Как составить химическое уравнение реакции горения

Правило № 1.

В левой части уравнения записываем горючее вещество и воздух в виде:

Правило № 2.

В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

Правило № 3.

Уравниваем реакцию горения для того, чтобы в исходных веществах и получившихся из них продуктах реакции содержалось одинаковое количество одинаковых атомов. При этом коэффициенты и индексы перемножаются:

Правило № 4.

Кислород, входящий в состав горючего вещества, например,

участвует в реакции горения, как и кислород воздуха, в качестве окислителя.

При решении практически всех задач по
дисциплине “Теория горения и взрыва”
необходимо составить уравнение реакции
горения. Поэтому очень важно научиться
делать это правильно. Изучите изложенные
ниже правила составления уравнений
реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения
записываем горючее вещество и окислитель
[воздух в виде (O₂ + 3,76N₂)].

Правило № 2. В правой части уравнения
записываем продукты реакции горения,
учитывая, что:

углерод (С), содержащийся в горючем
веществе, превращается в CO₂,

сера (S), содержащаяся
в горючем веществе, превращается в SO₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем
веществе, превращается в P₂O₅,

водород (Н), содержащийся в горючем
веществе, превращается в H₂O,

хлор (Cl), содержащийся
в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор (F), содержащийся
в горючем веществе, превращается в HF,

бром (Br), содержащийся
в горючем веществе, превращается в HBr,

йод (I), содержащийся
в горючем веществе, превращается в HI,

кислород (О), содержащийся в горючем
веществе, входит в состав образующихся
оксидов (CO₂,
SO₂,
H₂O)
как и кислород воздуха.

азот (N), при температуре
горения ниже 2000 ^оС не вступает в
реакцию. Поскольку, в условиях реального
пожара температура не превышает значения
1500 – 1600 ^оС, то принимают, что азот
выделяется в свободном виде (N₂).
Следовательно 3,76 молей N₂
из воздуха переходят в неизменном виде
в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие
элементы, то они переходят в высшие
оксиды, как указанные выше углерод,
водород и фосфор.

Правило
№ 3. Атомы
кислорода, входящие в состав молекул
горючего вещества (например, C₂H₆OS
– 2-тиолэтанол), участвуют в реакции
горения в качестве окислителя, как
кислород воздуха.

Правило № 4. Уравниваем реакцию
горения для того, чтобы в исходных
веществах (левая часть уравнения) и
получившихся из них продуктах реакции
(правая часть уравнения) содержалось
одинаковое количество атомов данного
вида. При подсчете количества атомов
данного вида стехиометрические
коэффициенты и индексы, указывающие
количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей
последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда
ставится коэффициент 1, так как все
расчеты ведут на 1 моль горючего вещества;

Перед формулой углекислого газа ставится
коэффициент равный количеству атомов
углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваются атомы элементов, входящих
в состав молекул горючего вещества, за
исключением Н, О и N.

Уравниваются атомы водорода, учитывая
их содержание в молекулах галогеноуглеводородов
и воды.

Уравниваются атомы кислорода, рассчитав
их количество в правой части уравнения
и учитывая атомы кислорода, содержащиеся
в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой
кислорода, переносим в правую часть
уравнения и ставим перед 3,76N₂.
Уравниваем атомы азота, содержащиеся
в молекуле горючего вещества.

Рассмотрим несколько примеров составления
реакций горения веществ в воздухе, в
которых использованы описанные выше
правила.

Пример
1. Составить
уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄
в воздухе.

Решение.

1. В
   левой части уравнения записываем
   формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)

2.
В правой части уравнения записываем
продукты реакции горения, основываясь
на составе молекулы горючего вещества
(правило 2):

С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ N₂
+ 3,76 N₂

Таким
образом, углерод (С), содержащийся в
горючем веществе, перешел в СО₂,
водород превратился в воду, кислород
вошел в состав воды и углекислого газа,
азот выделился в свободном виде – N₂.
Азот, содержащийся в воздухе, также не
участвует в реакции горения и выделяется
в неизменном виде – 3,76 N₂.

3.
Уравниваем реакцию горения.

а) Перед формулой горючего вещества
всегда ставится коэффициент 1:

1С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ N₂
+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа
ставим коэффициент 6, равный количеству
атомов углерода в молекуле горючего
вещества:

1С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ Н₂О
+ N₂
+ 3,76 N₂

в) Уравниваем элементы, входящие в состав
молекулы горючего вещества, за исключением
Н и О. В данном случае уравниваем атомы
азота. В состав горючего вещества входят
два атома азота. В составе выделившейся
молекулы азота тоже два атома, поэтому
перед молекулой азота в продуктах
реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ Н₂О
+ 1N₂
+ 3,76 N₂

г) Уравниваем атомы водорода. В составе
молекулы горючего вещества четыре атома
водорода. В состав молекулы воды входит
только два атома. Следовательно, перед
формулой воды ставим коэффициент 2:

1С₆Н₄N₂О₄
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 2Н₂О
+ 1N₂
+ 3,76 N₂

