Mekanismen for kemiske reaktioner under forbrænding. Forbrændingsreaktion: træk ved kurset

Emne : Typer kemiske reaktioner. Forbrændingsreaktioner.

Mål: At fremme udviklingen af ​​skolebørns interesse for kemi og livssikkerhed, at afsløre tværfaglige forbindelser, at gentage typerne af kemiske reaktioner, at forbedre skolebørns pædagogiske færdigheder ved kompilering kemiske ligninger, opnå færdigheder i at arbejde med en brandslukker, blive fortrolig med brandforebyggende tiltag, fremme udviklingen af ​​færdigheder til at sammenligne og generalisere, hurtigt og klart formulere og udtrykke dine tanker og anvende din viden i praksis.

Udstyr og reagenser : oplæg til lektionen, porcelænskop, sprit, pap, tændstikker, luftskum og kulsyre ildslukkere.

Under timerne:

Kemi lærer: Forbrænding er den første kemiske reaktion, som mennesket stiftede bekendtskab med. Ild...Er det muligt at forestille sig vores eksistens uden ild? Han kom ind i vores liv og blev uadskillelig fra det. Men langt fra Altid , kigger ind i flammens dansende tunge, tænker vi på hvad stor rolle spillede ild i menneskeskæbnen. Uden ild kan en person hverken lave mad eller stål uden det, transport er umuligt. Uden ild ville en person sandsynligvis ikke have været i stand til at blive en person ... "Kun ved at lære at lave ild ved hjælp af friktion, tvang folk for første gang en eller anden uorganisk naturkraft til at tjene sig selv," skrev F. Engels.

Essensen af ​​forbrændingsprocessen i lang tid forblev et naturmysterium. For kun to århundreder siden var det endelig muligt at trænge ind i forbrændingens hemmeligheder. Og den almægtige kemi gjorde det. Før dette troede man fejlagtigt, at hvert brandfarligt stof indeholdt et særligt "brandstof", et bestemt mytisk stof - phlogiston, som under forbrænding frigives fra stoffet og absorberes af luften. Således blev forbrænding betragtet som en nedbrydningsreaktion.

Faktisk er ild et tegn på en proces, hvor brændende stoffer interagerer med ilt for at frigive store mængder varme og lys. Denne kemiske proces kaldes forbrænding.

Dyrke motion: Skriv vekselvirkningsligningerne med oxygen: lithium, svovl, kulstof, fosfor.

En elev udfører opgaver på tavlen. Resten er i notesbøger.

Lærer:

Studerende: Disse er sammensatte reaktioner. Med hensyn til termisk effekt er de eksoterme og afgiver varme. Produkterne af forbrændingsreaktioner er oxider. Oxider er binære forbindelser, der indeholder oxygen med en oxidationstilstand på -2.

Lærer: Hvilke betingelser skal være opfyldt, for at der kan opstå en forbrændingsreaktion?

Studerende: For at et stof kan antænde, skal to betingelser være opfyldt: 1) opnåelse af stoffets antændelsestemperatur og 2) adgang til ilt.

Lærer udfører eksperimentet:

Erfaring 1. Brændende alkohol. Hæld noget alkohol i en porcelænskop, sæt den i brand, og dæk derefter koppen tæt med et stykke pap.

Lærer:: Hvorfor går flammen ud, men papiret lyser ikke?

Studerende: Flammen går ud, fordi der ikke er ilt tilgængeligt, papiret lyser ikke op, fordi... antændelsestemperaturen er ikke nået.

Lærer: Hvad er betingelserne for at standse forbrændingsprocessen?

Hvilken type reaktioner er det? Hvad er disse reaktioner baseret på den termiske effekt? Hvilken klasse af stoffer tilhører produkterne af disse reaktioner? Hvilke stoffer kaldes oxider?

Studerende: For at stoppe forbrændingsprocessen skal du enten afkøle stoffet under dets antændelsestemperatur eller stoppe adgangen af ​​ilt til det.

Dyrke motion: Fuldfør de kemiske reaktionsligninger: præsentations slide nr.

+ O2 → CuO

Mg + … → MgO

… + O2 → CO2

CuS + … → SO2 + …

En elev skriver på tavlen, resten i notesbøger, og lav derefter en selvtest.

Livssikkerhedslærer: Kendskab til stoffers forbrændingsforhold er nødvendigt for at en person kan slukke en brand. Årsagen til branden er mange faktorer, og frem for alt er det mange menneskers kemiske analfabetisme, uacceptabel uagtsomhed i udførelsen af ​​uddannelses-, husholdnings- og industridrift, overtrædelse af betingelserne for håndtering af stoffer og energikilder. Hvad er en brand?

