Большая Энциклопедия Нефти и Газа. Горение нефти химическая реакция


Тема 3. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ » СтудИзба

Тема 3. ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГОРЕНИЯ.

3.1. Химизм реакций горения.

Как Вы уже уяснили, горением называется быстропротекающая хими-ческая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и свечением (пламе-нем). Обычно – это экзотермическая окислительная реакция соединения го-рючего вещества с окислителем – кислородом воздуха.

Горючими веществами могут быть и газы, и жидкости, и твердые те-ла. Это Н2, СО, сера, фосфор, металлы, СmHn (углеводороды в виде газов, жидкостей и твердых веществ, т.е. органические вещества. Природными уг-леводородами, например, являются природный газ, нефть, уголь). В принци-пе, горючими могут все вещества, способные к окислению.

Окислителями служат: кислород, озон, галогены (F, Cl, Br, J), закись азота (NO2), аммиачная селитра (Nh5NO3) и др. У металлов окислителями могут быть  также  СО2, Н2О, N2.

В некоторых случаях горение возникает при реакциях разложения ве-ществ, полученных в эндотермических процессах. Например, при распаде ацетилена:

С2Н2 = 2С + Н2.

Экзотермические реакции – это реакции, проходящие с выделением тепла.

Эндотермические реакции – это реакции, проходящие с поглощением тепла.

Например:

2Н2+О2=2Н2О+Q – экзотермическая реакция,

2Н2О+Q=2Н2+О2 – эндотермическая реакция,

где:    Q – тепловая энергия.

Таким образом, эндотермические реакции могут протекать только с внесением внешней тепловой энергии, т.е. при нагреве.

В химических реакциях по закону сохранения масс вес веществ до ре-акции равен весу веществ, образованных после реакции. При уравнивании химических уравнений получаются стехиометрические составы.

Например, в реакции

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О

имеем   1 моль СН4 + 2 моля О2 = 1 моль СО2 + 2 моля Н2О.

Количество молей перед формулами веществ называется стехиометри-ческими коэффициентами.

Учитывая понятия «молярный объем», «молярная концентрация», «парциальное давление», получаем, что для полного реагирования метана надо смешать 1 моль СН4 с 2 молями О2, или 1/3= 33,3% СН4 и 2/3=66,7% О2. Такой состав и называется стехиометрическим.

Если рассмотреть горение СН4 в воздухе, т.е. в смеси 21% О2+79% N2 или О2+79/21N2  или  О2+3,76N2, то реакция запишется так:

СН4+2О2+2×3,76N2=СО2+2Н2О+2×3,76N2.

1 моль СН4+2 моля О2+7,52 моля N2 = 10,52 моля смеси О2, N2 и СН4.      

Тогда стехиометрический состав смеси будет:

(1/10,52)*100%=9,5% СН4;   (2/10,52)*100%=19,0% О2;

(7,52/10,52)*100%=71,5% N2.

Значит в наиболее горючей смеси вместо 100% (СН4+О2) в реакции с кислородом будет 24% (СН4+О2) в реакции с воздухом, т.е. тепла выделится значительно меньше.

Та же картина получится, если смешивать произвольные, нестехиомет-рические составы.

Например, в реакции  2СН4+2О2=СО2+2Н2О+СН4  1 моль СН4 не про-реагирует.

В реакции СН4+4О2=СО2+2Н2О+2О2  2 моля О2 не участвует в реак-ции, а играют роль балласта, требующие на свой нагрев какое-то количество тепла.

Таким образом, если сравнить реакции горения метана в кислороде и воздухе или в избытке СН4 и О2, то ясно, что количество выделяемого тепла в первой реакции будет больше, чем в остальных, так как в них:

- меньше концентраций реагирующих веществ в общей смеси;

- часть тепла уйдет на нагрев балласта: азота, кислорода или метана.

Зададимся вопросами:

-  Какая же энергия может выделиться при реакции?

-  Отчего  зависит  количество  теплоты, т.е.  тепловой  эффект   ре-

    акции?

-  Сколько   нужно   добавить  тепловой   энергии,  чтобы  протекла

    эндотермическая реакция?

Для этого введено понятие теплосодержание вещества.

3.2.Теплосодержание веществ.

Откуда же взялась теплота в реакции горения метана? Значит она была скрыта в молекулах СН4 и О2, а теперь высвободилась.

Приведем пример более простой реакции:

2Н2+О2=2Н2О+Q

Значит энергетический уровень стехиометрической смеси водорода с кислородом был выше, чем у продукта реакции Н2О и «лишняя» энергия вы-свободилась из вещества.

При обратной реакции электролиза воды, т.е. разложения воды с помо-щью электрической энергии, происходит перераспределение атомов в моле-куле воды с образованием водорода и кислорода. При этом теплосодержание Н2 и О2 повышается.

Таким образом, каждое вещество при его образовании получает или от-даст определенную энергию, и мера тепловой энергии, накапливаемой веще-ством при его образовании, называется теплосодержанием, или энтальпией.

В отличие от химии, в химической термодинамике теплота образования вещества обозначается не символом Q, а символом DН со знаком (+), если теплота поглощается химическим соединением, и со знаком (-), если теплота выделяется при реакции, то есть «уходит» из системы.

Стандартная теплота образования 1 моля вещества при давлении 101,3 кПа и температуре 298 К обозначается .

В справочниках даны теплоты образования  соединений из про-стых веществ.

Например:

 у СО2 = - 393,5 кДж/моль

 у Н2Огаз = - 241,8 кДж/моль

Но у веществ, образующихся при эндотермических процессах, напри-мер,   ацетилена С2Н2 = +226,8 кДж/моль, при образовании атома водо-рода Н+ по реакции Н2= Н++ Н+=+217,9 кДж/моль.

