какие реакции называются реакциями горения
Горение и медленное окисление
I. Горение и медленное окисление
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. Без огня человек не сварит пищу, сталь, без него невозможно движение транспорта. Огонь стал нашим другом и союзником, символом славных дел, добрых свершений, памятью о минувшем.
Мемориал славы в г. Сыктывкаре
Пламя, огонь, как одно из проявлений реакции горения, имеет и свое монументальное отражение. Яркий пример – мемориал славы в г. Сыктывкаре.
Раз в четыре года в мире происходит событие, сопровождающееся переносом «живого» огня. В знак уважения к основателям олимпиад огонь доставляют из Греции. По традиции один из выдающихся спортсменов доставляет этот факел на главную арену олимпиады.
Об огне сложены сказки, легенды. В старину люди думали, что в огне живут маленькие ящерицы – духи огня. А были и такие, которые считали огонь божеством и строили в его честь храмы. Сотни лет горели в этих храмах, не угасая, светильники, посвященные богу огня. Поклонение огню было следствием незнания людьми процесса горения.
М.В.Ломоносов говорил: «Изучение природы огня и без химии предпринимать отнюдь невозможно».
Схематически этот процесс окисления можно выразить следующим образом:
Для возникновения горения необходимы:
нагревание горючего вещества до температуры воспламенения
Температура воспламенения у каждого вещества различна.
В то время как эфир может воспламениться от горячей проволоки, для того чтобы поджечь дрова, нужно нагреть их до нескольких сот градусов. Температура воспламенения веществ различна. Сера и дерево воспламеняются при температуре около 270 °С, уголь – около 350 °С, а белый фосфор – около 40 °С.
Однако не всякое окисление непременно должно сопровождаться появлением света.
Существует значительное число случаев окисления, которые мы не можем назвать процессами горения, ибо они протекают столь медленно, что остаются незаметными для наших органов чувств. Лишь по прошествии определенного, часто весьма продолжительного времени мы можем уловить продукты окисления. Так, например, обстоит дело при весьма медленном окислении ( ржавлении ) металлов
или при процессах гниения.
Разумеется, при медленном окислении выделяется теплота, но это выделение вследствие продолжительности процесса протекает медленно. Однако сгорит ли кусок дерева быстро или подвергнется медленному окислению на воздухе в течение многих лет, все равно – в обоих случаях при этом выделится одинаковое количество теплоты.
Медленное окисление – это процесс медленного взаимодействия веществ с кислородом с медленным выделением теплоты (энергии).
Примеры взаимодействия веществ с кислородом без выделения света : гниение навоза, листьев, прогоркание масла, окисление металлов (железные форсунки при длительном употреблении становятся тоньше и меньше), дыхание аэробных существ, т. е. дышащих кислородом, сопровождается выделением теплоты, образованием углекислого газа и воды.
Познакомимся с характеристикой процессов горения и медленного окисления приведённой в таблице.
Характеристика процессов горения и медленного окисления
Реакции горения
Горение — быстропротекающая химическая реакция соединения горючих компонентов с кислородом, сопровождающаяся интенсивным выделением теплоты и резким повышением температуры продуктов сгорания. Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода
где m, n — число атомов углерода и водорода в молекуле; Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.
Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.
Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qe и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).
КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.
Таблица 8.1. Реакции горения и теплота сгорания сухих газов (при 0°С и 101,3 кПа)
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O
C2H6 + 0,5O2 = 2CO2 + 3H2O
C3H + 5H2O = 3CO2 +4H2O
C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O
C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O
C5H,2 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O
C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O
C4H + 6O2 = 4CO2 + 4H2O
Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению
Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:
где H2, CO, CH4 и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.
Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.
Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:
где С1 и С2 — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м 3 ; к — константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.
При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.
Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):
где К0 — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, =1,0; Е — энергия активации, кДж/кмоль; R — универсальная газовая постоянная, Дж/ (кг*К); Т — абсолютная температура, К (°С); е — основание натуральных логарифмов.
Предэкспоненциальный множитель К0 можно истолковать как константу, отражающую полноту столкновения молекул, а Е — как минимальную энергию разрыва связей молекул и образования активных частиц, обеспечивающих эффективность столкновений. Для распространенных горючих смесей она укладывается в пределах (80÷150)•10 3 кДж/кмоль.
Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2·10 4 ÷5•10 8 раз (в зависимости от энергии активации).
На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначалаьно генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.
Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:
Горение
Горение – это совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма. В основе горения лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, преимущественно с кислородом воздуха.
Однако горения может осуществляться без доступа воздуха (кислорода), если в состав горючей массы (среды) входит окислитель в виде примеси или составной части молекулы. В производственных условиях или ракетной технике горения может осуществляться в атмосфере таких окисляющих газов, как фтор, хлор, окислы азота и другие.
Некоторые вещества (порошкообразные титан и цирконий) способны гореть в атмосфере азота, двуокиси углерода, не относящимся к традиционным окислителям.
В зависимости от способа подвода окислителя различают:
При пожаре отмечается смешанный тип горения. В зависимости от скорости горение может быть медленным (тление), нормальным (дефлаграция) и взрывообразным (взрыв), переходящим в детонационное (детонация).
По внешнему проявлению горение может быть пламенным или беспламенным.
Беспламенное горение может возникнуть в результате дефицита окислителя (тление) или при низком давлении насыщенных паров горючего вещества (горение тугоплавких металлов и кокса).
По механизму развития горение может быть тепловым, при котором причиной самоускорения реакций окисления является повышение температуры, и автокаталитическим (цепным), когда ускорение процесса достигается накоплением промежуточных катализирующих продуктов (активных центров). Автокаталитическое горение осуществляется при сравнительно низких температурах. При достижении определенных концентраций промежуточных каталитических продуктов автокаталитическое горение может переходить в тепловое. При этом температура горения резко возрастает.
Горение может возникать и развиваться спонтанно, стихийно (пожар), но может быть специально организованным, целесообразным: энергетическое горение (в целях получения тепловой или электрической энергии) и технологическое горение (доменный процесс, металлотермия, синтез тугоплавких неорганических соединений и т.д.).
Горение характеризуется такими величинами, как: температура, скорость, полнота, состав продуктов. Располагая данными о механизме горения и его характерных особенностях, можно увеличивать скорость и температуру горения (промотирование горения) или снижать их вплоть до прекращения горения (ингибирование горения).
Источники: Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977; Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975; Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.
Горение (процесс горения)
Горение (процесс горения)
Вы можете посмотреть авторское определение термина «процесс горения» профессора Абдурагимова И.М. с подробными разъяснениями сути этого явления или прочитать определения из разных источников ниже:
Определение
Источник
экзотермическая реакция, протекающая в условиях ее прогрессивного самоускорения
пункт 2.1.1 ГОСТ 12.1.044-89 (ИСО 4589-84) «Пожаровзрывоопасность веществ и материалов»
экзотермическая реакция окисления вещества, сопровождающаяся по крайней мере одним из трех факторов: пламенем, свечением, выделением дыма
пункт 1.5 СТ СЭВ 383-87 «Пожарная безопасность в строительстве» термины и определения (утратил силу)
химическая реакция окисления, сопровождающаяся выделением большого количества тепла и обычно свечением
пункт 1 ОСТ 78-2-73 Горение и пожарная опасность веществ. Терминология (утратил силу)
экзотермическая реакция сгорания вещества в окислителе
химический процесс, основывающийся на избирательном сродстве кислотвора воздуха к горящему телу и во взаимном их химическом соединении
«Практическое наставление брандмейстерам» Санктпетерберг, Типография В. Плавильщикова 1818 г., стр.71
всякое быстрое соединение какого-нибудь вещества с кислородом, при котором отделяется такое количество тепла, что происходит накаливание, обыкновенно называется горением этого вещества. Но это определение не полно, потому что предметы могут гореть не в одном только кислороде, но и во многих других газах.Поэтому горением следует называть все происходящие в предметах изменения, называемые реакцией, которые только сопровождаются отделением света и большого количества теплоты.
Николаев А. Пожарная книга. Постановления закона о предосторожностях от огня и руководство к тушению всякого рода пожаров. С-Петерберг, Типография М. Стасюлевича 1875 г., стр.42
всякий химический экзотермический процесс, сопровождающийся столь энергичным выделением тепла, что при этом процессе появляется свечение
Тидеман Б.Г. Сциборский Д.Б. Химия горения, Издательство Наркомхоза РСФСР, Ленинград 1940 Москва, с 6
химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света
Демидов П.Г. Основы горения веществ, издательство Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва, 1951 год. с.7
быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света
Годжелло М.Г., Демидов П.Г., Джалалов Е.М., Коршак З.В., Рябов И.В. «Легковоспламеняющиеся и горючие жидкости» Из-во Министерства коммунального хозяйства РСФСР, Москва, 1956
всякая быстро протекающая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и света
Хитрин Л.Н. Физика горения и взрыва, Москва, Издательство Московского универтитета 1957 год с.5
всякая химическая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и излучением света, например, реакции взаимодействия водорода с хлором, красного фосфора с бромом, бензина с кислородом воздуха, разложение сжатого ацетилена и т.д.