Brand er en ukontrolleret kemisk proces, der sker hurtigt ved høje temperaturer, ledsaget af frigivelse af en stor mængde varme, ødelægger materielle aktiver og skaber en fare for menneskeliv. En brand opstår som udgangspunkt på grund af manglende overholdelse af sikkerhedsforanstaltninger ved arbejde med brand og overtrædelse af brandsikkerhedsregler.

Når man slukker en brand med vand, skabes der to forhold: Vand køler varme genstande, og dets dampe gør det svært for ilt at nå dem. For at stoppe adgangen af ​​luft bruges der desuden ofte sand, kulilte (IV), som fås i ildslukkere, og sprængstoffer (under en eksplosion dannes et relativt vakuum, og forbrændingen stopper). Denne teknik bruges ved slukning af brande i tilfælde af brændende olie og dens produkter.

Ilden kan slukkes:

Afkøling af en brændende genstand;

Afslutning af luftadgang til forbrændingskilden;

Fjernelse af brændbare stoffer og genstande fra mulige brandspredningsveje

Studerende: For at slukke en brand skal du bruge vand, skum, carbondioxid, sne, jord, sand og andre bulk ikke-brændbare materialer. Vand er et effektivt brandslukningsmiddel, der er tilgængeligt, billigt og harmløst. Det har en stærk kølende effekt, hvilket kraftigt sænker temperaturen på det brændende legeme. Vand er dog ineffektivt til at slukke brændbare organiske væsker, såsom benzin, petroleum, benzen, olie, som er lettere end vand og ikke blandes med det. Brug ikke vand til at slukke en gasbrand. Vand er også uegnet til slukning af brande i nærværelse af strømførende elektriske installationer. Brug af vand til at slukke brande i dette tilfælde er livsfarligt, da vand er elektrisk ledende. Brændende væsker kan dækkes med sand. Det eliminerer adgangen til ilt og eliminerer flammen. Et mere effektivt brandslukningsmiddel er bagepulver (natriumkarbonat og bikarbonat). Det nedbrydes kl forhøjet temperatur, mens varme absorberes og kuldioxid frigives, der omslutter den brændende genstand.

Solbadning flydende brændstof, smøreolier, samt gasser i luft fra rørledninger og cylindre kan stoppes ved at smide en kappe af brandhæmmende stof eller et tungt tæppe.

Dyrke motion: Hvilke brandslukningsmidler skal bruges? følgende sager: a) en persons tøj brød i brand; b) benzin antændt; c) der var brand i et tømmerlager; d) brød olien i brand på vandoverfladen?

Kemi lærer: Der bør lægges særlig vægt på brandslukningsteknikker, der kan forekomme i kemilaboratoriet. Brandfarlig alkohol og acetone kan slukkes med vand, da de opløses godt i det.

Efter brug fjernes spritlampen først, når flammen er slukket, og den er kølet ned.

Hvis tøj brænder, bør du fjerne det så hurtigt som muligt, rulle det stramt sammen og slukke flammen med sand eller vand. Husk, at hvis dit tøj brænder, skal du ikke løbe eller lave pludselige bevægelser. Ved løb og pludselige bevægelser øges tilgangen af ​​luft, og det fører til en intensivering af forbrændingsprocessen. Hvis det er umuligt at fjerne brændbart tøj, er det nødvendigt at pakke personen tæt ind i en kappe, hælde vand over den eller bruge en ildslukker.

Brandslukkere kan være luftskum eller kuldioxid.

Livssikkerhedslærer: Lad os se på design- og driftsprincippet for en sodavandsildslukker.

Bruges til at slukke brande særligt apparat- brandslukker. En sodavandsildslukker består af en tank fyldt med sodavandsopløsning, en kapsel hvori saltsyre, og en klokke, ved hjælp af hvilken en stærk strøm af kuldioxid ledes til ildskilden. For at aktivere ildslukkeren skal du bryde kapslen, ryste tankens indhold let og lede en strøm af kuldioxid ind i forbrændingszonen.

Livssikkerhedslærer: Hvordan aktiverer man en ildslukker?

Studerende: Det er nødvendigt at løfte starthåndtaget op og flytte det fremad, dreje det 180 0 fra udgangspositionen og derefter dreje ildslukkeren.

