (углерод, азот, водород, сера, фосфор и др.) и их окислы, а также спирты, кетоны, альдегиды и другие органические соединения. Образующийся в процессе горения дым состоит из мельчайших твердых частиц размером от 0,01 до

При умеренных температурах горения - обычно до 2000-2200° К для 1 ат (абс) - равновесный состав продуктов адиабатической реакции многих систем, состоящих из углерода, водорода, кислорода и азота, с хорошей точностью определяется простыми стехиометри-ческими соотношениями. Такие системы, образующиеся при сгорании смесей различных органических соединений с кислородом, - наиболее распространенный тип продуктов сгорания. При избытке

Специфическое действие ингибирующих добавок ограничено. Наиболее эффективны производные насыщенных углеводородов, у которых большая часть атомов водорода замещена атомами галоидов. Галоидпроизводные органических соединений, способные окисляться, затрудняют горение и уменьшают нормальную скорость пламени, по-видимому, только для смесей с избытком горючего. Добавление таких продуктов к бедным смесям может увеличивать скорость пламени вследствие возрастания при этом калорийности смеси .

Завершая обзор исследований в теории горения гетерогенных систем, посвященных выявлению роли радиации, отметим следующее. В литературе имеются экспериментальные доказательства существования радиационного механизма воспламенения аэрозолей некоторых металлов и углеродсодержащих соединений излучением горящих аэрозолей циркония и титана . Для ряда высокомолекулярных органических соединений, в том числе полимеров, можно наблюдать образование коксового остатка в процессе газификации вещества под действием внешнего излучения. Образующиеся высокоуглеродистые соединения в принципе могут явиться центрами зажигания в свежем аэрозоле. Оценки, однако, показывают, что практическая реализация схемы прогрева продукты горения - частицы свежей смеси ->- газификация с образованием кокса -> самовоспламенение летучих наступает при весьма широких фронтах пламени (диаметр канала составляет несколько метров), когда уже необходимо принимать во внимание газодинамические эффекты . Тем не менее энергетический баланс во фронте пламени при уточнении расчетных характеристик должен учитывать теплообмен радиацией (по оценкам Палмера доля радиации в теплообмене для систем различных масштабов меньше 20%), особенно для крупномасштабных процессов.

Процесс горения частиц полимеров, распределенных в воздухе, имеет много общего с горением аэрозолей других органических веществ. Под воздействием теплового потока от источника зажигания (при воспламенении) или от фронта пламени (при распространении фронта пламени) происходит прогрев частиц. Прогрев сопровождается процессом термоокислительной деструкции, в результате которой образуются низкомолекулярные газообразные продукты. В зоне пламени эти низкомолекулярные продукты сгорают до конечного состояния (в условиях, максимально благоприятствующих горению, - до СОг и Н20). Состав продуктов термоокислительной деструкции зависит от химического строения макромолекул полимера, условий зажигания и горения. В общем случае полимеры состоят из горючей и негорючей частей. Горючую часть составляют водород, оксид углерода, насыщенные и ненасыщенные низшие углеводороды, низшие альдегиды, кетоны, спирты и другие органические соединения. В негорючую часть входят пары воды, азот, диоксид углерода, галогеноводороды.

Энергию, используемую для расщепления, называют энергией разрыва связи. Она составляет 50-100 ккал-моль-1. При подводе малого количества энергии разрываются прежде всего ослабленные связи. В реакциях горения образование радикалов происходит почти исключительно за счет пиролиза. При пиролизе органических соединений могут возникнуть три случая

Образование. ПАУ образуются в результате пиролиза или неполного сгорания органического вещества, содержащего углерод и водород. При высоких температурах в результате пиролиза органических соединений образуются фрагменты молекул и радикалы, которые соединяются и образуют ПАУ. Состав конечного продукта пиролизного синтеза зависит от топлива, температуры и от времени прерывания в зоне горения. К топливу, после сгорания которого образуются ПАУ, относится метан, другие углеводороды, лигнины, пептиды, липиды и т.д. Тем не менее, соединения, содержащие разветвление цепи, ненасыщенные связи или циклические структуры, обычно благоприятствуют образованию ПАУ. Очевидно, ПАУ выделяются в виде паров из зоны горения. Из-за низкого давления пара большинство ПАУ мгновенно концентрируются на частичках сажи либо сами образуют мельчайшие частички. ПАУ, поступающие в атмосферу в виде пара, адсорбируются содержащимися в воздухе частицами. Содержащие ПАУ аэрозоли, таким образом распыляемые в воздухе, могут переноситься ветром на большие расстояния.