Челышев Ф.С., Сомова З.М. Демидов П.Г. Пожарная опасность речных судов и противопожарные мероприятия, издательство «Речной транспорт», Москва, 1959 год с.5.
сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, сопровождающийся выделением тепла и излучением света.
Алексеев М.В., Демидов П.Г. Ройтман М.Я., Тарасов Агалаков Н.А. Основы пожарной безопасности. Учебное пособие для высших учебных заведений, «Высш. школа», 1971, с 7
основной процесс на пожаре, сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты сгорания, сопровождаемый интенсивным выжедением тепла, дыма и световым излучением, в основе которого лежат быстротекущие химические реакции окисления в атмосфере кислорода воздуха
Абдурагимов И.М. Говоров В.Ю. Макаров В.Е. Физико-химические основы развития и тушения пожаров, М. 1980 ВИПТШ МВД СССР, с.5
физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света.
Демидов П.Г., Шандыба В.А., Щеглов П.П. «Горение и свойства горючих веществ». – 2-е изд., перераб. – М.: Химия, 1981. – с.7.
процесс быстрого окисления с выделением за единицу времени значительного количества тепла, успевающего поддерживать его на уровне достаточно высоких температур
Шувалов М.Г. Основы пожарного дела: Учебник для рядового и мл. нач. состава пожарнойе охраны. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1975. – с 244
сложное, быстро протекающее химическое превращение, сопровождающееся выделением большого количества теплоты и обычно свечением
Шувалов М.Г. Основы пожарного дела: Учебник для рядового и мл. нач. состава пожарнойе охраны. – 3-е изд., перераб. И доп. – М.: Стройиздат, 1983. – с 275
сложный физико-химический процесс, при котором горючие вещества и материалы под воздействием высоких температур вступают в химическое взаимодействие с окислителем (кислородом воздуха), превращаясь в продукты горения, и который сопровождается интенсивным выделением тепла и световым излучением
Абдурагимов И.М., Андросов А.С., Исаева Л.К., Крылов Е.В.. «Процессы горения». Учебник ВИПТШ М., 1984 г. с. 5
сложный физико-химический процесс превращения горючих веществ и материалов в продукты горения, сопровождающийся выделением тепла и света
Баратов А.Н., Андрианов Р.А., Корольченков А.Я. и др.; Под ред. А.Н. Баратова. – М.: Стройиздат, 1988, с.5
процесс протекания экзотермических химических реакций в условиях прогрессивного самоускорения, обусловленного накоплением в горючей среде тепла или катализирующих продуктов реакции.
сложный физико-химический процесс, при котором превращение вещества сопросвождается интенсивным выделением энергии и темпло- и массообменом с окружающей средой
совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючих веществ и материалов, сопровождающихся ярким свечением (пламенем), тепловым излучением и выделением дыма
Шувалов М.Г. Основы пожарно-спасательного дела, учебное пособие. Москва, 2012 год, с. 327
инженер пожарной безопасности
историк пожарной охраны Москвы
Все права на текст статьи принадлежат автору. Копирование, распространение, использование и иные действия, за исключением ознакомления на данной странице сайта ptm01.ru запрещены.
Разрешено: копировать ссылку (url) на данную страницу и направлять скопированную ссылку неограниченному кругу лиц.
Какие реакции называются реакциями горения
Горение это сложный физико-химический процесс, основой которого является быстрая реакция окисления, которая сопровождается интенсивным выделением энергии в виде тепла и светового излучения.
К реакциям горения относятся не только реакции взаимодействия между горючими веществами и кислородом, но и другие окислительно-восстановительные реакции: взаимодействие некоторых веществ с галогенами, парами серы, реакции разложения взрывчатых веществ, некоторых эндотермических соединений, например, ацетилена.
КЛАССИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ
Процессы горения классифицируют по нескольких признакам:
1. По агрегатному состоянию компонентов горючей смеси в зоне горения.
