Практична робота №2

Тема: Складання рівнянь реакції горіння речовин

Мета: ознайомити студентів з порядком складання реакцій горіння речовин.

2.1.Поняття матеріального балансу

Горіння підтримується за рахунок постійного переходу горючої речовини з будь-якого агрегатного стану: рідкого чи твердого в газо-, пароподібний стан.

Матеріальний баланс процесу горіння представляє собою розрахунок відповідної кількості початкових компонентів, що приймають участь у процесі горіння і кінцевих продуктів горіння, що утворились внаслідок хімічних реакцій. Тобто, вигоряння горючої речовини та окисника можна представити як постійний перехід вихідних речовин у продукти повного і неповного згоряння. Цей баланс складається на основі закону збереження маси. Дотримання умов матеріального балансу означає, що загальна маса компонентів хімічної реакції залишається незмінною.

Мінімальний об’єм повітря, що необхідний для повного згоряння одиниці маси (кг) чи одиниці об’єму (м³) горючої речовини, називається теоретично необхідним або питомим об’ємом повітря (V_n⁰ ).

Розрізняють стандартні умови (293 К і 101,3 кПа), нормальні умови (273 К і 101,3 кПа) і реальні умови (умови пожежі) горіння речовин.

Речовини й агломерати, які утворюються в результаті горіння, називають продуктами згоряння. До них належать попіл, жужіль, сажа, леткі продукти згоряння (утворюються внаслідок повного або неповного згоряння, піролізу, випаровування, сублімації). В умовах пожежі найчастіше горять органічні речовини: деревина, тканини, нафтопродукти тощо, до складу яких головним чином входять карбон, оксиген, гідроген і нітроген.

Дим – це видима аерозольна складова летких продуктів згоряння, що утворилися внаслідок повного або неповного згоряння, піролізу, випаровування, сублімації.

Діаметр часток диму коливається від 10^–5 до 10^–8 м. Присутність твердої дисперсної фази обумовлює непрозорість диму. Ступінь прозорості диму залежить від його концентрації і розміру твердих часточок дисперсної фази. Тверді часточки диму здатні як поглинати так і розсіювати світло. Тому дим на пожежі значно погіршує видимість.

Розрахунок матеріального балансу процесу горіння зводиться до визначення об’єму повітря, що необхідний для згоряння горючої речовини та визначення об’єму продуктів згоряння, що утворилися при цьому.

Розрахунок базується на законі Авогадро та рівняннях хімічних реакцій горіння речовин, враховуючи умови горіння, відмінні від нормальних.

2.2.Порядок написання рівнянь хімічних реакцій горіння

Для спрощення розрахунків процесів горіння та складання хімічних реакцій окислення нітроген об’єднують з аргоном і склад повітря приймають рівним:

Речовина	Об’ємні відсотки	Масові відсотки
Кисень (О2)	21	23
Азот (N2)	79	77

Тобто, на одну об’ємну одиницю кисню, у повітрі, припадає 79/21 = 3,76 об’єму азоту, або відповідно до закону Авогадро – на кожну молекулу оксигену приходиться 3,76 молекули нітрогену. Таким чином, склад повітря може бути представлений як (О₂ + +3,76N₂). Продукти згоряння, що утворюються в результаті реакції горіння речовин:

Горюча речовина	Продукти згоряння
Карбон С	Карбон діоксид СО2
Гідроген Н	Вода Н2О
Сульфур S	Сульфур діоксид SО2
Фосфор Р	Фосфорний ангідрид Р2О5
Силіцій Sі	Силіцій діоксид SіО2
Метал	Оксид металу
Нітроген N	Молекулярний азот N2
Галогени F, Cl, Br, J	Галогеноводні НF, НCl, НBr, НJ

Загальне рівняння реакції горіння речовини можна записати у наступному вигляді:

горюча речовина + β(О₂ + 3,76 N₂) = продукти згоряння,

де β – стехіометричний коефіцієнту рівнянні реакції (кількість молів повітря, що необхідні для повного згоряння горючої речовини), який розраховується за формулою

β = n_с + n_s + (n_н – n_Halogen)/4 – n_о/2 + 5n_р/4, (2.1)

де n_с,n_s, n_н, n_Halogen, n_о, n_р – кількість атомів карбону, сульфуру, гідрогену, галогену, оксигену та фосфору відповідно у молекулі горючої речовини.

Для правильного складання рівняння реакції горіння слід спочатку урівняти кількість атомів карбону, потім сульфуру, фосфору і силіцію, потім галогенів і гідрогену. В останню чергу урівнюють кількість атомів оксигену в правій та лівій частині рівняння. В переважній більшості випадків горить карбон, гідроген, сполучаючись з оксигеном.

Для написання формул реакції горіння необхідно знати валентність основних хімічних елементів: гідрогену – 1, оксигену – 2, карбону – 4. Множник перед коефіцієнтом (3,76), що стоїть біля молекули азоту, завжди буде рівним коефіцієнтові перед киснем.

Враховуючи те, що розрахунок проводять зазвичай для 1 моля чи 1 м³ горючої речовини, в рівнянні реакції коефіцієнт перед горючою речовиною не ставлять. Особливістю таких реакцій є те, що в реакції горіння можуть бути присутні дробові стехіометричні коефіцієнти.

Приклад 2.1:

Скласти рівняння реакції горіння основних класів органічних речовин у повітрі:

вуглеводні: горіння пентану

С₅Н₁₂ + 8(О₂ + 3,76N₂) → 5CО₂ + 6Н₂О + 8×3,76N₂;

оксигеновмісні речовини: горіння етилового спирту

С₂Н₅ОН +3(О₂ + 3,76N₂) → 2CО₂ + 3Н₂О + 3×3,76N₂;

нітрогеновмісні речовини: горіння діетиламіну

(С₂Н₅)₂NН +6,75(О₂ + 3,76N₂) → 4CО₂ + 5,5Н₂О + 0,5N₂ + 6,75×3,76N₂;

сульфуровмісні речовини: горіння карбон сульфіду

СS₂ + 3(О₂ + 3,76N₂) → CО₂ + 2SО₂ + 3×3,76N₂;

фосфорвмісні речовини: горіння фосфіну

РН₃ + 2(О₂ + 3,76N₂) → 0,5Р₂О₅ + 1,5Н₂О + 2×3,76N₂;

галогеновмісні речовини: горіння хлорметану

СН₃Cl + 1,5(О₂ + 3,76N₂) → CО₂ + Н₂О + НCl + 1,5×3,76N₂.