Der sker en kemisk reaktion i aktiverede ildslukkere, hvorved en strøm af skum 6-8 m lang udstødes fra hullet. Denne strøm skal ledes til brandkilden. Brandslukkernes virketid er omkring 1 minut. I dette tilfælde frigives næsten 40 liter skum.

Demonstration af ildslukkere og mestring af brugen af ​​dem

Afspejling:

Svar på spørgsmålene:

Hvilke fænomener er ledsaget af forbrænding? (Forbrænding er ledsaget af både fysisk og kemiske fænomener: frigivelse og overførsel af varme, kemisk oxidationsreaktion, frigivelse af forbrændingsprodukter og deres fordeling i miljøet).

Hvordan ændres stoffernes aggregeringstilstand under forbrænding? (Faststoffer bliver til flydende og gasformige stoffer under forbrænding.)

Hvad hedder røg? (Røg er en blanding af gasformige og faste forbrændingsprodukter)

Hvilke røgkomponenter er giftige, dvs. egenskaber, der er skadelige for den menneskelige krop? (Carbonmonoxid (II ), phosphoroxid (V ), formaldehyd, nitrogenoxider, hydrogensulfid, hydrogenchlorid, phosgen, blåsyredamp)

Hvorfor er høj røgtæthed farlig for mennesker? (En høj koncentration af forbrændingsprodukter i røgen reducerer iltprocenten. Når iltindholdet i luften er 14-16 %, opstår der iltsult; 9 % iltindhold er livsfarligt).

Hvorfor slukker vand ild? ( Vand, der har en høj varmekapacitet, kan intensivt absorbere den varme, der frigives under forbrændingen. Vands evne til at slukke en flamme forstærkes yderligere af det faktum, at vand, når det bliver til damp, når det opvarmes, fortynder de stoffer, der reagerer under forbrænding).

Hvilke stoffer eller materialer kender du, der skaber betingelser for at standse forbrændingen? (Vandige opløsninger af salte, skum, sand, flusmidler, talkum, kridt, vanddamp, kuldioxid, nitrogen osv.)

Lektier: Beregn massen af ​​jern og mængden af ​​oxygen (antal), der skal tages for at opnå 0,3 mol jernoxid (III).

Som opsummering af lektionen takker læreren børnene for Aktiv deltagelse, tildelinger og kommentarer til elevernes karakterer.

Side 1

Kemiske forbrændingsreaktioner begynder efter skabelsen af ​​en indledende flammekilde i den forberedte brændstof-luftblanding. I stempelforbrændingsmotorer skabes det enten af ​​en elektrisk gnist eller ved at opvarme brændstofsamlingen til en temperatur, hvor mange indledende flammer spontant opstår i blandingens volumen, og selvantændelse af blandingen sker.  

Den kemiske forbrændingsreaktion forekommer ikke under alle forhold, hvor brændbare gasmolekyler kolliderer med oxygenmolekyler.  

Hvis de kemiske forbrændingsreaktioner ikke er autokatalytiske, kan årsagen til flammeudbredelsen kun være overførsel af varme fra forbrændingsprodukterne fra den uforbrændte blanding. Denne type flammeudbredelse kaldes termisk. Dette udelukker naturligvis ikke muligheden for, at diffusion af reaktanter og reaktionsprodukter sker samtidigt, således at sammensætningen af ​​den reagerende blanding i reaktionszonen afviger fra sammensætningen af ​​den oprindelige blanding. Men i dette tilfælde er diffusion ikke årsagen til flammespredning, men kun en ledsagende faktor. Det gælder især kædereaktioner med ikke-forgrenede kæder. Diffusionen af ​​frie atomer og radikaler, medmindre de er i termodynamisk ligevægt eller i kvasi-stationære koncentrationer, kan ikke være årsagen til udbredelsen af ​​en flamme, som forbliver termisk. Diffusionens rolle er fuldt ud taget i betragtning i en korrekt termisk teori om flammeudbredelse, som det vil blive vist i næste afsnit.  