Для чистых веществ, состоящих из одного химического элемента в ус-тойчивой форме (Н2, О2, С, Na и др.) DН условно принята равной нулю.

Теплосодержание можно назвать химической энергией, так как его ве-личина тесно связана с химическим составом вещества.

Однако, если мы обсуждаем макроскопические свойства веществ, то выделяем несколько форм энергии: кинетическую, потенциальную, химиче-скую, электрическую, тепловую, ядерную энергии и механическую работу. А если рассматривать вопрос на молекулярном уровне, то эти формы энергии можно объяснить исходя лишь из двух форм – кинетической энергии движе-ния и потенциальной энергией покоя атомов и молекул.

При химических реакциях изменяются только молекулы. Атомы оста-ются неизменными. Энергия молекулы – это энергия связи ее атомов, нако-пленная в молекуле. Она определяется силами притяжения атомов друг к другу. Кроме того, существует потенциальная энергия притяжения молекул друг к другу. В газах она мала, в жидкостях больше и еще больше в твердых телах.

Каждый атом обладает энергией, часть которой связана с электронами, а часть – с ядром. Электроны обладают кинетической энергией вращения во-круг ядра и потенциальной электрической энергией притяжения друг к другу и отталкивания друг от друга.

Сумма этих форм молекулярной энергии и составляет теплосодержание молекулы.

Если просуммировать теплосодержание 6,02×1023 молекул вещества, то получим молярное теплосодержание этого вещества.

Почему теплосодержание одноэлементных веществ (молекул одного элемента) взято за ноль, можно пояснить следующим образом.

DН химического элемента, то есть энергия его образования, связана с внутриядерными процессами. Ядерная энергия связана с силами взаимодей-ствия внутриядерных частиц и превращением одного химического элемента в другой при ядерных реакциях. Например, реакция распада урана:

или проще:   U+n®Ba+Kr+3n.

где:   n’o – нейтронная частица с массой 1 и нулевым зарядом.

Уран захватывает нейтрон, в результате чего  расщепляется (распадает-ся) на два новых элемента – барий и криптон – с образованием 3х нейтронов, и выделяется ядерная энергия.

Следует сказать, что с ядерными реакциями связаны в миллионы раз большие изменения энергии, чем при химических реакциях. Так, энергия распада  урана составляет 4,5×109 ккал/моль×урана. Это в 10 млн. раз больше, чем при сгорании одного моля угля.

В химических реакциях атомы не изменяются, а изменяются молекулы. Поэтому энергия образования атомов химиками не учитывается, и DН одно-элементных газовых молекул и атомов чистых веществ принята равной нулю.

Приведенная реакция распада урана – это классический пример цепной реакции. Теорию цепного механизма реакции горения мы будем рассматри-вать позднее. А вот откуда берется нейтрон и что заставляет его реагировать с ураном – это связано с так называемой энергией активации, которую рас-смотрим чуть позднее.

3.3. Тепловой эффект реакции.

То, что в каждом индивидуальном веществе заключено определенное количество энергии, служит объяснением тепловых эффектов химических реакций.

По закону Гесса: Тепловой эффект химической реакции зависит только от природы начальных и конечных продуктов и не зависит от числа проме-жуточных реакций перехода от одного состояния к другому.

Следствие 1 этого закона: Тепловой эффект химической реакции равен разности между суммой теплот образования конечных продуктов и суммой теплот образования исходных веществ с учетом коэффициентов при форму-лах этих веществ в уравнении реакции.

.

Например, в реакции 2Н2+О2=2Н2О±DН.

; ; .

Тогда:

     

.

В итоге общее уравнение реакции будет выглядеть так:

2Н2+О2=2Н2О – 582 кДж/моль.

И если DН со знаком (-), то реакция экзотермическая.

Следствие 2. По закону Лавуазье-Лапласа тепловой эффект разложе-ния химического соединения равен и противоположен по знаку тепловому эффекту его образования.

Тогда реакция разложения воды будет:

2Н2О=2Н2+О2+582 кДж/моль, т.е. эта реакция эндотермическая.

Пример более сложной реакции:

СН4+2О2=СО2+2Н2О.

.

Тогда реакция запишется так:

СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О – 742,3 кДж/моль, значит реакция экзотермиче-ская.

3.4. Кинетические основы газовых реакций.

По закону действующих масс скорость реакции при постоянной темпе-ратуре пропорциональна концентрации реагирующих веществ или, как гово-рят, «действующих масс».

Скоростью химической реакции (υ) принято считать количество веще-ства, реагирующего в единицу времени (dt) в единице объема (dV).

Рассмотрим реакцию, протекающую по уравнению:

А + В = С + Д.

Поскольку скорость реакции характеризует уменьшение во времени концентрации реагирующих веществ и увеличение концентрации продуктов реакции, то можно записать:

                               ,                       (3.1)

где минусы при производных говорят о направлении изменения концентра-ции компонентов, а в квадратных скобках указаны концентрации компонен-тов.

Тогда прямая необратимая реакция при Т = const протекает со скоро-стью:

                                   ,                        (3.2)

где:    k – константа скорости химической реакции. Она не зависит от концентрации компонентов, а изменяется только с температурой.

По закону действующих масс концентрации компонентов реакции вхо-дят в кинетическое уравнение в степени, равной стехиометрическому коэф-фициенту этого компонента.

Так, для реакции

аА + bB = cC + dД

Кинетическое уравнение имеет вид:

            …   (3.3)

Показатели степеней a, b, c, d принято называть порядками реакции по компонентам А, В, С, Д, а сумму показателей – общим порядком реакции.

Например, реакции типа

А ® bB + cC – I порядка,

2А = bB + cC – II порядка,

А + B = cC + dД – III порядка.