д) Уравниваем атомы кислорода. Для этого
рассчитываем число атомов кислорода в
правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого
газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в
левой части уравнения. В составе молекулы
горючего вещества имеется 4 атома
кислорода. Вычитаем это число из
количества атомов кислорода в правой
части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим
полученное число на 2 (количество атомов
водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим
полученный коэффициент перед воздухом:

1С₆Н₄N₂О₄
+ 5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 2Н₂О
+ 1N₂
+ 3,76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед
воздухом, ставим перед 3,76N₂
в правой части уравнения:

1С₆Н₄N₂О₄
+ 5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 2Н₂О
+ 1N₂
+ 5
∙ 3,76
N₂

Чтобы
убедиться в правильности составленного
уравнения реакции горения, рассчитаем
количество одинаковых атомов в его
правой и левой частях:

С
– слева 6, справа 6 ∙
1 = 6;

Н
– слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N
– слева: в горючем веществе 2, в воздухе
5∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

справа
2 + 5∙ 3,76 = 20,8;

О
– слева: в горючем веществе 4, в воздухе
5 ∙ 2 = 10, итого 14;

справа:
в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 =
2, итого 14.

Вывод:
уравнение реакции горения составлено
верно.

Пример
2. Составить
уравнение реакции горения пара-дихлорбензола
С₄Н₄Сl₂
в воздухе.

Решение.

1. В
   левой части уравнения записываем
   формулу горючего вещества плюс воздух:

С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)

2.
В правой части уравнения записываем
продукты реакции горения, основываясь
на составе молекулы горючего вещества
(правило 2):

С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ HCl
+ 3,76 N₂

Таким
образом, углерод (С), содержащийся в
горючем веществе, перешел в СО₂,
водород превратился в воду, хлор
превратился в хлороводород. Азот,
содержащийся в воздухе, не участвует в
реакции горения и выделяется в неизменном
виде – 3,76 N₂.

3.
Уравниваем реакцию горения.

а) Перед формулой горючего вещества
всегда ставится коэффициент 1:

1
С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ HCl
+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа
ставим коэффициент 4, равный количеству
атомов углерода в молекуле горючего
вещества:

1С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 4СО₂
+ Н₂О
+ HCl
+ 3,76 N₂

в) Уравниваем элементы, входящие в состав
горючего вещества, за исключением Н и
О. В данном случае уравниваем атомы
хлора. В состав горючего вещества входят
два атома хлора. В составе выделившейся
молекулы хлороводорода один атом Cl,
поэтому перед молекулой хлороводорода
в продуктах реакции ставим коэффициент
2:

1С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 4СО₂
+ Н₂О
+ 2HCl
+ 3,76 N₂

г) Уравниваем атомы водорода. В составе
молекулы горючего вещества четыре атома
водорода. Из них два атома водорода уже
вошли в состав двух молекул хлороводорода.
Оставшиеся два атома Н перейдут в состав
молекулы Н₂О. Следовательно, перед
молекулой воды ставим коэффициент 1:

1С₄Н₄Сl₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 4СО₂
+ 1Н₂О
+ 2HCl
+ 3,76 N₂

д) Уравниваем атомы кислорода. Для этого
рассчитываем число атомов кислорода в
правой части уравнения:

в составе четыре молекул углекислого
газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в
левой части уравнения. В составе молекулы
горючего вещества нет атомов кислорода.
Следовательно, делим количество атомов
кислорода в правой части уравнения на
2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент
перед воздухом:

1С₄Н₄Сl₂
+ 4,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 4СО₂
+ 1Н₂О
+ 2HCl
+ 3,76 N₂

е) коэффициент 4,5, поставленный перед
воздухом, ставим перед 3,76N₂
в правой части уравнения:

1С₄Н₄Сl₂
+ 4,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 4СО₂
+ 1Н₂О
+ 2HCl
+ 4,5
∙ 3,76 N₂

Пример
3. Составить
уравнение реакции горения ацетилена
С₂Н₂
в
воздухе.

Решение.

1. В
   левой части уравнения записываем
   формулу горючего вещества плюс воздух:

С₂Н₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)

2.
В правой части уравнения записываем
продукты реакции горения, основываясь
на составе молекулы горючего вещества
(правило 2):

С₂Н₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ 3,76 N₂

Таким
образом, углерод (С), содержащийся в
горючем веществе, перешел в СО₂,
водород превратился в воду. Азот,
содержащийся в воздухе, не участвует в
реакции горения и выделяется в неизменном
виде – 3,76 N₂.

3.
Уравниваем реакцию горения.