Распространение. Оксид углерода получается при сжигании органического материала типа угля, древесины, бумаги, масла, бензина, газа, взрывчатых веществ или карбонатных материалов любого другого типа в условиях недостатка воздуха или кислорода. Когда процесс горения происходит при избыточном питании воздухом и пламя не контактирует с какими-либо поверхностями, окись углерода не образуется. СО образуется в том случае, если пламя контактирует с поверхностью, температура которой ниже, чем температура воспламенения газообразной части пламени. Естественным путем образуется 90% атмосферного СО, а в результате деятельности человека производится 10%. На двигатели транспортных средств приходится от 55 до 60% всего количества СО искусственного происхождения. Выхлопной газ бензинового двигателя (электрическое зажигание) является обычным источником образования СО. Выхлопной газ дизельного двигателя (компрессионное воспламенение) содержит приблизительно 0,1 % СО, если двигатель работает надлежащим образом, однако неправильно отрегулированный, перегруженный или технически плохо обслуживаемый дизельный двигатель может выбрасывать значительные количества СО. Тепловые или каталитические дожигатели в выхлопных трубах значительно снижают количество СО. Другими основными источниками СО являются литейные производства, установки каталитического крекинга на нефтеперерабатывающих предприятиях, процессы дистилляции угля и древесины, известеобжигательные печи и печи восстановления на заводах крафт-бумаги, производство синтетического метанола и других органических соединений из оксида углерода, спекание загрузочного сырья доменной печи, производство карбида, производство формальдегида, заводы технического углерода, коксовые батареи, газовые предприятия и заводы по переработке отходов.

Концентрации примесей, которые возникают преимущественно из источников, связанных с процессом горения, подвержены чрезвычайно большим временным изменениям, а их выделение является прерывистым. Эпизодические выпуски летучих органических соединений благодаря человеческой активности, например рисованию или малярным работам, также приводят к большим временным вариациям в выделениях. Другие выделения, подобные выпуску в воздух помещений формальдегида изделиями из дерева, могут варьироваться в зависимости от температуры и колебаний влажности в здании, но их эмиссия непрерывна. Эмиссия органических химикалий из других материалов может быть в меньшей степени подвержена влиянию температуры и влажности, но большое влияние на их концентрацию в воздухе помещений будет оказывать вентиляция данных помещений.

Следует подчеркнуть, что каталитические эффекты для органических соединений очень велики. Так, скорость горения перхлората аммония с наиболее эффективным катализатором - оксинатом меди - при 300 ат превосходила скорость горения чистого перхлората в 21 раз. И даже при 1000 ат перхлорат с оксинатом меди горел в 4 раза быстрее чистого перхлората.

В табл. 25 суммированы полученные результаты и приведены значения В и V в уравнении горения. Заметим, что присутствие аммиака в молекуле органического соединения (салицилат аммония) не отражается на скорости горения - кривые для смесей перхлората аммония с салицилатом аммония и салициловой кислотой совпадают.

При полном сгорании большинства веществ образуются двуокись углерода, сернистый ангидрид и пары воды. При неполном сгорании образуются окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные органические соединения. Все они получаются в результате недостатка кислорода воздуха в зоне горения. Эти продукты способны гореть и могут образовать с воздухом взрывоопасные смеси, увеличивающие пожарную опасность. Кроме того, продукты неполного сгорания часто бывают едкими и ядовитыми, что затрудняет работу пожарных.