Hvis de kemiske forbrændingsreaktioner ikke er autokatalytiske, kan årsagen til flammeudbredelsen kun være overførsel af varme fra forbrændingsprodukterne fra den uforbrændte blanding. Denne type flammeudbredelse kaldes termisk. Dette udelukker naturligvis ikke muligheden for, at diffusion af reaktanter og reaktionsprodukter sker samtidigt, således at sammensætningen af ​​den reagerende blanding i reaktionszonen afviger fra sammensætningen af ​​den oprindelige blanding. Men i dette tilfælde er diffusion ikke årsagen til flammespredning, men kun en ledsagende faktor. Det gælder især kædereaktioner med ikke-forgrenede kæder. Diffusionen af ​​frie atomer og radikaler, medmindre de er i termodynamisk ligevægt eller i kvasi-stationære koncentrationer, kan ikke være årsagen til udbredelsen af ​​en flamme, som forbliver termisk. Diffusionens rolle er fuldt ud taget i betragtning i en korrekt termisk teori om flammeudbredelse, som det vil blive vist i næste afsnit.  

Hastigheden af ​​kemiske reaktioner ved gasforbrænding med luft i brændere er meget høj. Disse reaktioner høje temperaturer sker på tusindedele af et sekund. Varigheden af ​​forbrændingen af ​​gas-luftblandingsstrømmen bestemmes af den kontinuerlige tilførsel af friske portioner af gas og luft, som brænder som følge af den hurtige forekomst af oxidationsreaktioner under påvirkning af varmestrømmen.  

Hastigheden af ​​kemiske reaktioner ved gasforbrænding med luft i brændere er meget høj. Disse reaktioner ved høje temperaturer sker i tusindedele af et sekund. Varigheden af ​​forbrændingen af ​​gas-luftblandingsstrømmen bestemmes af den kontinuerlige tilførsel af friske portioner af gas og luft, som brænder som følge af den hurtige forekomst af oxidationsreaktioner under påvirkning af varmestrømmen.  

Kvantitative forhold mellem kemiske forbrændingsreaktioner kan opnås med kendte molekylvægte i stoffer og massefylder p c / 22 4 gasser under normale fysiske forhold.  

Mekanismen for inhibering af kemiske forbrændingsreaktioner er ikke blevet tilstrækkeligt undersøgt. Imidlertid er undersøgelser udført i de sidste år, gør det muligt at danne sig nogle ideer om arten af ​​virkningen af ​​inhibitorer på flammer.  

Lad os antage, at den kemiske forbrændingsreaktion forløber fuldstændigt, og reaktionsprodukterne er vanddamp H20, kuldioxid CO2 eller, i mangel af oxygen, kulilte CO. For en støkiometrisk brint-ilt (eksplosiv) brændbar blanding, divider dannelsesvarmen af ​​vanddamp 58 kcal/mol med varmekapaciteten 8 cal/mol-deg, opnår vi en forbrændingstemperatur på 7250 grader. Ved fuldstændig forbrænding af fast kulstof i oxygen (St 02C02 94 kcal/mol) opnår vi en endnu højere forbrændingstemperatur, 11.750 K. Temperaturer af samme størrelsesorden opnås for andre kulbrintebrændstoffer. De her angivne fantastisk høje forbrændingstemperaturer refererer til stoffets plasmatilstand, de forekommer ikke i virkeligheden; Forbrændingstemperaturerne for iltblandinger varierer fra 3000 til 4000 K.  

Da opvarmningen og den kemiske reaktion ved forbrænding af blandingen forløber meget hurtigt, er den vigtigste faktor, der begrænser varigheden af ​​forbrændingsprocessen, den tid, der bruges på at blande gas og luft.  

Ordninger til organisering af forbrænding af brændbare gasser. Forbrænding. a - kinetisk, b - diffusion, c - blandet.

Da hastigheden af ​​kemiske forbrændingsreaktioner ved høje forbrændingstemperaturer er urimeligt højere end hastigheden af ​​blandingsdannelse, er praktisk talt gasforbrændingshastigheden altid lig med blandingshastigheden af ​​gas med luft. Denne omstændighed gør det muligt nemt at regulere gasforbrændingshastigheden inden for de bredeste grænser. Den blandede metode til forbrænding af brændbare gasser ligger mellem kinetisk og diffusion.  

Derfor er balanceligningen for den kemiske reaktion af brændende stearinlys under visse forhold virkelig det første forsøg på at introducere mængden af ​​varme i beskrivelsen af ​​en kemisk reaktion.  

Når du opstiller ligninger for kemiske reaktioner ved forbrænding af stoffer i luft, skal du gå frem som følger: det brændbare stof og den luft, der er involveret i forbrændingen, er skrevet på venstre side, efter lighedstegnet skrives de resulterende reaktionsprodukter. For eksempel er det nødvendigt at lave en ligning for forbrændingsreaktionen af ​​metan i luft. Skriv først venstre side af reaktionsligningen: den kemiske formel for metan plus kemiske formler stoffer, der udgør luften.  