а) Перед формулой горючего вещества
всегда ставится коэффициент 1:

1
С₂Н₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа
ставим коэффициент 2, равный количеству
атомов углерода в молекуле ацетилена:

1
С₂Н₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 2СО₂
+ Н₂О
+ 3,76 N₂

в)
Уравниваем элементы, входящие в состав
горючего вещества, за исключением Н и
О. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем атомы водорода. В составе
молекулы горючего вещества – два атома
водорода. В состав молекулы воды входит
также два атома водорода. Следовательно,
перед молекулой воды ставим коэффициент
1:

1
С₂Н₂
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 2СО₂
+ 1Н₂О
+
3,76 N₂

д) Уравниваем атомы кислорода. Для этого
рассчитываем число атомов кислорода в
правой части уравнения:

в составе двух молекул углекислого
газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в
левой части уравнения. В составе молекулы
горючего вещества нет атомов кислорода,
следовательно, делим количество атомов
кислорода в правой части уравнения на
2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент
перед воздухом:

1
С₂Н₂
+ 2,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 2СО₂
+ 1Н₂О
+ 3,76 N₂

е) коэффициент 2,5, поставленный перед
воздухом, ставим перед 3,76N₂
в правой части уравнения:

1
С₂Н₂
+ 2,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 2СО₂
+ 1Н₂О
+ 2,5
∙ 3,76 N₂

Пример
4. Составить
уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃
в воздухе.

Решение.

1. В
   левой части уравнения записываем
   формулу горючего вещества плюс воздух:

C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)

2.
В правой части уравнения записываем
продукты реакции горения, основываясь
на составе молекулы горючего вещества
(правило 2):

C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ SO₂
+ 3,76 N₂

Таким
образом, углерод (С), содержащийся в
горючем веществе, перешел в СО₂,
водород превратился в воду, кислород
вошел в состав воды и углекислого газа,
сера образовала оксид SO₂.
Азот воздуха не участвует в реакции
горения и выделяется в неизменном виде
– 3,76 N₂.

3.
Уравниваем реакцию горения.

а) Перед формулой горючего вещества
всегда ставится коэффициент 1:

1
C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ СО₂
+ Н₂О
+ SO₂
+ 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа
ставим коэффициент 6, равный количеству
атомов углерода в молекуле горючего
вещества:

1
C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ Н₂О
+ SO₂
+ 3,76 N₂

в)
Уравниваем элементы, входящие в состав
горючего вещества, за исключением Н и
О. В данном случае уравниваем атомы
серы. В состав молекулы горючего вещества
входит один атом серы. В составе
выделившейся молекулы SO₂
тоже один
атом, поэтому перед молекулой SO₂
в продуктах реакции ставим коэффициент
1:

1
C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ Н₂О
+ 1SO₂
+ 3,76 N₂

г) Уравниваем атомы водорода. В составе
молекулы горючего вещества восемь
атомов водорода, а в состав молекулы
воды входит только два атома. Следовательно,
перед молекулой воды ставим коэффициент
4:

1
C₆Н₈SО₃
+ (О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 4Н₂О
+ 1SO₂
+ 3,76 N₂

д) Уравниваем атомы кислорода. Для этого
рассчитываем число атомов кислорода в
правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого
газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 =
4;

в составе одной молекулы оксида серы:
1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в
левой части уравнения. В составе молекулы
горючего вещества имеется 3 атома
кислорода. Вычитаем это число из
количества атомов кислорода в правой
части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное
число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный
коэффициент перед воздухом:

1
C₆Н₈SО₃
+ 7,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 4Н₂О
+ 1SO₂
+ 3,76 N₂

е) коэффициент 7,5, поставленный перед
воздухом, ставим перед 3,76N₂
в правой части уравнения:

1
C₆Н₈SО₃
+ 7,5(О₂
+ 3,76 N₂)
→ 6СО₂
+ 4Н₂О
+ 1SO₂
+7,5
∙ 3,76 N₂.

Многообразие реакций горения не
исчерпывается рассмотренными в данном
разделе примерами. Однако, используя
описанные правила, можно самостоятельно
составить реакцию горения многих других
горючих веществ. Написание уравнений
реакций горения является важной составной
частью при решении многих задач в курсе
«Теория горения и взрыва».

Процесс горения отлично знаком человеку. Помните, как первобытные люди дорожили огнём? Да и сегодня огню приписывается символическое значение: олимпийский огонь, который зажигают в преддверии игр, или вечный огонь, горящий в память о погибших. Но нас сейчас будет интересовать не история огня, а сам процесс горения с химической точки зрения и уравнения химических реакций.

Итак,

горение – это взаимодействие веществ с кислородом.

Если мы сжигаем какое-то вещество в воздухе, а потом его же сожжём в чистом кислороде, то во втором случае процесс будет куда интенсивнее. Всё дело в том, что в воздухе кислорода содержится всего 21 процент, то есть концентрация его меньше, чем в собственно чистом кислороде. Поэтому и горение на воздухе менее интенсивное, чем в чистом кислороде. И это первое, что нужно запомнить.

Все видели, как что-то горит, и все знают, что при этом появляется свет и выделяется тепло. Это тоже особенность процесса горения – он, как правило, протекает с выделением энергии (тепловой и световой). Но иногда для запуска горения требуется нагреть компоненты. Например, бумага воспламенится и при обычной температуре, а вот чтобы поджечь металлическую проволоку или стеклянный стакан, понадобится их сильно нагреть.

Ну а теперь мы перейдём непосредственно к химическим уравнениям и рассмотрим подробно горение простых и сложных веществ.