Соединения азота с точки зрения техники безопасности работы в химических лабораториях заслуживают особого внимания. Многие как неорганические, так и органические соединения его являются высокотоксичными, многие идут на получение взрывчатых веществ. Сам азот не обладает ни ядовитыми, ни раздражающими свойствами, он пассивен в процессе горения. Но при вдыхании больших концентраций его у человека появляются патологические явления, связанные с недостатком кислорода (кессонная болезнь). В то же время в различных формах своих соединений азот участвует в жизненно важных физиологических процессах. Наруше-, ния нормального течения азотного обмена в организме часто являются причиной тяжелых заболеваний. В лабораториях находят широкое применение следующие соединения азота азотная и азотистая кислоты, аммиак, хлористый нитрозил и др.

Как известно, все химические реакции подразделяются на гомогенные, протекающие в объеме, и гетерогенные, происходящие на поверхности раздела фаз. Процесс горения твердых материалов имеет гетерогенный характер. Поэтому исключительную роль в указанном процессе играют также размеры и природа поверхности твердой фазы и ее изменяемость. Для возникновения горения необходимы система, склонная к этому процессу (горючее вещество и окислитель), и импульс, вызывающий химическую реакцию горения. К горючему, способному взаимодействовать с окислителем, относятся значительное число жидкостей и газов, а также множество твердых веществ металлы в свободном виде, сера в элементарном и связанном виде, большинство органических соединений. Окислителями в процессах горения являются кислород (воздух), озон, перекиси, богатые кислородом вещества (нитросоединения, азотная кислота, перхлораты, нитраты), галогены.

Горение - это интенсивные химические окислительные реакции, которые сопровождаются выделением тепла и свечением. Горение возникает при наличии горючего вещества, окислителя и источника воспламенения. В качестве окислителей в процессе горения могут выступать кислород, азотная кислота, пероксид натрия, бертолетова соль, перхлораты, нитросоединения и др. В качестве горючего - многие органические соединения, сера, сероводород, колчедан, большинство металлов в свободном виде, оксид углерода, водород и т. д.

Большинство ВВ этой группы представляет собой кислородосодержащие органические соединения, способные к частичному или полному внутримолекулярному горению.

Хладоны в отличие от водо-пенных средств и инертных разбавителей являются ингибиторами горения, т. е. веществами, способными активно вмешиваться в химические процессы, тормозя их. Наиболее эффективно хладоны тормозят горение органических веществ (нефтепродуктов, растворителей и др.) и значительно слабее тормозят горение водорода, аммиака и некоторых других веществ. Хладоны неприемлемы для тушения металлов, многих металлоорганических соединений, некоторых гидридов металлов, а также тогда, когда окислителем при пожаре является не кислород, а другие вещества (например, галогены, оксиды азота).

Состав продуктов сгорания зависит от состава горящего вещества, условий, в которых происходит горение, и главным образом полноты сгорания-. В продуктах сгорания могут содержаться многие неорганические вещества (углерод, азот, водород, сера, фосфор и др.) и их окислы, а также спирты, кетоны, альдегиды и другие органические соединения. Образующийся в процессе горения дым состоит из мельчайших твердых частиц размером от 0,01 до 1 мкм.

Для неполярных органических соединений близок единице для слабополярных соединений можно приближенно принимать =1,06. Для пожаров нефтепродуктов, имеющих площадь горения более 10 м2, скорость выгорания (в м/с) приближенно можно найти по эмпирической формуле

Левая часть уравнений (6.2) и (6.3) выражает абсолютную энтальпию (внутреннюю энергию) исходной горючей смеси при начальной температуре Т0, а правая - энтальпию (внутреннюю энергию) смеси продуктов горения при температуре горения Тт или взрыва Гвзр. Детальная методика расчета температуры горения органических соединений, основанная на этих представлениях, описана в следующих двух разделах. При этом рассматриваются только системы, образованные углеродом, водородом, кислородом, азотом и аргоном, так как точный термодинамический расчет систем, содержащих другие элементы, без применения ЭВМ чрезвычайно сложен и выходит за рамки предлагаемой книги. Приближенные методы расчета малоэффективны, поэтому тоже не приводятся.

