Практична робота №4

Тема: Розрахунок енергетичного балансу горіння речовин.

Мета: ознайомити студентів з порядком визначення енергетичного балансу горіння речовин.

4.1. Поняття енергетичного балансу процесів горіння

Хімічні реакції можуть проходити як з поглинанням так і з виділенням енергії. Реакції, що протікають з поглинанням енергії, називаються ендотермічними (ендо – всередину). Реакції, що протікають з виділенням енергії є реакції горіння і називають екзотермічними (екзо – назовні). Кількість тепла, що виділяється в результаті хімічної реакції горіння, називають тепловим ефектом реакції горіння.

Енергія буде виділятись у тому випадку, якщо на розриви старих зв’язків між молекулами її витрачається менше, ніж на створення нових, тобто у горючій системі є надлишок енергії. Саме такі реакції спричиняють горіння і, як наслідок – пожежу.

При горінні енергія виділяється у вигляді світіння та тепла. Через те, що світлова енергія згоряння незначна, її, як правило, ототожнюють з тепловою.

4.2. Теплота згоряння та порядок її визначення

Теплотою згоряння називається кількість тепла, що виділяється при згорянні одиниці маси речовини з утворенням продуктів повного згорання.

Залежно від способу вираження маси речовини розрізняють стандартну Q кДж/моль (молярну), масову Q кДж/кг та об’ємну Q° кДж/м³ теплоту згоряння речовини.

У розрахунках визначають масову та й об’ємну теплоту згоряння речовин та матеріалів.

Залежно від виділення теплоти і утворення рідкої і газоподібної води, розрізняють вищу та нижчу теплоти згорання речовини.

Вища теплота згоряння Q_в визначається при умові, якщо в результаті реакції горіння волога, що міститься в речовині, виділяється з утворенням води у стані рідини, тобто прихована теплота пароутворення була відведена.

Нижча теплота згоряння Q_н визначається при умові, якщо в результаті реакції горіння волога, що міститься в речовині, виділяється у газоподібному стані, тобто водень згоряє з утворенням води, яка знаходиться у продуктах згоряння у вигляді пари.

Теплота згоряння тісно пов’язана з таким поняттям як теплота утворення ΔН⁰, що виділяється при утворенні одного моля сполук горючих речовин.

Для визначення стандартної (молярної) теплоти згоряння (при стандартних умовах) визначають теплоту утворення продуктів горіння і горючої речовини розрахунком.

Відповідно до першого закону термохімії, певна кількість тепла, яка виділяється (або поглинається) при утворенні будь-якої сполуки, при тих же умовах поглинається (або виділяється) при розпаданні цієї ж сполуки.

Відповідно до закону Гесса (другий закон термохімії), тепловий ефект реакції визначається як різниця теплоти утворення кінцевих та початкових компонентів системи, і не залежить від проміжних стадій та шляху, яким проходить вказаний процес.

Враховуючи, що теплота утворення простих речовин (оксигену і нітрогену) рівна нулю, теплоту реакції горіння можна представити у вигляді:

де Δ H ⁰_f(_пг)_і– стандартна теплота утворення і-го компоненту продуктів горіння, кДж/моль;

N_(пг)_і– кількість молів і-го компоненту продуктів горіння;

Δ H⁰_f(_гр) – стандартна теплота утворення горючої речовини у газоподібному стані, кДж/моль.

Оскільки, нас цікавлять лише реакції горіння, які протікають з виділенням тепла, то знак «–» можна опустити і тоді формула для визначення теплоти згоряння матиме вигляд:

4.3. Визначення теплоти згоряння індивідуальних хімічних речовин

Масову та об’ємну теплоту згоряння індивідуальних хімічних речовин можна визначити через молярну теплоту згоряння, використовуючи формули:

де Q – молярна теплота згоряння горючої речовини, кДж/моль; М – молярна маса, г/моль; V_t – молярний об’єм газу, м³/моль.

Приклад 4.1:

Визначити нижчу та вищу молярну, масову та об’ємну теплоту згоряння гексану (С₆Н₁₄) при стандартних умовах.

Вирішення:

1. Складаємо рівняння реакції горіння гексану:

С₆Н₁₄ + 6,5(О₂+3,76 N₂) = 6СО₂ +7 Н₂О +6,5×3,76 N₂.

2. За допоміжними даними визначаємо стандартні теплоти утворення гексану, карбон (ІV) діоксиду та води:

3. Визначаємо молярну теплоту згоряння гексану, використовуючи закон Гесса та враховуючи при розрахунку нижчої теплоти згоряння стандартну теплоту утворення води у вигляді пари (газу), а при розрахунку вищої теплоти згоряння – у вигляді рідини:

4. Визначаємо молярну масу гексану:

М(С₆Н₁₄) = 12×6 + 1×14 = 86 г/моль

5. Визначаємо масову теплоту згоряння гексану:

6. Визначаємо об’ємну теплоту згоряння гексану:

Відповідь: нижча та вища молярна теплота згоряння гексану становить 4222,76 та 4530,76 кДж/моль відповідно, масова нижча та вища теплота згоряння – 49101,9 та 52683,3 кДж/кг відповідно і об’ємна нижча та вища теплота згоряння гексану становить 188516,1 та 202266,1 кДж/м³ відповідно.

4.4.Визначення теплоти згоряння суміші хімічних речовин

Якщо формула хімічної речовини невідома, а відомий її відсотковий склад, масову теплоту згоряння визначають за формулою Д. Менделєєва:

ü вища теплота згоряння, кДж/кг:

ü нижча теплота згоряння, кДж/кг:

де [С], [Н], [О], [N], [S], [W] – масовий відсотковий вміст карбону, гідрогену, оксигену, нітрогену, сульфуру та вологи відповідно у горючій речовині.

Приклад 4.2:

Використовуючи формулу Д. Менделєєва, визначити нижчу та вищу масову теплоту згоряння амілнітрату (С₅Н₁₁О₃N) при стандартних умовах.

Вирішення:

1. Визначаємо молярну масу амілнітрату:

М(С₅Н₁₁О₃N) = 12×5 + 1×11 + 16×3 + 14×1 = 133 г/моль.

2. Визначаємо масовий відсотковий вміст карбону, гідрогену, оксигену, нітрогену у молекулі амілнітрату:

133 г/моль – 100 %

12×5 – [С] %

1×11– [Н] %

16×3– [О] %

14×1– [N] %,

звідси:

3. Використовуючи формулу Д.Менделєєва визначаємо нижчу та вищу масову теплоту згоряння амілнітрату:

ü вища теплота згоряння:

Q_в^’ = 339,4[С] + 1257[Н] – 108,9 ([О]+[N]) = 339,4×45,1 + 1257×8,3 – 108,9×(36,1+10,5) = 20655,3 кДж/кг;

ü нижча теплота згоряння:

Q_н^’=339,4[С] + 1257[Н] – 108,9 ([О] + [N] – [S]) –25(9[Н] + [W]) = 339,4[С] + 1257[Н] – 108,9 ([О] + [N] – [S]) –25(9[Н] + +[W])=339,4×45,1+1257×8,3 – 108,9×(36,1+10,5) –25(9×8,3) = = 18787,8 кДж/кг.

Відповідь: нижча та вища масова теплота згоряння амілнітрату становить 18787,8 та 20655,3 кДж/кг відповідно.