Горение простых веществ

При сгорании простого вещества всегда образуется его оксид.

Например:

С + О2 = СО2

4Р + 5О2 = 2Р2О5

2Сu + O2 = 2CuO

Напомню, что, как правило, эти реакции протекают с выделением тепла.

Горение сложных веществ

При сгорании сложного вещества почти всегда образуются оксиды входящих в него элементов.

Например:

СН4 + О2 = СО2 + 2Н2О

2Н2S + 3O2 = 2Н2О + 2SO2

2ZnS + 3O2 = 2SO2 + 2ZnO

Но тут нужно помнить, что при недостатке кислорода может образоваться оксид только одно элемента. Так, аммиак при недостатке кислорода сгорает по такой схеме:

4NH3 + 3O2 = 6H2O + 2N2

Пишите, пожалуйста, в комментариях, что осталось непонятным, и я обязательно дам дополнительные пояснения. Жалуйтесь на сложности в изучении школьного курса и говорите, что вас испугало в учебнике химии. И тогда следующая статья будет рассказывать именно об этой проблеме.

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения

Тепловой эффект химической реакции. Термохимические уравнения.

Химические реакции протекают либо с выделением теплоты, либо с поглощением теплоты.

Экзотермические реакции протекают с выделением теплоты (теплота указывается со знаком «+»). Эндотермические реакции – с поглощением теплоты (теплота Q указывается со знаком «–»).

Тепловой эффект химической реакции – это изменение внутренней энергии системы вследствие протекания химической реакции и превращения исходных веществ (реагентов) в продукты реакции в количествах, соответствующих уравнению химической реакции.

При протекании химических реакций наблюдаются некоторые закономерности, которые позволяют определить знак теплового эффекта химической реакции:

• Реакции, которые протекают самопроизвольно при обыных условиях, скорее всего экзотермические. Для запуска экзотермических реакций может потребоваться инициация – нагревание и др.

Например, после поджигания горение угля протекает самопроизвольно, реакция экзотермическая:

• Реакции образования устойчивых веществ из простых веществ экзотермические, реакции разложения чаще всего – эндотермические.

Например, разложение нитрата калия сопровождается поглощением теплоты:

• Реакции, в ходе которых из менее устойчивых веществ образуются более устойчивые, чаще всего экзотермические. И наоборот, образование более устойчивых веществ из менее устойчивых сопровождается поглощением теплоты. Устойчивость можно примерно определить по активности и стабильности вещества при обычных условиях. Как правило, в быту нас окружают вещества сравнительно устойчивые.

Например, горение амиака (взаимодействие активных, неустойчивых веществ — аммиака и кислорода) приводит к образованию устойчивых веществ – азота и воды. Следовательно, реакция экзотермическая:

Количество теплоты обозначают буквой Q, измеряют в кДж (килоджоулях) или Дж (джоулях).

Количество теплоты, выделяющейся в результате реакции, пропорционально количеству вещества, вступившего в реакцию.

В термохимии используются термохимические уравнения . Это уравнение реакции с указанием количества теплоты, выделившейся в ней (на число моль вещества, равное коэффициентам в уравнении).

Например, рассмотрим термохимическое уравнение сгорания водорода:

Из термохимического уравнения видно, что 484 кДж теплоты выделяются при сгорании 2 моль водорода, 1 моль кислорода. Также можно сказать, что при образовании 2 моль воды выделяется 484 кДж теплоты.

Теплота образования вещества – количество теплоты, выделяющееся при образовании 1 моль данного вещества из простых веществ.

Например, при сгорании алюминия:

теплота образования оксида алюминия равна 1675 кДж/моль. Если мы запишем термохимическое уравнение без дробных коэффициентов:

теплота образования Al₂O₃ все равно будет равна 1675 кДж/моль, т.к. в термохъимическом уравнении приведен тепловой эффект образования 2 моль оксида алюминия.

Теплота сгорания – количество теплоты, выделяющееся при горении 1 моль данного вещества.

Например, при горении метана:

теплота сгорания метана равна 802 кДж/моль.

Разберемся, как решать задачи на термохимические уравнения (задачи на термохимию) из ЕГЭ. Для этого разберем несколько примеров термохимических задач.

1. В результате реакции, термохимическое уравнение которой:

получено 98 л (н.у.) оксида азота (II). Определите количество теплоты, которое затратили при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых.).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что на образование 2 моль оксида азота (II) потребуется 180 кДж теплоты. 2 моль оксида азота при н.у. занимают объем 44,8 л. Составляем простую пропорцию:

на получение 44,8 л оксида азота (II) затрачено 180 кДж теплоты,

на получение 98 л оксида азота затрачено х кДж теплоты.

Отсюда х= 180*98/44,8 = 393,75 кДж. Округляем ответ до целых, как требуется в условии: Q=394 кДж.

Ответ: потребуется 394 кДж теплоты.

2. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

выделилось 1452 кДж теплоты. Вычислите массу образовавшейся при этом воды (в граммах). (Запишите число с точностью до целых.)

