TGV_1x

1. Составление уравнений реакций горения на воздухе
1.1 Состав воздуха
Горением называется сложный физико-химический процесс, представляющий собой окислительно-восстановительную реакцию между горючим веществом и окислителем, сопровождающийся выделением тепла и излучением света. Для горения необходимо
наличие трёх составляющих: горючего вещества, окислителя (кислород воздуха, озон, перекись водорода, галогены, перманганат калия, хромовый ангидрид и т. д.), и благоприятствующего фактора (источник зажигания; физико-химический или биологический процесс, протекающий с выделением тепла, нагретая поверхность). С точки зрения электронной теории, горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем. Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления. Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны
в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается. В условиях пожара
горение чаще всего протекает в среде воздуха. При составлении уравнения материального
баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие
в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. Воздух состоит из азота, кислорода, водорода, углекислого газа и инертных газов. При ведении теоретических расчётов водород, углекислый газ и инертные газы (их вместе взятых в воздухе около 1 %) причисляют к азоту, которого в воздухе 78 %. Поэтому можно принять, что воздух состоит из
21 % кислорода и 79 % азота. Таким образом, объёмное (и мольное) соотношение азота и
кислорода в воздухе составит
 N 79

 3, 76
O
21
(1.1)
2
2
,
где  N2 , O2 - содержание азота и кислорода в объёмных процентах в окислительной среде. Следовательно, на 1 м3 (1 кмоль) кислорода, в воздухе приходится 3,76 м3 (3,76
кмоль) азота. При составлении уравнений реакций горения веществ на воздухе состав воздуха передают формулой (O2 + 3,76N2).
1.2 Запись уравнений горения веществ на воздухе
Обобщённая запись брутто-уравнения материального баланса реакции горения
имеет вид:
1
N
nг  Г   nо О    ni  ПГ i 
(1.2)
i
где nã , nî , ni -стехиометрические коэффициенты при горючем, окислителе и продуктах горения соответственно, N – общее число продуктов горения. В технических расчётах принято, чтобы коэффициент при горючем был равен единице, тогда уравнение (1.2) принимает следующий вид
N
n
nг
n
nг
 Г   о О   i  ПГi 
i
Коэффициент при окислителе принято обозначать  
(1.3)
nо
. Он, как и коэффициенты
nг
при продуктах горения, может быть в этом случае дробным. Чаще всего горение происходит под действием кислорода, содержащегося в воздухе. При составлении уравнения материального баланса процессов горения принято учитывать не только кислород, принимающий участие в реакции окисления, но и азот, входящий в состав воздуха. В реакции
горения принимает участие только кислород. Азот в реакцию не вступает и выделяется из
зоны горения вместе с продуктами горения. Таким образом, уравнение горения вещества
на воздухе принимает вид
N
 Г    (О2  3, 76 N 2 )   ni  ПГi   3, 76 N 2 ,
(1.4)
i
где ni 
ni
. Азот, входивший в состав воздуха, учитывается отдельно от остальных проnг
дуктов реакции. При записи уравнений материального баланса принимается, что происходит полное сгорание вещества, и элементы, входящие в состав горючего, переходят в
наиболее устойчивые оксиды, или другую устойчивую при данных условиях форму. Кислород из состава горючего переходит в состав оксидов – продуктов реакции. При большом содержании кислорода в составе молекулы его вполне может хватить для полного
окисления всех остальных элементов. В этом случае внешнего кислорода может не понадобится (т.е. коэффициент при воздухе будет равен нулю) или даже часть кислорода может выделиться в свободном состоянии в виде молекул О2. Такая ситуация характерна
главным образом для разложения взрывчатых веществ.
При большом избытке галогена в составе горючего и нехватке водорода в свободном состоянии в виде молекул X2 может выделяться и галоген. Под символом X в таблице
понимаются элементы-галогены (главная подгруппа VII группы периодической системы),
т.е. F, Cl, Br, I.
В табл. 1-1 даны возможные продукты сгорания.
2
Табл. 1-1 Состав горючих и продуктов горения.
Элемент в составе горю- Число атомов эле- Продукт горения
чего
мента в составе горючего
C
nC
CO2
Коэффициент
при
продукте горения
H
nH
H2O (пар)
nH 2O 
N
nN
N2
P
nP
P2O5
S
nS
SO2
X
O
nCO2  nC
1
(nH  nX )
2
1
nN 2  nN
2
1
nP2O5  nP
2
nSO2  nS
nHX  nX
nO
Коэффициент β подсчитывается исходя из состава продуктов горения и состава гоnX
HX
рючего. При подсчёте коэффициента при воздухе нужно учесть количество атомов кислорода в составе горючего, которые тоже принимают участие в реакции.
  nC 
 nH  nX   n
4
SO2
n
5
 nP  O .
4
2
(1.5)
Пример 1: Составить уравнение реакции горения пропилового спирта С3H8O на
воздухе.
В состав молекулы пропилового спирта входят углерод, водород и кислород, продуктами реакции будут углекислый газ CO2 и водяной пар H2O.
C3 H8O    O2  3,76 N2   nCO2 CO2  nH2O H 2O  3,76 N2 .
(1.6)
Исходя из формулы горючего, определяем количества продуктов реакции
nCO2  nC  3 и nH 2O 
 nH  nX   8  0   4 . По количествам продуктов реакции
2
2
ляем коэффициент при воздухе   nC 
опреде-
nH nO
8 1