Как известно, вещества могут находиться в трех агрегатных состояниях: газообразном, жидком и твердом. В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находятся компоненты горючей смеси в зоне горения, различают два вида или режима горения: гомогенное, если оба компонента находятся в зоне горения в одинаковой фазе (одинаковом агрегатном состоянии), и гетерогенное, если компоненты горючей смеси в зоне горения находятся в разных агрегатных состояниях.
В большинстве случаев горение является гомогенным. Примером гетерогенного, безпламенного горения является горение антрацита, кокса, а в условиях пожара твердого углеродистого остатка, который получается при разложении твердых горючих материалов, например древесины. В этом случае все летучие продукты пиролиза уже выгорели и горение происходит непосредственно на поверхности материала.
2. По способу образования горючей смеси.
В зависимости от условий смесеобразования компонентов и соотношения скорости химической реакции горения и скорости смесеобразования различают два характерных режима горения: кинетический и диффузионный. Определяющим в этом случае является то, какая из стадий в суммарной скорости процесса горения является лимитирующей: скорость смесеобразования или скорость химического преобразования компонентов смеси в продукты горения.
Полное время сгорания химически неоднородной системы состоит из времени, необходимого для возникновения физического контакта между горючим веществом и кислородом воздуха, t фи времени самой химической реакции t x:
На пожаре в основном встречается горение заранее несмешанных газов. Горючая смесь получается в самой зоне горения. Компоненты реакции поступают в зону взаимодействия из разных сред, любая из которых содержит только один из реагирующих компонентов. В этой ситуации взаимодействие возможно только вследствие переноса реагирующих компонентов за счет диффузии через границу раздела обоих сред.
Время физического процесса диффузии кислорода к горючему веществу несравненно больше времени, необходимого для протекания химической реакции горения. В этом случае
Если скорость переноса вещества меньше скорости реакции, то скорость горения определяется лишь скоростью массообмена (скоростью диффузии кислорода к горючему веществу):
где j в концентрация окислителя в объеме,
g коэффициент массопередачи.
В этом случае принято говорить, что реакция горения протекает в диффузионной области, а само горение называется диффузионным.
Если уже есть готовая смесь, которая состоит из горючего газа и окислителя, то горение классифицируется как кинетическое.
Термин «кинетическое горение» введен вследствие того, что скорость процесса горения зависит, в основном, от скорости протекания химической реакции между горючим веществом и окислителем, то есть от кинетики соответствующей реакции горения. В этом случае суммарная скорость процесса горения лимитируется только скоростью (кинетикой) химической реакции.
Полное время сгорания химически однородной системы приблизительно равняется времени, которое расходуется на протекание самой химической реакции.
Кинетическое горение наиболее часто протекает на начальной стадии пожара.
Если сгорание такой газовоздушной смеси происходит в закрытом или ограниченном пространстве, оно приобретает характер взрыва. Взрывной характер наблюдается тогда, когда выделяющаяся при сгорании смеси энергия не успевает отводиться за пределы данного объема, при этом давление возрастает, что часто приводит к разрушению конструкций.
3. По механизму распространения горения.
При относительно небольших скоростях (сравнительно медленное распространение зоны химических реакций, со скоростями движения фронта пламени по горючей смеси от 0,5 до 50 м/с) происходит послойное воспламенение холодной газовой смеси за счет ее нагрева от зоны горения. Это тепло и является причиной поддержания процесса горения. Передача теплового импульса из зоны горения в холодную горючую смесь происходит за счет процесса теплопроводности. Такой механизм называется дефлаграцией.
Существует и другой механизм распространения горения за счет быстрого адиабатического сжатия горючей смеси. Такой механизм горения называется детонацией.
Детонация может возникнуть во взрывчатой среде в случае ее предварительного быстрого сжатия сильной ударной волной. Такую волну может создать внешний импульс (например сгорание взрывного вещества). Характерной особенностью ударного сжатия является сильное нагревание газа (до 15001700К). Горючая смесь, нагретая сильной ударной волной до такой температуры, вспыхивает. Самопроизвольное возникновение детонации в горящем газе, возможно при достаточной скорости распространения горения большей, чем 500 м/с, в то время как нормальная скорость распространения пламени не превышает 10 м/с.
4. По газодинамическому режиму горения.
Важной характеристикой гомогенного горения является газодинамическое состояние компонентов горючей смеси в зоне реакции, которое зависит от интенсивности поступления компонентов горючей смеси в зону реакции.