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при образовании 2 моль воды выделится 484 кДж теплоты. Масса 2 моль воды равна 36 г. Составляем простую пропорцию:

при образовании 36 г воды выделится 484 кДж теплоты,

при образовании х г воды выделится 1452 кДж теплоты.

Отсюда х= 1452*36/484 = 108 г.

Ответ: образуется 108 г воды.

3. В результате реакции, термохимическое уравнение которой

израсходовано 80 г серы. Определите количество теплоты, которое выделится при этом (в кДж). (Запишите число с точностью до целых).

Решение.

Из термохимического уравнения видно, что при сгорании 1 моль серы выделится 296 кДж теплоты. Масса 1 моль серы равна 32 г. Составляем простую пропорцию:

при сгорании 32 г серы выделится 296 кДж теплоты,

при сгорании 80 г серы выделится х кДж теплоты.

Отсюда х= 80*296/32 = 740 кДж.

Ответ: выделится 740 кДж теплоты.

Правила составления уравнения реакции горения

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ИВАНОВСКИЙ ИНСТИТУТ ГОСУДАРСТВЕННОЙ ПРОТИВОПОЖАРНОЙ СЛУЖБЫ МИНИСТЕРСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ»

Кафедра химии, теории горения и взрыва

Т.А Мочалова, Д.В. Батов, А.В. Петров

Теория горения и взрыва

Задания и методические указания по выполнению

Расчетно-графической работы

Иваново

Мочалова Т.А, Батов Д.В., Петров А.В. Теория горения и взрыва. Задания и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы. Учебное пособие. Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2012.- 38 с.

Учебное пособие предназначено для обучающихся по специальности 280705 Пожарная безопасность и направлению подготовки 280700 Техносферная безопасность. Учебное пособие охватывает основные темы дисциплины «Теория горения и взрыва» и рассчитано на более глубокое ее усвоение. Пособие содержит варианты контрольных заданий и методические рекомендации по выполнению расчетно-графической работы по дисциплине «Теория горения и взрыва».

Печатается по решению Редакционно-издательского совета института

Рассмотрено и рекомендовано к публикации кафедрой химии, теории горения и взрыва, протокол № 7 от 22 декабря 2011 года.

Ведущий научный сотрудник ФГБУН

Институт химии растворов им. Г.А.Крестова РАН

доктор химических наук П.Р.Смирнов

кафедры физики и теплотехники

Ивановского института ГПС МЧС России

кандидат химических наук О.Е.Сторонкина

© Ивановский институт ГПС МЧС России, 2012

Стр.

Список используемых сокращений

ВВЕДЕНИЕ

Общие указания по выполнению расчетно-графической работы

Правила составления уравнения реакции горения

Пример решения задач

Задачи для самостоятельного решения

Список рекомендуемой литературы

Приложения

Список используемых сокращений

КПР – концентрационные пределы распространения пламени

НКПР – нижний концентрационный предел распространения пламени

ВКПР – верхний концентрационный предел распространения пламени

ТПР – температурные пределы распространения пламени

ПГ – продукты горения

ГВ – горючее вещество

Введение

В результате изучения дисциплины «Теория горения и взрыва» у обучающихся формируется теоретический фундамент для глубокого осмысления всей системы показателей пожарной опасности веществ и материалов как совокупности предельных условий и параметров возникновения и прекращения горения.

Овладение методами расчета показателей пожарной опасности веществ необходимо, прежде всего, для будущей практической деятельности: для решения вопросов обеспечения безопасности технологических процессов, зданий и сооружений, а также обеспечения пожарной безопасности людей во время пожаров.

Использование знаний о механизмах протекания горения дает возможность управлять горением на пожаре, организовывать профилактические меры против возникновения самовоспламенения, самовозгорания, воспламенения, меры по снижению интенсивности горения на пожаре, его локализации и тушению.

1. Общие указания по выполнению расчетно-графической работы

В соответствие с учебным планом обучающиеся по дисциплине «Теория горения и взрыва» обязаны выполнить расчетно-графическую работу. Расчетно-графическая работа выполняется по индивидуальному заданию.

Вариант задания выбирается по двум последним цифрам номера зачётной книжки (Приложение 1).

При необходимости преподаватель имеет право изменить вариант расчетно-графической работы обучающегося.

Расчетно-графические работы могут быть оформлены как в ученических тетрадях в объеме не более 18 листов рукописного текста, так и на листах формата А-4, в объеме не более 15 листов, компьютерным набором, ориентация книжная.

При выполнении расчетно-графической работы в ученической тетради с полями, содержащей не менее 18 листов, на титульном листе тетради должны быть указаны звание, фамилия, имя, отчество, номер зачётной книжки и номер учебной группы обучающегося. Работа выполняется аккуратно, разборчивым почерком через строчку, графики вычерчиваются при помощи линейки и карандаша. В задании должны быть представлены номер и полный текст задачи.