Handlinger af kemisk omdannelse sker gennem direkte kontakt af reagerende komponenter (molekyler, atomer, radikaler), men kun i tilfælde, hvor deres energi overstiger en vis energigrænse, kaldet aktiveringsenergien E a. Lad os grafisk afbilde ændringen i energi af de reagerende komponenter (brændstof og oxidationsmiddel) og reaktionsprodukter under forbrænding (fig. 1.)

Lad os grafisk afbilde ændringen i energi af de reagerende komponenter (brændstof og oxidationsmiddel) og reaktionsprodukter under forbrænding (fig. 1.)

Figur 1. Ændring i energi af reaktanter og reaktionsprodukter under forbrænding

X-aksen viser forbrændingsreaktionsvejen, og y-aksen viser energien.
er den gennemsnitlige startenergi af de reagerende komponenter,
- gennemsnitlig energi af forbrændingsprodukter.

Kun aktive partikler af brændstof og oxidationsmiddel vil indgå i forbrændingsreaktionen, som vil have den nødvendige energi til at indgå i vekselvirkning, dvs. i stand til at overvinde energibarrieren
. Overskudsenergi af aktive partikler sammenlignet med gennemsnitlig energi
kaldes aktiveringsenergi . Da reaktionerne under forbrænding er eksoterme
. Energiforskellen mellem de resulterende forbrændingsprodukter og udgangsstofferne (brændstof og oxidationsmiddel) bestemmer reaktionens termiske effekt:

D Andelen af ​​aktive molekyler stiger med stigende temperatur i den brændbare blanding.

I fig.2. viser energifordelingen mellem molekyler ved temperatur Hvis vi langs energiaksen markerer en værdi svarende til aktiveringsenergien , så opnår vi fraktionen af ​​aktive molekyler i blandingen ved en given temperatur . Hvis blandingens temperatur under påvirkning af en varmekilde stiger til en værdi , så vil andelen af ​​aktive molekyler stige, og derfor hastigheden af ​​forbrændingsreaktionen.

Der er dog kemiske reaktioner, som ikke kræver væsentlig forvarmning for at udvikle sig. Det er kædereaktioner.

Grundlaget for teorien om kædereaktioner er antagelsen om, at udgangsstofferne ikke omdannes til slutproduktet med det samme, men med dannelsen af ​​aktive mellemprodukter

Produktet af en primær kemisk reaktion har en stor forsyning af energi, som kan spredes i det omgivende rum under kollisionen af ​​molekyler af reaktionsprodukterne eller på grund af stråling, eller kan overføres til molekylerne af de reagerende komponenter og overføre dem til en aktiv tilstand. Disse aktive molekyler (atomer, radikaler) af reagerende stoffer genererer en kæde af reaktioner, hvor energi overføres fra et molekyle til et andet. Derfor kaldes sådanne reaktioner kædereaktioner.

Kemisk aktive molekyler, atomer, radikaler dannet på de elementære stadier af en kædereaktion - kædeled - kaldes aktive centre. De fleste af de aktive centre er atomer og radikaler, som er de mest reaktive. Men som følge af dette er de også ustabile, pga kan indgå i rekombinationsreaktioner med dannelse af lavaktive produkter.

Længden af ​​kæden dannet af et indledende aktivt center kan nå flere hundrede tusinde enheder. De kinetiske mønstre af kædereaktioner afhænger væsentligt af, hvor mange aktive centre der dannes i et led i kæden. Hvis der med deltagelse af det oprindelige aktive center kun dannes ét aktivt center, så kaldes en sådan kædereaktion uforgrenet, men hvis der dannes to eller flere aktive centre i et led af kæden, så kaldes en sådan kædereaktion forgrenet. Hastigheden af ​​forgrenede kædereaktioner stiger som en lavine, hvilket er årsagen til selvaccelerationen af ​​kemiske oxidationsreaktioner under forbrænding, da de fleste af dem er karakteriseret ved en mekanisme af forgrenede kædereaktioner.

Næsten enhver forbrændingsreaktion kan samtidigt have tegn på både en termisk og kædereaktionsmekanisme. Kernedannelsen af ​​de første aktive centre kan være termisk af natur, og reaktionen af ​​aktive partikler med en kædemekanisme fører til frigivelse af varme, opvarmning af den brændbare blanding og termisk kernedannelse af nye aktive centre.