Острые и хронические отравления возможны также при розливе, фильтрации, очистке и транспортировке Hg при производстве гремучей ртути (при этом в воздух могут одновременно поступать окислы азота, эфиры азотной кислоты, пары летучих органических соединений, цианистый водород) прп извлечении благородных металлов из руд, сплавов, лома, отбросов при различных электролитических процессах при работах с фотореактивами, содержащими при различных химических процессах и операциях (например, в производстве синтетической уксусной кислоты в процессе анализа органических соединений при определении азота) при пропитке шпал, столбов и различных деревянных конструкций с целью их консервирования при использовании 1 как зонирующей (изолирующей) жидкости прп производстве электродов и электрических батарей при чистке, сварке илп ремонте котлов, в которых ранее содержалась при окраске подводных частей морских судов (Голдуотер и Джефферс) при контроле водомерных установок иногда - при пожарах на ртутных рудниках (Кулбасов Мирочник), при взрыве ртутных ламп, горении так называемых фараоновых змей (роданид ртути), взрыве гремучей ртути вблизи ртутных заводов при различных работах с Н, в частности в процессе изготовления ртутных колб (малых выпрямителей) и в производстве термометров.

Однако специфическое действие ингибирующих добавок ограничено. Наиболее эффективны галоидалканы, у которых большая часть атомов водорода заменена галоидом. Способные окисляться галоидопроизводные органических соединений, по-видимому, затрудняют горение только богатых горючим смесей. Добавление таких продуктов к бедным смесям может даже увеличивать скорость пламени вследствие возрастания при этом калорийности смеси.

В результате горения веществ образуются газообразные, жидкие и твердые продукты при полном сгорании получаются С02, Н20, ЯОз и Р205, не горящие и не поддерживающие горения вещества. При неполном сгорании органических веществ образуются более разнообразные продукты. В состав их, кроме продуктов полного сгорания, входят окись углерода, спирты, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные органические соединения. Продукты неполного сгорания часто являются ядовитыми, способными гореть и образовывать с воздухом взрывчатые смесн. Продукты полного и неполного горения образуют различный по составу дым. Дым состоит из мельчайших твердых частиц, находящихся во взвешенном состоянии в каком-либо газе. Твердыми частицами являются главным образом углерод диаметром от 0,002 до 1 мм. Эти частицы легко оседают в виде копоти или сажи.

В результате горения образуются газообразные, жидкие и твердые продукты. При полном сгорании - СОг, НгО, БОг и Р2О5 при неполном сгорании образуются более разнообразные продукты, в состав которых, кроме продуктов полного сгорания, входят окись углерода, кетоны, альдегиды, кислоты и другие сложные органические соединения. Продукты неполного сгорания часто ядовиты, способны гореть и образовывать с воздухом взрывоопасные смеси.

Натрий Ыа, серебристо-белый мягкий металл. Ат. вес 22,997 плоти. 970 кг/м3, т. пл. 97,7° С т. кип. 883° С уд. электр. сопр. при 20° С 4,879 10" ом см. Теплота сгорания до Ыа202 2600 ккал/кг коэф. теплопроводности в кал/(см сек град) 0,317 при 21° С, 0,205 при 100° С. Обладает большой реакционной способностью. При нагревании на воздухе легко воспламеняется. Т. го-рёния около 900°С т. самовоспл. 330-360° С (в воздухе), 97-106°С (в присутствии перекиси натрия) II8°С (в кислороде) минимальное содержание кислорода, необходимое для горения, 5% объемн. скорость выгорания 0,7-0.9 кг/(м -мин). При сгорании в избытке кислорода образуется перекись Ыаг02, которая с легко-окисляющимися веществами (порошками алюминия, серой, углем и др.) реагирует очень энергично, иногда со взрывом. Твердая углекислота при соприкосновение с металлом, нагретым до 350°С, взрывается. Реакция с водой начинается при -98°С с выделением водорода. Взаимодействие натрия с водой, растворами кислот или органическими соединениями часто сопровождается взрывом. Натрий (особенно расплавленный) при горении образует взрывоопасные смеси с галоидпроизвод-ными углеводородами. Тушить составом ПС-1 и сжиженными инертными газами. При тушении в закрытых помещениях наибольший эффект дают аргон и азот. Тушение см. также Металлы. Средства тушения.