При выполнении расчетно-графической работы на компьютере необходимо учитывать следующие требования:

– ориентация страниц – книжная;

– на титульном листе указывается министерство, название кафедры, фамилия, инициалы обучающегося, номер учебной группы, номер варианта, должность, фамилия, инициалы преподавателя (приложение 3);

– поля: верхнее – 1 см, левое – 2 см, нижнее – 1 см, правое – 1 см;

– интервал между строками- одинарный;

– красная строка 1,5 см от левой границы текста;

– нумерация по центру листа внизу;

– шрифт Times New Roman, размер шрифта 14;

– работа скрепляется в папку-скоросшиватель.

Задание должно быть оформлено в соответствии со следующей схемой: формулировка задачи, дано, найти, решение, ответ.

При решении задач даются ссылки на использованные справочные данные и соответствующий литературный источник. Литература, используемая в процессе выполнения задания, приводится в конце работы. Список литературы составляется с учетом правил оформления библиографии (Приложение 1).

Выполненная и правильно оформленная расчетно-графическая работа сдается преподавателю. Работа, выполненная не по своему варианту, к зачету не принимается. Такая работа должна быть выполнена повторно.

Правила составления уравнения реакции горения

При решении практически всех задач по дисциплине “Теория горения и взрыва” необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде(O₂ + 3,76N₂)].

Правило № 2.В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

углерод (С), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO₂,

сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO₂,

фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P₂O₅,

водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H₂O,

хлор (Cl), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

фтор (F), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

бром (Br), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

йод (I), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

кислород (О), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (CO₂, SO₂, H₂O) как и кислород воздуха.

азот (N), при температуре горения ниже 2000 о С не вступает в реакцию. Поскольку, в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600 о С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N₂). Следовательно, 3,76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS – 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4.Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества.

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3,76N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Рассмотрим несколько примеров составления реакций горения веществ в воздухе, в которых использованы описанные выше правила.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄ в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде – N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

справа 2 + 5∙ 3,76 = 20,8;

О – слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола (С₄Н₄Сl₂) в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9 /2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена (С₂Н₂) в воздухе.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества – два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃ в воздухе.

1.В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂ тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

Многообразие реакций горения не исчерпывается рассмотренными в данном разделе примерами. Однако, используя описанные правила, можно самостоятельно составить реакцию горения многих других горючих веществ. Написание уравнений реакций горения является важной составной частью при решении многих задач в курсе «Теория горения и взрыва».

Пример решения задач

Задача. Используя данные таблицы, определить показатели пожарной опасности толуола: группу горючести, температуру вспышки; концентрационные пределы распространения пламени (в % и г/м 3 ) при t = 25, 45 и 65 o C, построить график зависимости КПР от температуры; температурные пределы распространения пламени, низшую теплоту сгорания по следствию из закона Гесса; максимальное давление взрыва, тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав компонентов продуктов горения.

Начальное давление, Па	Начальная температура, 0 С	Температура взрыва, 0 С.	Масса вещества, кг	Коэффициент избытка воздуха
101 300	1,3

1. Составляем уравнение реакции горения толуола в воздухе (см. правила составления уравнения реакции горения) и определяем стехиометрический коэффициент β (коэффициент перед кислородом):

2. Рассчитываем объём, занимаемый 1 кмоль воздуха при заданных условиях.

3. Рассчитываем молярную массу толуола.

М (C₇H₈) = 12 × 7 + 1 × 8 = 92 (кг/кмоль)

4. Рассчитываем объём воздуха, необходимого для полного сгорания заданной массы толуола.

5. Определяем избыточное количество вещества кислорода и азота.

= b(a – 1), кмоль; = 9(1,3 – 1) = 2,7 (кмоль)

=3,76 × b(a – 1), кмоль; =3,76 × 9(1,3 – 1) = 10,2 (кмоль)

6. Рассчитываем общее количество вещества продуктов горения.

ån_пг = , кмоль;

ån_пг = 7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2 = 57,74 (кмоль)

7. Определяем общий объём образующихся продуктов горения.

, м 3 ;

8. Определяем мольный процентный состав компонентов продуктов горения. Принимаем общее количество вещества продуктов горения за 100%, а количество вещества конкретного продукта реакции за %:

Для СО₂ получаем следующую пропорцию.

ån_пг = 57,74 кмоль – 100%

= 7 кмоль – %,

отсюда

Аналогично находим процентное содержание оставшихся продуктов горения:

При расчете процентного содержания азота суммируем его количество перешедшее в продукты горения в результате реакции и из избытка воздуха.

9. Определяем группу горючести толуола. Для этого рассчитываем его коэффициент горючести по формуле:

где: n_C, n_S, n_H, n_N, n_O, n_Cl, n_F, n_Br– соответственно число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле вещества.

Если расчётное значение К £ 0 – вещество негорючее, 0 2 – вещество является горючим.

Записываем количество атомов составляющих толуол (С₇Н₈): n_C= 7; n_H= 8;

Рассчитываем коэффициент горючести:

Вывод: К > 2, следовательно, толуол – горючее вещество.

10. Определяем температуру вспышки. Для этого по справочнику [4] находим температуру кипения толуола:

Определяем температуру вспышки по формуле Элея:

.

Справочное значение 7 0 С [4].