Поскольку концентрации всех реагирующих компонентов связаны ме-жду собой стехиометрическими уравнениями, то простейшие кинетические уравнения I порядка являются дифференциальными уравнениями I порядка с одной независимой переменной – концентрацией – и могут быть проинтегри-рованы.

Простейшим кинетическим уравнением является уравнение I порядка типа

А=bB+cC…,

для которого                       .                                      (3.4)

Обозначим через [A0] концентрацию компонента А до начала реакции и, проинтегрировав уравнение при граничном условии t=0, [А]=[А0], получа-ем:

                     ,             или              [A]=[A0]×e-kt.                   (3.5)

Таким образом, зависимость скорости реакции от концентрации ве-ществ имеет экспоненциальный характер.

Кинетическая энергия газов объясняет это так. По гипотезе Аррениуса реакция между молекулами проходит лишь в том случае, если они являются активными, т.е. обладают избыточной энергией, достаточной для разрыва межатомных связей, так называемой энергией активации ЕА.

Т.е. скорость химической реакции зависит не от количества столкнове-ний всех молекул, а только активированных.

По закону Больцмана, число активных молекул

                                              nA= nо * e-E/RT,                                            (3.6)

где:    Е – энергия активации,

          Т – температура газовой смеси,

          nо – общее число молекул.

Тогда и число эффективных соударений, совпадающее со скоростью реакции, равно:

                                           υр = Zэфф = Z0 * e-E/RT,                                      (3.7)

где:    Z0 – общее число соударений молекул.

Итак:

1) скорость реакции пропорциональна концентрации активных моле-кул, число которых зависит от температуры и давления в смеси, так как дав-ление и есть количество молекул, сталкивающихся с какой-либо поверхно-стью;

2)          реакция возможна лишь в том случае, если взаимодействующие мо-лекулы получают определенный запас энергии, достаточный для разрыва или ослабления межатомных связей. Активация заключается в переходе молекул в такое состояние, в котором возможно химическое превращение.

Чаще всего процесс активации идет путем образования промежуточных неустойчивых, но высокоактивных соединений атомов.

Таким образом, не только для протекания эндотермических процессов нужен внешний подвод энергии, но и для экзотермических. Чтобы произош-ла экзотермическая реакция, надо сообщить ей какой-то импульс тепловой энергии. Например, для протекания реакции горения в смеси водорода с ки-слородом, надо ее поджечь.

Минимальное количество тепловой энергии, необходимое для «запус-ка» химической реакции, называется энергией активации.

3.5. Энергия активации реакции.

Для объяснения данного явления часто пользуются следующим приме-ром (рис. 9):

На площадке лежит шар. Площадка расположена перед горкой. Поэто-му шар мог бы скатиться сам вниз, если бы не горка. Но для самопроизволь-ного спуска его надо поднять на вершину горки. При этом освободится не только энергия подъема на горку, но и энергия спуска вниз.

Рис. 9. Схема активирования реакции.

Рассмотрим две реакции:

1)         Н2+О2=Н2О-

2)         Н2О=Н2+О2+

Как видно из рисунка, Е2=+Е1;

=Е2 - Е1;

=Е1.

В общем, при любой реакции

.

И от разности Е1 и Е2, которые всегда положительные, зависит знак те-плового эффекта.

Таким образом, энергия активации – это энергия, необходимая для пре-вращения реагирующих веществ в состояние активного комплекса (разрыв межатомных связей, сближение молекул, накопление энергии в молекуле…).

С повышением температуры газов резко увеличивается доля активных молекул (е-Е/RT), а значит скорость реакции по экспоненциальной зависимо-сти. Эту зависимость можно проиллюстрировать следующим образом:

Рис. 10. Зависимость скорости реак-ции  от температуры: 1 – скорость 1-ой реакции, 2 – скорость 2-ой реак-ции.

Как видно из рисунка 10, скорость первой реакции меньше скорости второй реакции, а энергия активации 1-ой реакции больше, чем Е второй. И при одинаковой температуре Т2  υ2 > υ1. Чем больше энергия активации, тем выше температура, необходимая для достижения данной скорости реакции.

Причина этого в том, что когда Е больше, то существующие межатом-ные связи в молекулах реагирующих компонентов сильнее, и нужно больше энергии на преодоление этих сил. При этом доля активных молекул соответ-ственно меньше.

Из сказанного видно, что величина энергии активации является важ-нейшей характеристикой химического процесса. Она определяет высоту энергетического барьера, преодоление которого представляет собой условие протекание реакции. С другой стороны, она характеризует скорость реакции от температуры, т.е. чем выше энергия активации, тем выше температура для достижения заданной реакции.

3.6. Катализ.

Кроме повышения температуры и концентрации веществ, для ускоре-ния химической реакции используют катализаторы, т.е. вещества, которые вводятся в реагирующую смесь, но не расходуются при реакции, а ускоряют ее путем снижения энергии активации.

Процесс увеличения скорости реакции с помощью катализаторов назы-вается катализом.

Катализаторы участвуют в промежуточных реакциях по созданию ак-тивированного комплекса за счет ослабления связей в молекулах исходных веществ, их разложения, адсорбции молекул на поверхности катализатора, либо ввода активных частиц катализатора.

Характер участия катализатора можно пояснить следующей схемой:

Реакция без катализатора:       А + В = АВ.

С катализатором Х:    А + Х = АХ ® АХ + В = АВ + Х.

Приведем картинку, подобно представленной на рис. 9.

Рис. 11. Схема действия ката-лизатора: Еб.кат и Ес кат– энер-гии активации реакции без ка-тализатора и с катализатором соответственно.

При вводе катализатора (рис. 11) реакция может протекать по иному пути с меньшим энергетическим барьером. Этот путь соответствует новому механизму реакции через образование другого активированного комплекса. И новый более низкий энергетический барьер может преодолеть большее число частиц, что и приводит к увеличению скорости реакции.