Пожароопасные свойства Горючий металл. Т. самовоспл. в воздухе 330-360°С (в присутствии пероксида натрия 97-106°С), в кислороде 118°С МВСК 5% об. скорость выгорания (1,1-1,5) I02 кг/(м3с). При сгорании в избытке кислорода образуется Na202, реагирующий с легкоокисляющимися веществами (порошками алюминия, серой, углем и др.), очень энергично, иногда со взрывом. Карбиды щелочных металлов обладают большой химической активностью в атмосфере диоксида углерода они самовоспламеняются, с водой взаимодействуют со взрывом. Твердый диоксид углерода с расплавленным натрием взрывается при 350°С. Реакция со льдом начинается при -98°С с выделением водорода. При соприкосновении значительных количеств натрия и воды реакция сопровождается взрывом. Взаимодействие с растворами кислот протекает подобно реакции с водой. Взаимодействие натрия с органическими соединениями зависит от их природы и температуры. Натрий, особенно расплавленный, при определенных условиях (например, при горении) образует взрывоопасные смеси с галоидопроизводными углеводородов. Азид натрия NaN3 взрывается при т-ре, близкой к т-ре плавления. В хлоре и фторе натрий воспламеняется при комнатной т-ре, с бромом взаимодействует при 200°С со взрывом. Вследствие повышенной химической активности натрий хранят под слоем керосина или минерального масла.

Атмосферные за1рязнения могут являться результатом практически любой операции, выполняемой при строительстве, техническом обслуживании или техническом ремонте кораблей и катеров. Загрязнители воздуха, которые контролируются во многих странах, включают в себя оксиды серы, оксиды азота, моноксиды углерода, микрочастицы (дым, сажа, пыль и т.д.), свинец и летучие органические соединения. При выполнении видов деятельности судостроения и судоремонта загрязнители включают в себя источники горения, такие как котельные и тепловые станции для обработки металла, генераторы и печи. Микрочастицы могут быть видимыми в качестве дыма от процесса горения, а также в качестве пыли при деревообработке, при операциях пескоструйной очистки, шлифовании песком, растирании и полировке.

Интересно отметить, что в интервале давлений 250-500 ат дигидрат бихромата меди(II) более эффективен, чем некоторые из рассмотренных выше органических соединений, что связано, вероятно, с лучшей растворимостью неорганических солей в воде, которая оказывает значительное влияние на процесс горения в этом диапазоне давлений. Органическая часть молекулы также оказывает весьма существенное влияние на каталитическую активность медьсодержащих соединений. Так, из табл. 20 и рис. 88 видно, что в зависимости от органической части молекулы коэффициент К может изменяться от 1,2 до 3,0 при 50 ат и от 10 до 21 при 300 ат, однако с ростом давления это различие становится меньше. При этом различие в каталитической эффективности, например, медьсодержащих органических соединений, не связано с абсолютным количеством металла в молекуле соединения. Так, в 5 вес.% салицилата меди содержится 0,96 г металла, а в оксинате меди - 0,83 г, тем не менее последнее соединение значительно более эффективно как катализатор. Аналогичная картина наблюдается и для натрийсодерямщих солей, например при 50 ат К - 1,3 для бензоата натрия, К = 1,8 для салицилата натрия и К = 0,7 для фуксина.

Что касается парадоксального уменьшения скорости горения перхлората аммония в присутствии некоторых органических соединений (см. табл. 20), особенно в области низких давлений, то оно связано, вероятно, с тем, что, поскольку ион данного металла (например, висмута, ртути, магния15 или кадмия) не оказывает каталитического воздействия на процесс, преобладающим является влияние органической части молекулы и, в частности, ее восстановительных свойств . Кроме того, не исключается участие иона металла в обменной реакции по типу, описанному ранее , и замедление горения вследствие связывания хлорной кислоты, продукты распада которой являются окислителем для горючих элементов перхлората.