 3    4,5 . Уравнение реакции при4
2
4 2
нимает вид
C3 H8O  4,5  O2  3,76 N2   3CO2  4H 2O  3,76  4,5N2 .
(1.7)
Пример 2: Составить уравнение реакции горения метиламина CH3NH2 на воздухе.
В состав метиламина входят углерод, водород и азот, следовательно, продуктами
реакции будут углекислый газ, водяной пар и свободный азот.
CH3 NH2    O2  3,76 N2   nCO2 CO2  nH2O H2O  nN2 N2  3,76 N2 .
(1.8)
Азот, получающийся при горении вещества, записывается отдельно от азота, входившего в состав воздуха. Коэффициенты при продуктах реакции находим в соответствии
3
с табл. 1-1: nCO2  nC  1 , nH 2O 
n
nH 5
1
  2,5 и nN 2  N  . Коэффициент при воздухе
2 2
2 2
определяется по формуле (1.5)   nC 
nH
5
 1   2, 25 . Итоговое уравнение реакции
4
4
CH3 NH 2  2, 25 O2  3,76 N2   CO2  2,5H 2O  0,5N2  2, 25  3,76 N2
(1.9)
Пример 3:Составить уравнение реакции горения дихлорэтана C2H4Cl2 на воздухе.
По составу вещества определяем состав продуктов горения CO2. H2O и HCl. Количества продуктов горения составят nCO2  nC  2 , nH 2O 
Коэффициент при воздухе составит   nC 
nH  nX 4  2

 1 , nHCl  nCl  2 .
2
2
 nH  nX   2   4  2   2,5
4
4
и уравнение при-
мет вид
C2 H 4Cl2  2,5  O2  3,76 N2   2CO2  H 2O  2HCl  2,5  3,76 N2
(1.10)
Пример 4: Составить уравнение разложения нитроглицерина C3H5N3O9.
Продуктами
nH 2O 
реакции
будут
углекислый
газ
nCO2  nC  3 ,
водяной
пар
n
nH 5
3
  2,5 и свободный азот nN 2  N   1,5 . При подсчёте коэффициента при
2 2
2 2
воздухе получим   nC 
nH nO
5 9

 3    0, 25 . Получение отрицательного значения
4
2
4 2
для коэффициента при воздухе свидетельствует о том, что кислород воздуха в реакции не
участвует, наоборот, избыточный кислород из состава молекулы выделяется в форме молекул О2. Их количество равно модулю β. Таким образом, уравнение разложения нитроглицерина будет
C3 H 5 N3O9  3CO2  2,5H 2O  1,5 N 2  0, 25O2
(1.11)
1.3 Задачи для самостоятельного решения
Составить уравнения реакций горения горючих веществ в воздухе и рассчитать
стехиометрические коэффициенты.
1.1. амилбензол C6H5C5H11 , аллиламин CH2CHCH2NH2;
1.2. амилдифенил C6H5C6H4C5H11, аллилизотиоцианат CH2CHCH2NSC;
1.3. амилен C5H10, акриловая кислота CH2CHCO2H;
1.4. амилнафталин C10H7C5H11, аллилацетат CH2CHCH2OC(O)CH3;
1.5. амилбензол C6H5C5H11, амиламин C5H11NH2;
1.6. антрацен C14H10, амилнитрат C5H11ONO2;
1.7. аллиловьiй спирт CH2CHCH2OH, амилнитрит C5H11ONO;
4
1.8. ацетилен C2H2, амилсульфид (C5H11)2S;
1.9. бензол C6H6, этилбутират C3H8CO2C2H5;
1.10. бутилбензол C6H5C4H9, хлорметилнафталин C10H7CH2Cl;
1.11. бутилциклогексан C6H11C4H9, метилэтилкетон CH3COC2H5;
1.12. бутилциклопентан C5H9C4H9, амилметилкетон CH3COC5H11;
1.13. гексадекан C16H34, аминоуксусная кислота H2NCH2CO2H;
1.14. гексан C6H12, этилсалицилат C6H4(OH)CO2C2H5;
1.15. гексилциклопентан C5H11C6H11, аминоциклогексан C6H11NH2;
1.16. гептадекан C17H36, фенилметиловый эфир C6H5OCH3;
1.17. гептан С7H16, этилфениловый эфир C6H5OC2H5;
1.18. декан C10H22, анилин C6H5NH2;
1.19. диамилбензол C6H4(NH2)2, анизол C6H5OCH3;
1.20. амилнафталин C10H7C5H11, ацеталь CH3CH(OH)2;
1.21. дивинилацетилен CH2CHCCCHCH2, ацетальдегид CH3CHO;
1.22. дигидроциклопентадиен C5H8, ацетилацетон CH3COCH2COCH3;
1.23. изобутилен CH2C(CH3)2, ацетилхлорид CH3COCl;
1.24. диизопропилбензол C6H4(CH(CH3)2)2, ацетанилид CH3CONHC6H5;
1.25. диметиленциклобутан CH2C(CH2)2CCH2, ацетонитрил CH3CN;
1.26. ацетон CH3COCH3, ацетоксим CH3C(NOH)CH3;
1.27. дифенил (C6H5)2, ацетонилацетон CH3CO(CH2)2COCH3
1.28. дифенилметан (C6H5)2CH2, бензамид C6H5CONH2;
1.29. ацетоуксусный эфир CH3COCH2CO2C2H5, бензилдиэтиламин
C6H5CH2N(C2H5)2;
1.30. ацетофенон CH3COC6H5, бензилтиол C6H5CH2SH;
5