Следует отметить, что энергия активации обратной реакции понижает-ся на такую же величину, как и энергия активации прямой реакции, т.е. обе реакции ускоряются одинаково, и катализаторы не инициируют реакцию, они только ускорят реакцию, которая может происходить в их отсутствии, но значительно медленнее.

Катализаторами могут стать промежуточные продукты реакции, тогда эта реакция называется автокаталитической. Так, если скорость обычных ре-акций снижается по мере расходования реагирующих веществ, то реакция горения из-за автокатализа самоускоряется и является автокаталитической.

Наиболее часто в качестве катализаторов используются твердые веще-ства, которые адсорбируют молекулы реагирующих веществ. При адсорбции ослабляются связи в реагирующих молекулах, и таким образом облегчается реакция между ними.

Что же такое адсорбция?

3.7. Адсорбция.

Адсорбция – поверхностное поглощение какого-либо вещества из га-зообразной среды или раствора поверхностным слоем другого вещества – жидкости или твердого тела.

Например, адсорбция токсичных газов на поверхности активированно-го угля, используемого в противогазах.

Различают физическую и химическую адсорбцию.

При физической адсорбции захваченные частицы сохраняют свои свойства, а при химической – образуются химические соединения адсорбата с адсорбентом.

Процесс адсорбции сопровождается выделением теплоты. У физической адсорбции она незначительна (1-5 ккал/моль), у химической – значительно больше (10-100 ккал/моль). Тем самым могут ускоряться химические реакции при катализе.

Для процессов горения и взрыва можно привести следующие примеры:

1. Температура самовоспламенения смеси Н2+О2 равна 5000С. В при-сутствии палладиевого катализатора она снижается до 1000С.

2. Процессы самовозгорания угля начинаются с химической адсорбции кислорода на поверхности угольных частиц.

3. При работах с чистым кислородом на одежде хорошо адсорбируется кислород (физическая адсорбция). И при наличии искры или пламени одежда легко вспыхивает.

4. Кислород хорошо адсорбируется и абсорбируется техническими мас-лами с образованием взрывчатой смеси. Смесь взрывается самопроизвольно, без источника зажигания (химическая абсорбция).

studizba.com

Реакции горения | Химическая энциклопедия

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

Кроме простых веществ, в кислороде горят и многие сложные вещества, к примеру, Ch5. В результате этой реакции выделяется много теплоты. Вот почему ко многим домам проведен природный газ, основным компонентом которого является метан. Теплота, выделяющаяся при горении метана, используется для приготовления пищи и других целей. Некоторые химические реакции происходят очень быстро. Такие реакции называют взрывными или просто взрывами. Например, взаимодействие кислорода с водородом может протекать в форме взрыва. Горение может проходить не только в кислороде, но и в других газах.

Многие знают, 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. Пот почему, если уменьшить доступ воздуха к горящему предмету (а, следовательно, уменьшить доступ кислорода), то горение замедляется и прекращается. Отсюда понятно, почему для тушения загоревшегося предмета на него следует набросить, например, одеяло или плотную тряпку.

При пожарах для тушения горящих предметов часто используют пену. Она обволакивает горящий предмет и прекращает доступ к нему кислорода. Горение сначала замедляется, а затем и вовсе прекращается.

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 она быстро сгорает с образованием раскаленных искр. Вам необходимо включить JavaScript, чтобы проголосовать

abouthist.net

Как протекает реакция горения

Горением называется реакция окисления, протекающая с высокой скоростью, которая сопровождается выделением тепла в большом количестве и, как правило, ярким свечением, которое мы называем пламенем. Процесс горения изучает физическая химия, в которой к горению принято относить все экзотермические процессы, имеющие самоускоряющуюся реакцию. Такое самоускорение может происходить из-за повышения температуры (т. е. иметь тепловой механизм) или накопления активных частиц (иметь диффузионную природу).

Реакция горения имеет наглядную особенность - наличие высокотемпературной области (пламени), ограниченной пространственно, где и происходит большая часть преобразования исходных веществ (топлива) в продукты сгорания. Данный процесс сопровождается выбросом большого количества тепловой энергии. Для начала реакции (появления пламени) требуется затратить некоторое количество энергии на поджигание, затем процесс идет самопроизвольно. Его скорость зависит от химических свойств веществ, участвующих в реакции, а также от газодинамических процессов при сгорании. Реакция горения имеет определенные характеристики, важнейшие из которых - теплотворная способность смеси и та температура (называемая адиабатической), которая теоретически могла бы достигаться при полном сгорании без учета теплопотерь.

По агрегатному состоянию окислителя и горючего процесс сгорания может быть отнесен к одному из трех типов. Реакция горения может быть:

- гомогенной, если горючее и окислитель (предварительно смешанные) находятся в газообразном состоянии,

- гетерогенной, при которой твердое или жидкое горючее вступает во взаимодействие с газообразным окислителем,

- реакцией горения порохов и взрывчатых веществ.

Гомогенное горение является наиболее простым, имеет постоянную скорость, зависящую от состава и молекулярной теплопроводности смеси, температуры и давления.

Гетерогенное горение наиболее распространено как в природе, так и в искусственных условиях. Скорость его зависит от конкретных условий процесса сжигания и от физических характеристик ингредиентов. У жидких горючих на скорость сгорания большое влияние оказывает скорость испарения, у твердых - скорость газификации. Например, при сгорании угля процесс образует две стадии. На первой из них (в случае сравнительно медленного нагрева) выделяются летучие компоненты вещества (угля), на второй догорает коксовый остаток.

Горение газов (например, горение этана) имеет свои особенности. В газовой среде пламя может распространяться на обширное расстояние. Оно может двигаться по газу с дозвуковой скоростью, причем данное свойство присуще не только газовой среде, но и мелкодисперсной смеси жидких и твердых горючих частиц, смешанной с окислителем. Для обеспечения устойчивого горения в таких случаях требуется специальная конструкция устройства топки.