Исходя из результатов таблицы, можно сделать вывод, что все изученные нами органические соединения ингибируют горение метана, но не в одинаковой мере. В зависимости от химической природы одни добавки имеют эффективность того же порядка, что и хлорид натрия (например, поливинилхлорид), другие - менее эффективны (о-фенилендиамин, бензоат лития, окись кремния), третьи - более эффективны (бензоат и сали-цилат натрия, индол, салицилат калия, дифтилметандисульфонат натрия).

Хотя многие из изученных нами органических соединений более эффективно чем хлорид натрия ингибировали распространение пламени в стехиометрической метано-воздушной смеси, однако следовало иметь в виду, что органические соединения могли принимать участие в процессе горения, переобогащая смесь. Для проверки этого предположения были поставлены опыты, когда в метано-воздушную смесь на бедном пределе горения (5% СН.) вводились изученные добавки. Результаты опытов представлены в табл. 58. Как видно из таблицы, твердые органические соединения, содержащие в молекуле щелочные металлы или хлор, а также соединения, содержащие аминогруппу, действительно являются ингибиторами.

Для каждого ВВ в определенной области давлений имеется свой наиболее эффективный катализатор горения - пятиокись ванадия, хромат свинца и хлорид меди для нитрогуанидина, дигидрат бихромата меди(II) я оксинат меди для перхлората аммония, соли шестивалентного хрома и хлориды, а также органические соединения щелочных металлов для литрата аммония.

В работе найдено, что окислы свинца реагируют с гидроксилпро-изводными углеводородов, горение которых они промотируют, и не реагируют с эфирами и углеводородами, горение которых они ингибируют. (Напомним, что промотирующее влияние гидроксила на каталитическое действие бихромата калия наблюдалось нами при горении пикриновой кислоты, что обусловлено, вероятно, его промотирующим влиянием на газофазное окисление СО.) В то же время органические соединения тетраэтилсвинец и пентакарбонилжелезо сильно ингибируют гексано-воздушные пламена , кроме того, они являются наилучшими антидетонаторами .

При горении ВВ соединения свинца и железа - эффективные катализаторы. Так, например, хромат и хлорид свинца катализировали горение нитрогуанидина и нитрата аммония, а органические соединения железа - эффективные катализаторы горения смееевых порохов на основе перхлората аммония. В то же время при термическом распаде этилнитра-та окись свинца была ингибитором, а медная поверхность ускоряла распад .

При полном сгорании органических соединений образуются С02, БОг, Н20, N2, а при сгорании неорганических соединений- оксиды. В зависимости от температуры плавления продукты реакции могут либо находиться в виде расплава (А1203, ТЮ2), либо подниматься в воздух в виде дыма (Р2О5, Ыа20,. А О). Расплавленные твердые частицы создают светимость пламени. При горении углеводородов сильная светимость пламени обеспечивается свечением частиц технического углерода, который образуется в больших количествах. Уменьшение содержания технического углерода в результате его окисления уменьшает светимость пламени, а снижение температуры затрудняет окисление технического углерода и приводит к образованию в пламени копоти.

Рассматривая любое органическое соединение как углеводород, в котором некоторое число атомов водорода замещено другими атомами и группами атомов и считая теплоту сгорания функцией числа электронов, перемещающихся при горении от атомов углерода и водорода к атомам кислорода, Карраш для жидких органических соединений пришел к зависимости

Хлористый водород как флегматизатор горения. Оксихлориро-вание углеводородов . В промышленности хлороорганического синтеза широко распространены системы, содержащие горючее, кислород и хлористый водород. Особенно часто встречаются такие смеси в процессах окислительного хлорирования (оксихлори-рования) . Основная задача этих процессов заключается в утилизации хлористого водорода, образующегося в качестве побочного продукта во многих производствах, прежде всего, в процессах прямого хлорирования органических соединений, а также дегидрохлорирования полихлоралканов. При прямом хлорировании насыщенных органических соединений основную брутто-реак-цию можно записать как

Болезни

Общие сведения о горении

Сущность процесса горения

Условия, способствующие горению

Вам также может понравиться