11. Рассчитываем нижний и верхний концентрационный пределы распространения пламени толуола при стандартных условиях по формуле:

, об. %

– нижний (верхний) концентрационные пределы распространения пламени, % об.;

b – число молекул кислорода, необходимое для полного окисления молекулы горючего;

a и b – константы определяемые по табл. 2 приложения 2.

Концентрационные пределы распространения пламени при заданных условиях рассчитываются по формулам:

и – концентрационные пределы распространения пламени при стандартных условиях (Р = 101325 Па, Т = 298 К);

и – концентрационные пределы распространения пламени при заданной температуре Т;

1550 К и 1110 К – температура горения соответственно на нижнем и верхнем концентрационных пределах распространения пламени.

Рассчитываем КПР при температуре 298 К.

Для расчета выбираем из табл. 2 Приложения 2: a = 8.64, b = 4.679.

Для расчета при b > 7.5 a = 0.768, b = 6.554.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 45 = 318,15 К.

Рассчитываем КПР при температуре Т = 273,15 + 65 = 338,15 К.

Строим графики зависимостей КПР от температуры.

Из графика делаем вывод, что с увеличением температуры НКПР толуола незначительно уменьшается, ВКПР – сильно возрастает. Изменение ВКПР приблизительно в 10 раз превышает изменение НКПР. Таким образом, с ростом температуры область воспламенения паров толуола расширяется.

12. Рассчитываем концентрационные пределы распространения пламени толуола в граммах на кубометр (j / _н или j / _в):

, г/м 3

V_t – объем занимаемый 1 кмоль газа при заданной температуре и давлении, м 3 /кмоль;

М – молярная масса, кг/кмоль.

Определяем мольный объем паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К

При Т = 318.15 К

При Т = 338.15 К

Рассчитываем КПР паров толуола при заданных температурах:

При Т = 298.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 318.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

При Т = 338.15 К г/м 3 ; (г/м 3 )

13. Определяем температурные пределы распространения пламени по уравнению Антуана:

,

t_Н(В) – нижний (верхний) температурные пределы распространения пламени;

– давление насыщенного пара на нижнем (верхнем) температурном пределе распространения пламени, мм.рт.ст.;

А, В, С – константы, определяемые по таблице 10 Приложения 2.

Определяем давление насыщенного пара на нижнем и верхнем температурных пределах распространения пламени по формуле:

Из табл. 10 приложения 2 находим значения констант А, В и С для толуола:

А = 6,95508, В = 1345,087, С = 219,516

Подставляем значения в уравнение Антуана и определяем температурные пределы распространения пламени:

Справочные значения t_н = 6 о С, t_в = 37 о С [4].

14. Рассчитываем низшую теплоту сгорания толуола, используя следствие из закона Гесса.

Q_н = [S(n_i× )_ПГ – S(n_j× )_ГВ], кДж/моль.

Здесь n_i×и – число молей и стандартные энтальпии образования компонентов продуктов горения (ПГ), n_j и – число молей и стандартные энтальпии образования компонентов горючей смеси (ГВ).

По уравнению реакции находим, что при сгорании 1 моль толуола выделяется 7 моль углекислого газа и 4 моль воды:

, ,

Определяем по табл. 3 приложения 2 значения стандартных теплот образования горючего вещества и продуктов горения, учитывая при этом, что теплоты образования простых веществ (О₂, N₂) равны нулю.

D_f = 50,02 кДж/моль;

D_f = -393,65 кДж/моль;

D_f = -241,91 кДж/моль

Следует иметь в виду, что существует две шкалы тепловых эффектов. В термодинамической шкале экзотермическому процессу соответствует знак минус, эндотермическому – знак плюс. В термохимической шкале знаки изменяются на противоположные. В справочной литературе используется в основном термодинамическая шкала. Однако для расчетов в курсе «Теории горения и взрыва» применяют термохимическую шкалу. Поэтому значения стандартных энтальпий образования веществ нужно подставлять в уравнение с обратным знаком.

Q_н = = 7×393,65 + 4×241,91 – 1∙(-50,02) = 3773,21 (кДж/моль)

15. Рассчитываем максимальное давление взрыва паров толуола при заданных условиях по формуле:

Р_н – давление паровоздушной смеси до взрыва, Па;

Т_ВЗР – температура взрыва, К;

Т_н – температура паровоздушной смеси до взрыва, К;

Sn_пг – число моль продуктов горения, моль;

Sn_cм – число моль исходной газовоздушной смеси, моль.

По уравнению реакции горения определяем число моль газов в горючей смеси до взрыва и число моль продуктов горения.

Sn_cм = = 1 + 9 + 9∙3,76 = 43,84 моль

ån_п.г= =7 + 4 + 33,84 + 2,7 + 10,2=57,74 (моль)

Переводим начальную температуру и температуру взрыва из шкалы Цельсия в шкалу Кельвина:

Т_н = 273 + 23 = 296 К

Т_ВЗР = 273 + 2678 = 2951 К

Рассчитываем давление взрыва паров толуола при заданных условиях.

16. Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва паров толуола при взрыве в технологическом оборудовании по формуле:

Q_Н – низшая теплота сгорания взрывчатого вещества, Дж/кг;

m_ВВ – масса горючего вещества в смеси, кг;

4520×10 3 – низшая теплота сгорания тринитротолуола (ТНТ, тротил), Дж/кг.

Согласно расчету, проведенному в п.14, низшая теплота сгорания толуола равна Q_н = 3773,21 кДж/моль. Переводим ее в кДж/кг, разделив на молярную массу (92∙10 -3 кг/моль):

Рассчитываем тротиловый эквивалент возможного аварийного взрыва при взрыве в технологическом оборудовании:

(кг тротила)

8.1. Реакции горения

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

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 Qв 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.

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

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

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/м3;
k —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.

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•104÷5•108 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначально 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:

[spoiler title=”источники:”]

http://megaobuchalka.ru/7/36497.html

http://www.fas-him.ru/info/spravochnik/gl-8/gl-8_100.html

[/spoiler]

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

C_mH_n + (_m + _n/4) O2 = _mCO2 + (_n/2) Н₂O + Q (8.1)

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

Стехиометрический состав горючей смеси (от греч. stoicheion — основа, элемент и греч. metreo — измеряю) — состав смеси, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления топлива.

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)

Газ	Реакция горения	Теплота сгорания
Молярная, кДж/кмоль	Массовая, кДж/кг	Объемная, кДж/м3
высшая	низшая	высшая	низшая	высшая	низшая
Водород	И2 + 0,502 = H2O	286,06	242,90	141 900	120 080	12 750	10 790
Оксид углерода	C0 + 0,502 = CO2	283,17	283,17	10 090	10 090	12 640	12 640
Метан	CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O	880,90	800,90	55 546	49 933	39 820	35 880
Этан	C2H6 + 0,5O2 = 2CO2 + 3H2O	1560,90	1425,70	52 019	47 415	70 310	64 360
Пропан	C3H + 5H2O = 3CO2 +4H2O	2221,40	2041,40	50 385	46 302	101 210	93 180
н-Бутан	C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O	2880,40	2655,00	51 344	47 327	133800	123 570
Изобутан	C4H,0 + 6,5O2 = 4CO2 + 5H2O	2873,50	2648,30	51 222	47 208	132960	122780
н-Пентан	C5H,2 + 8O2 = 5CO2 + 6H2O	3539,10	3274,40	49 052	45 383	169270	156 630
Этилен	C2H4+3O2=2CO2 + 2H2O	1412,00	1333,50	50 341	47 540	63 039	59 532
Пропилен	C3H6 + 4,5O2 = 3CO2 + 3H2O	2059,50	1937,40	48 944	46 042	91 945	88 493
Бутилен	C4H + 6O2 = 4CO2 + 4H2O	2720,00	2549,70	48 487	45 450	121 434	113 830

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

Q = r₁Q₁ + r₂Q₂ +… + _rnQ_n (8.2)

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

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

Q_B = 127,5 Н₂ + 126,4 С_О + 398 СН₄ + 703 С₂Н₆ + 1012 С₈Н₈ + 1338 C₄H₁₀ + 1329 C₄H₁₀ + 1693 С₅Н₁₂ + + 630 С₂Н₄ + 919 С₃Н₆ + 1214 C₄H₈ (8.3)

Q_H = 107,9 H₂ + 126,4 C_O + 358,8 CH₄ + 643 C₂H₆ + 931,8 С₈Н₈ + 1235 C₄H₁₀+ + 1227 C₄H₁₀+ 1566 С₅Н₁₂ + + 595 С₂Н₄ + 884 С₈Н₆+ 1138 C₄H₈ (8.4)

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

Процесс горения протекает гораздо сложнее, чем по формуле (8.1), так как наряду с разветвлением цепей происходит их обрыв за счет образования промежуточных стабильных соединений, которые при высокой температуре претерпевают дальнейшие преобразования. При достаточной концентрации кислорода образуются конечные продукты: водяной пар Н₂О и двуокись углерода СО². При недостатке окислителя, а также при охлаждении зоны реакции, промежуточные соединения могут стабилизироваться и попадать в окружающую среду.

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

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

w = kС₁С₂ (8.5)

где С₁ и С₂ — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м³; 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):

К = К₀е-^Е/RT (8.6)

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)•10³ 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 2·10⁴÷5•10⁸ 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:

1 Н + О₂ —› ОН + О

СН₄ + ОН —› СН₃ + Н₂О

СН₄ + О —› СН₂ + Н₂О

2 СН₃ + О₂ —› НСНО + ОН

СН₂ + О₂ —› НСНО + О

3 НСНО + ОН —› НСО + Н₂О

НСНО + О —› СО + Н₂О

НСО + О₂ —› СО + О + ОН

4 СО + О —› СО₂

СО + ОН —› СО₂ + Н

Итог единичного цикла:

2СН₄ + 4О₂ —› 2СО₂ + 4Н₂О

• Главная
• Справочник
• Характеристики горения газов
• Реакции горения