Последствия, которые вызывает реакция горения в газовой среде, бывают двух видов. Первый - это турбулизация газового потока, приводящая к резкому увеличению скорости процесса. Возникающие при этом акустические возмущения потока могут привести к следующей стадии - зарождению ударной волны, ведущей к детонации смеси. Переход горения в стадию детонации зависит не только от собственных свойств газа, но и от размеров системы и параметров распространения.

Сгорание топлива используется в технике и промышленности. Основной задачей при этом является достижение максимальной полноты сгорания (т. е. оптимизация тепловыделения) за заданный промежуток. Используется горение, например, в горном деле - методы разработки различных полезных ископаемых основаны на использовании горючего процесса. Но в определенных природных и геологических условиях явление горения может стать фактором, несущим серьезную опасность. Реальную опасность, например, представляет процесс самовозгорания торфа, приводящий к возникновению эндогенных пожаров.

fb.ru

Реакция - горение - топливо

Реакция - горение - топливо

Cтраница 3

Печи с прямым нагревом в свою очередь делятся на: печи с большим свободным объемом рабочего пространства, шахтные печи для обработки кусковых материалов, печи с кипящим слоем, циклонные печи и др. На рис. 1Ы а изображена схема печи с большим. Нагреваемый материал, изделия или шихта лежат на поду, а над ним имеется значительный свободный объем, в котором могут протекать реакции горения топлива. Наличие свободного объема позволяет приблизить горящий факел к нагреваемому материалу, что очень выгодно, так как при этом теплопередача становится весьма интенсивной.  [32]

Печи с прямым нагревом в свою очередь делятся на печи с большим свободным объемом рабочего пространства, шахтные печи для обработки кусковых материалов, печи с кипящим слоем, циклонные печю и др. На рис. 5 - 1 а изображена схема печи с большим свободным объемом рабочего пространства. Нагреваемый материал, изделия или шихта лежат на полу, а над ним имеется значительный свободный объем, в котором могут протекать реакции горения топлива. Наличие свободного объема позволяет приблизить горящий факел к нагреваемому материалу, что очень выгодно, так как при этом теплопередача становится весьма интенсивной.  [33]

Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [34]

Термохимия, Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [35]

Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [36]

Термохимия, Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [37]

Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [38]

Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химиик посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [39]

Энергетические изменения, сопровождающие протекание химических реакций, имеют большое практическое значение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые эффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, посвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [40]

Энергетические изменения, сопровождающие фотекание химических реакций, имеют большое практическое зна - [ ение. В качестве примера достаточно вспомнить реакции горения топлива. Поэтому тепловые ффекты реакций уже давно тщательно изучаются. Раздел химии, юсвященный количественному изучению тепловых эффектов реакций, получил название термохимии.  [41]

Поэтому обычно избыток воздуха определяют по данным анализа дымовых газов, позволяющим получить значения агаз с удовлетворительной точностью. Расчетные формулы основываются на стехиометрических соотношениях реакций горения топлива.  [42]

Смесь горючего исходного материала с окислителем в определенном соотношении, необходимом для осуществления процесса горения с учетом получения заданного продукта, называется горючей смесью. Полученные продукты при осуществлении этих окислительных реакций называются продуктами сгорания. Системная теория печей рассматривает проблемы промышленного оформления процессов безопасного сжигания исходных горючих материалов на базе современной теории горения. Она рассматривает вопросы создания с помощью аэродинамических приемов оптимальных условий для управления процессами сжигания с заданной скоростью, температурой и с получением пламени необходимой геометрической формы, определяющих способ взаимодействия горючего и окислителя и обусловливающих вид процесса сжигания. Она рассматривает возникающие взаимосвязи при горении исходных материалов, совместимость протекания реакции горения топлива с целевыми химическими реакциями в одном объеме, особенности химического взаимодействия между реагентами при химико-технологическом сжигании. Протекание процесса сжигания исходных горючих материалов рассматривается совместно с теплотехническими процессами. Для протекания реакции горения исходных горючих материалов необходимы смесеобразование, организация воспламенения смеси, обеспечение условий распространения пламени и устойчивости горения.  [43]

Подтвердим это сугубо качественное определение более сухим, но и более убедительным количественным параметром. Важнейший показатель-теп лота сгорания, т.е. количество тепла, выделяющееся при сгорании одного килограмма топлива. Естественно, желательно, чтобы топливо имело максимальную теплоту сгорания. Оно также должно обеспечивать высокую удельную тягу, или удельный импульс, двигателя, так как чем он выше, тем меньше расходуется топлива. Кроме того, температуры, развиваемые при реакции горения топлива, должны быть максимальными, а молекулярная масса образующихся продуктов ( МСр) - минимальной. Последнее способствует повышению удельной тяги.  [44]

Страницы:      1    2    3

www.ngpedia.ru

Типы химических реакций. Реакции горения.

Тема: Типы химических реакций. Реакции горения.

Цели: Способствовать развитию у школьников интереса к химии и ОБЖ, раскрыть межпредметные связи, повторить типы химических реакций, совершенствовать учебные умения школьников при составлении химических уравнений, приобрести навыки работы с огнетушителем, познакомиться с мерами профилактики пожаров, способствовать развитию умений сравнивать и обобщать, быстро и четко формулировать и высказывать свои мысли, применять свои знания на практике.

Оборудование и реактивы: презентация к уроку, фарфоровая чашка, спирт, картонка, спички, воздушно-пенный и углекислотный огнетушители.

Ход урока:

Учитель химии: Горение это первая химическая реакция, с которой познакомился человек. Огонь…Можно ли представить наше существование без огня? Он вошел в нашу жизнь, стал неотделим от нее. Но далеко не всегда, вглядываясь в танцующий язычок пламени, мы задумываемся над тем, какую великую роль сыграл огонь в судьбе человеческой. Без огня человек не сварит ни пищу, ни сталь, без него невозможно движение транспорта. Без огня человек, наверное, не смог бы стать человеком… «Только научившись добывать огонь с помощью трения, люди впервые заставили служить себе некоторую неорганическую силу природы», - писал Ф.Энгельс.

Сущность процесса горения долгое время оставалась загадкой природы. Только лишь два века назад наконец удалось проникнуть в тайны горения. И сделала это всемогущая химия. До этого ошибочно думали, что всякое горючее вещество содержит в себе особую «огненную мате­рию», некую мифическую субстанцию – флогистрон, которая при горении выделяется из вещества и поглощается воздухом. Таким образом, горение считали реакцией разложения.

На самом же деле огонь – это признак такого процесса, в ходе которого горящие вещества взаимодействуют с кислородом с выделением большого количества теплоты и света. Этот химиче­ский процесс и называют горением.

Задание: Напишите уравнения взаимодействия и кислородом: лития, серы, углерода, фос­фора.

Один ученик выполняет задания на доске. Остальные – в тетрадях.

Учитель: К какому типу относятся эти реакции. Какие это реакции по тепловому эффекту? К какому классу веществ относятся продукты этих реакций? Какие вещества называются оксидами?

Ученик: Это реакции соединения. По тепловому эффекту экзотермические, идут с выделением теплоты. Продукты реакций горения – оксиды. Оксиды – это бинарные соединения, в состав которых входит кислород со степенью окисления -2.

Учитель: Какие условия должны соблюдаться для протекания реакции горения?

Ученик: Чтобы вещество загорелось должны быть соблюдены два условия: 1) достижение темпера­туры воспламенения вещества и 2) доступ кислорода.

Учитель проводит опыт:

Опыт1. Горение спирта. В фарфоровую чашку налить немного спирта, поджечь его, а затем плотно прикрыть чашку листом картона.

Учитель:: Почему пламя гаснет, а бумага не загорается?

Ученик: Пламя гаснет, так как нет доступа кисло­рода, бумага не загорается т.к. не была достигнута температура воспламенения.

Учитель: Каковы условия прекращения процесса горения?

К какому типу относятся эти реакции. Какие это реакции по тепловому эффекту? К какому классу веществ относятся продукты этих реакций? Какие вещества называются оксидами?

Ученик: Для прекращения процесса горе­ния следует либо охладить вещество ниже температуры воспламенения, либо прекратить к нему доступ кислорода.

Задание: Допишите уравнения химических реакций: презентация слайд №

+ О2 → CuO

Mg + … → MgO

… + O2 → CO2

CuS + … → SO2 + …

Один учащийся записывает на доске, остальные в тетрадях, затем проводят самопроверку.

Учитель ОБЖ: Знание условий горения веществ необходимо человеку для тушения пожара. Причиной по­жара являются многие факторы, и прежде всего – это химическая неграмотности многих людей, недопустимая небрежность в выполнении учебных, бытовых и производственных операций, на­рушение условий обращения с веществами и источниками энергии. Что же такое пожар?

Пожар – это неконтролируемый, быстропротекающий при высокой температуре химиче­ский процесс, сопровождающийся выделением большого количества теплоты, уничтожающий ма­териальные ценности и создающий опасность для жизни людей. Как правило, пожар возникает из-за несоблюдения мер предосторожности при работе с огнем и нарушения правил противопожар­ной безопасности.

При тушении пожара водой создаются два условия: вода охлаждает горячие предметы, а ее пары затрудняют к ним доступ кислорода. Кроме того, для прекращения доступа воздуха часто используют песок, оксид углерода (IV), который получают в огнетушителях, взрывчатые вещества (при взрыве образуется относительный вакуум и прекращается горение). Этот прием используется при тушении пожаров в случаях горения нефти и ее продуктов.

Пожар можно погасить:

  • Охлаждением горящего предмета;

  • Прекращением доступа воздуха к очагу горения;

  • Удалением горючих веществ и предметов с возможных путей распространения огня

Ученик: Для тушения пожара применяют воду, пену, углекислый газ, снег, землю, песок и другие сыпучие негорючие материалы. Вода является эффективным огнегасительным средством, доступным, дешевым и безвредным. Она оказывает сильное охлаждающее действие, резко пони­жая температуру горящего тела. Однако, вода неэффективна при тушении горючих органических жидкостей, таких как, бензин, керосин, бензол, нефть, которые легче воды и не смешиваются с ней. Нельзя использовать воду для гашения загоревшегося газа. Непригодна вода и для тушения пожара при наличии электроустановок, находящихся под напряжением. Использовать воду для тушения пожаров в этом случае опасно для жизни, так как вода электропроводна. Горящие жидко­сти можно засыпать песком. Он устраняет доступ кислорода и ликвидирует пламя. Более эффек­тивным средством пожаротушения является сода (карбонат и бикарбонат натрия). Она разлагается при повышенной температуре, при этом поглощается тепло и выделяется углекислый газ, обвола­кивающий горящий предмет.

Загорание жидкого топлива, смазочных масел, а также газов на воздухе из трубопроводов и баллонов можно остановить, набросив накидку из огнезащитной ткани или тяжелое покрывало.

Задание: Какие средства тушения пожара нужно использовать в следующих случаях: а) заго­релась одежда на человеке; б) воспламенился бензин; в) возник пожар на складе лесоматериа­лов; г) загорелась нефть на поверхности воды?

Учитель химии: Особое внимание необходимо обратить на приемы тушения пожара, который мо­жет возникнуть в кабинете химии. Горючие спирт и ацетон разрешается тушить водой, так как они в ней хорошо растворяются.

Спиртовку после употребления убирают лишь после того, как погасят пламя и она остынет.

При воспламенении одежды следует как можно быстрее снять ее, плотно свернуть, пога­сить пламя песком или водой. Помните, что при загорании одежды нельзя бежать или совершать резкие движения. При беге и резких движениях доступ воздуха увеличивается , а это приводит к усилению процесса горения. Если снять воспламенившуюся одежде невозможно, необходимо плотно завернуть человека в накидку, облить водой или воспользоваться огнетушителем.

Огнетушители могут быть воздушно-пенные и углекислотные.

Учитель ОБЖ: Рассмотрим устройство и принцип работы содового огнетушителя

Для тушения пожаров применяют специальный аппарат – огнетушитель. Содовый огнетуши­тель состоит из резервуара, заполненного раствором соды, капсулы, в которую налита соляная кислота, и раструба, с помощью которого сильную струю углекислого газа направляют в очаг пожара. Чтобы привести огнетушитель в действие, необходимо разбить капсулу, слегка встряхнуть содержимое резервуара и направить струю углекислого газа в зону горения.

Учитель ОБЖ: Как привести в действие огнетушитель?

Ученик: Необходимо пусковую рукоятку поднять вверх и отвести ее вперед, повернув на 1800 от началь­ного положения, а затем повернуть огнетушитель.

В приведенных в действие огнетушителях происходит химическая реакция, в результате чего из отверстия выбрасывается струя пены длиной 6-8 м. Эту струю надо направить на очаг по­жара. Продолжительность действие огнетушителей около 1 мин. При этом выбрасывается почти 40 л пены.

Демонстрация огнетушителей и освоение работы с ними

Рефлексия:

Ответьте на вопросы:

  1. Какими явлениями сопровождается горение? (Горение сопровождается и физи­ческими и химическими явлениями: выделение и передача теплоты, химическая реак­ция окисления,, выделение продуктов сгорания и распределение их в окружающей среде).

  2. Как изменяется агрегатное состояние веществ в ходе горения? (Твердые вещества в ходе горе­ния превращаются в жидкие и газообразные).

  3. Что называют дымом? (Дым – это смесь газообразных и твердых продуктов сгорания)

  4. Какие компоненты дыма обладают токсичностью, т.е. вредными для организма человека свой­ствами? (Оксид углерода (II), оксид фосфора (V), формальдегид, оксиды азота, серо­водород, хлороводород, фосген, пары синильной кислоты)

  5. Почему для человека опасна большая плотность дыма? (Большая концентрация продуктов го­рения в составе дыма понижает процентное содержание кислорода. При содержании кислорода в воздухе 14-16% наступает кислородное голодание, 9%-ное содержание кисло­рода опасно для жизни).

  6. Почему вода гасит пламя? (Вода, обладая высокой теплоемкостью, может интенсивно по­глощать теплоту, выделяющуюся при горении. Способность воды гасить пламя усилива­ется еще тем, что, превращаясь при нагревании в пар, вода разбавляет реагирующие при горении вещества).

  7. Какие вы знаете вещества или материалы, создающие условия для прекращения горения? (Водные растворы солей, пена, песок, флюсы, тальк, мел, водяной пар, углекислый газ, азот и др.)

Домашнее задание: Вычислите массу железа и объем кислорода (н.у.), который необходимо взять, чтобы получить 0,3 моль оксида железа (III).

Подведение итогов урока, учитель благодарит детей за активное участие, выставляет и комментирует оценки учащихся.

infourok.ru

Химическая реакция - сгорание - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1

Химическая реакция - сгорание

Cтраница 1

Химическая реакция сгорания не успевает закончиться в процессе сгорания до точки 3, и из всего числа молекул только часть их р, претерпевает превращение.  [2]

Действительный рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания осуществляется в результате выделения теплоты при химических реакциях сгорания топлива непосредственно в цилиндре двигателя.  [3]

Как было показано ранее, следует различать взрыв оборудования в результате неконтролируемого подъема давления и взрыв в результате химической реакции сгорания углеводородов в смеси с кислородом воздуха при наличии источника загорания.  [4]

В процессе сгорания тепло получается не извне, а за счет изменения химического состава рабочего тела. Химическая реакция сгорания не успевает закончиться полностью на линии сгорания ( линия 2 - 3 ], а продолжается в течение процесса расширения до момента выхлопа.  [5]

Необходимая для возбуждения энергия возникает в результате химических реакций сгорания компонентов горючей газовой смеси. Возбуждение осуществляется за счет соударений продуктов сгорания с газообразными частицами испытуемого вещества.  [6]

Соотношения (4.4) - (4.9) получены из законов сохранения потока вещества и импульса, при выводе их не применялся закон сохранения потока энергии, поэтому они справедливы как для ударной, так и для детонационной волн. Поскольку обычно детонационная волна представляется в виде ударной волны, в которой происходит химическая реакция сгорания, то эти соотношения справедливы и для всех промежуточных состояний между ударной волной, где еще не началась реакция, и детонацией, во фронте которой выделилась вся теплота сгорания.  [7]

Тонкая пленка, попавшая на стенку, под воздействием горячих потоков воздуха испаряется, а пары ее перемешиваются с воздухом и. Однако быстрого повышения давления быть не может, так как сравнительно медленно протекающий процесс испарения лимитирует скорость химических реакций сгорания.  [9]

К термическому и химическому действию может присоединяться механическое действие струи газа, электрода и пр. Огневая резка выполняется разными способами; наиболее важный и изученный способ - кислородная резка, основанная на использовании химической реакции сгорания железа в кислороде.  [10]

Пламя можно рассматривать как термодинамически равновесную низкотемпературную плазму. Концентрация электронов и ионов в пламени невелика, но значительна концентрация атомов и молекул, особенно молекул труднодиссоциирующих соединений. Необходимая для нагревания газа и возбуждения спектров в пламени энергия возникает в результате химических реакций сгорания компонентов горючей смеси. Анализируемое неорганическое вещество, вводимое в пламя, в реакциях горения не участвует. Возбуждение спектров в пламени осуществляется в основном за счет соударений с атомами и молекулами, образующимися при сгорании газовой смеси. Кинетическая энергия этих частиц зависит от теплотворной способности газа, питающего пламя.  [12]

При резке металлов широкое распространение получила термическая резка, которая выполняется местным проплавлением металла и удалением его из места реза. Для этой цели используют источники, которые быстро нагревают до расплавления участки металла, необходимые для образования реза. Указанные источники должны обладать достаточно большой тепловой мощностью и обеспечивать высокую концентрацию тепла с тем, чтобы нагрев и расплавление металла при резке происходили на участке очень малой ширины. В качестве источников тепла для резки используют энергию химической реакции сгорания металла в кислороде или электрический дуговой разряд. В первом случае резка называется кислородной ( автогенной, газовой) или кислородно-флюсовой резкой; во втором - электрической резкой.  [14]

Взрывные процессы встречаются в природе так часто, и используются в различных областях техники настолько широко, что, вероятно, сейчас нет никого, кто не имел бы представления о взрывах. Но для понимания столь сложных явлений, как взрывы в звездах, общих представлений о взрывах недостаточно. Во-первых, явления, называемые взрывами, бывают вызваны различными причинами. Так взрыв парового котла происходит, когда давление пара в котле вследствие перегрева превышает допустимое, а снаряд взрывается в результате химической реакции сгорания взрывчатого вещества. Во-вторых, взрывы различны и по своим внешним особенностям. То, что мы видим при электрическом разряде, не похоже на явления, наблюдаемые при землетрясении. Прежде чем заниматься изучением космических взрывов, нужно выяснить, что же все-таки оказывается самым существенным в явлении взрыва, какие процессы следует относить к взрывным.  [15]

Страницы:      1

www.ngpedia.ru

Горение (реакция)

ГОРЕНИЕ (а. соmbustion, burning; н. Brennen, Verbrennung; ф. соmbustion; и. соmbustion) — быстро протекающая реакция окисления, сопровождаемая выделением значительного количества тепла; обычно сопровождается ярким свечением (пламенем). В большинстве случаев в качестве окислителя при горении выступает кислород, но возможны процессы горения и при реакциях других типов (горение металлов в азоте, в галогенах). В физической химии к горению относят все экзотермические химические процессы, в которых существенную роль играет самоускорение реакции, вызванное повышением температуры (тепловой механизм) или накоплением активных частиц (диффузионный механизм).

Характерная особенность горения — наличие пространственно ограниченной области высокой температуры (пламени), в которой происходит основная часть химического превращения исходных веществ в продукты сгорания и выделением большей частью тепла. Появление пламени вызывается поджиганием, на которое требуется затрата определённой энергии, но распространение пламени по системе, способной к горению, происходит самопроизвольно, со скоростью, зависящей от химических свойств системы, физических и газодинамических процессов. Технически важные характеристики горения: теплотворная способность горючей смеси и теоретически (адиабатическая) температура, которая была бы достигнута при полном сгорании горючего без теплопотерь.

Из всего многообразия процессов горения обычно по агрегатному состоянию горючего и окислителя выделяют гомогенное горение предварительно смешанных газов и парообразных горючих в газообразных окислителях, гетерогенное горение (твёрдых и жидких горючих в газообразых окислителях) и горение взрывчатых веществ и порохов (идущее без массообмена с окружающей средой).

Наиболее простым является гомогенное горение смешанных газов. Скорость распространения ламинарного пламени по такой системе является физико-химической константой смеси, зависящей от состава смеси, давления, температуры и молекулярной теплопроводности.

Гетерогенное горение — наиболее распространённый в природе и технике процесс. Его скорость определяется физическими свойствами системы и конкретными условиями сжигания. Для горения жидких горючих большое значение имеет скорость их испарения, а для твёрдых — скорость газификации. Так, при горении углей можно различить две стадии. На первой (при условии медленного нагрева) происходит выделение летучих компонентов угля, а на второй — догорание коксового остатка.

Распространение пламени по газу приводит к появлению движения газа на значительном расстоянии от фронта пламени. Если ширина зоны реакции мала, то пламя можно представить как газодинамический разрыв, движущийся по газу с дозвуковой скоростью. Это возможно не только в случае гомогенной смеси, но и для достаточно мелкодисперсных жидких и твёрдых горючих, взвешенных в окислителе. Так как компонента скорости пламени, нормальная к его фронту, не зависит от скорости самого газа, то при стационарном горении в потоке движущегося газа устанавливается вполне определённая форма пламени. Устойчивость горения в таких условиях обеспечивается соответствующей конструкцией топочных устройств.

Движение газа, вызываемое появлением пламени, может быть как ламинарным, так и турбулентным. Турбулизация потока, как правило, приводит к резкому ускорению сгорания и появлению акустических возмущений в потоке, приводящих в конечном итоге к появлению ударной волны, инициирующей детонацию газовой смеси. Возможность перехода горения в детонацию определяется помимо свойств самого газа размерами и геометрией системы.

Процессы горения топлива используются в технике, основная задача сжигания топлива сводится к достижению максимального тепловыделения (полноты сгорания) за заданный период времени. В горном деле на использовании процесса горения основаны методы разработки полезных ископаемых (см. внутрипластовое горение). В определённых горно-геологических условиях самопроизвольно возникающее горение (см. самовозгорание угля, самовозгорание торфа) может привести к возникновению Пожаров эндогенных.

www.mining-enc.ru