Enhver kædereaktion består af de elementære stadier af initiering, fortsættelse og kædeafslutning.

Kædeinitiering er en endoterm reaktion. Dannelsen af ​​frie radikaler (dvs. atomer eller grupper af atomer med frie valenser, f.eks.
) fra molekyler af udgangsstoffer, muligvis som følge af monomolekylær eller bimolekylær interaktion, samt som følge af enhver uvedkommende påvirkning af den brændbare blanding - indvielse.

Initiering kan udføres ved at tilføje specielle stoffer - initiativtagere, der let danner frie radikaler (for eksempel peroxider, reaktive gasser
), under påvirkning af ioniserende stråling, under påvirkning af lys - fotokemisk initiering. For eksempel vekselvirkningen mellem brint og klor

under normale forhold forløber det ekstremt langsomt og i kraftig belysning ( sollys, brændende magnesium) fortsætter med en eksplosion.

Til reaktioner fortsættelse af kæden Disse er de elementære stadier af en kædereaktion, der fortsætter med bevarelse af fri valens og fører til forbrug af udgangsstoffer og dannelse af reaktionsprodukter.

kæde initiering:

kædegren:

åbent kredsløb:

homogen

heterogen

Under udviklingen af ​​kæden, når koncentrationen af ​​aktive centre bliver tilstrækkelig stor, er det muligt at danne et led, hvori det aktive center vil reagere uden at generere et nyt aktivt center. Dette fænomen kaldes et åbent kredsløb.

Åbent kredsløb kan være homogene og heterogene.

Homogen kædeterminering er mulig enten under interaktionen af ​​radikaler eller atomer med hinanden for at danne stabile produkter, eller under reaktionen af ​​det aktive center med et molekyle fremmed for hovedprocessen uden generering af nye aktive centre.

Heterogen kædeterminering forekommer på beholderens vægge, hvor forbrændingsreaktionen finder sted, eller på overfladen af ​​faste mikropartikler, der er til stede i gasfasen, nogle gange specielt indført (f.eks. som ved slukning med pulvere). Mekanismen for heterogen kædeterminering er forbundet med adsorptionen af ​​aktive centre på overfladen af ​​faste partikler eller materialer. Hastigheden af ​​heterogen kædeterminering afhænger stærkt af forholdet mellem overfladearealet af væggene og volumenet af beholderen, hvor forbrændingen finder sted. Reduktion af beholderens diameter reducerer således hastigheden af ​​forbrændingsreaktionen, indtil dens fuldstændige ophør. Oprettelsen af ​​branddæmpere er baseret på dette.

Et eksempel på en forgrenet kædereaktion er forbrændingen af ​​brint i oxygen.

kæde initiering:

kædegren:

åbent kredsløb:

homogen

Udgivelsesdato 02/10/2013 20:58

Forbrænding er en oxidationsreaktion, der sker ved høj hastighed, som er ledsaget af frigivelse af store mængder varme og som regel en skarp glød, som vi kalder en flamme. Undersøg forbrændingsprocessen fysisk kemi, hvor alle eksoterme processer, der har en selvaccelererende reaktion, anses for at være forbrænding. En sådan selvacceleration kan forekomme på grund af en stigning i temperatur (dvs. har en termisk mekanisme) eller akkumulering af aktive partikler (har en diffusionskarakter).

Forbrændingsreaktionen har et klart træk - tilstedeværelsen af ​​et højtemperaturområde (flamme), begrænset rumligt, hvor det meste af omdannelsen af ​​udgangsstoffer (brændstof) til forbrændingsprodukter finder sted. Denne proces ledsages af frigivelsen af ​​en stor mængde termisk energi. For at starte reaktionen (forekomsten af ​​en flamme), er det nødvendigt at bruge en vis mængde energi på antændelse, så processen er i gang spontant. Dens hastighed afhænger af kemiske egenskaber stoffer, der deltager i reaktionen, samt fra gasdynamiske processer under forbrænding. Forbrændingsreaktionen har visse egenskaber, hvoraf de vigtigste er blandingens brændværdi og den temperatur (kaldet adiabatisk), som teoretisk kunne opnås under fuldstændig forbrænding uden at tage hensyn til varmetab.

Ved aggregeringstilstand oxidationsmiddel og brændstofforbrændingsproces kan klassificeres i en af ​​tre typer. Forbrændingsreaktionen kan være:

Homogen, hvis brændstoffet og oxidationsmidlet (forblandet) er i gasform,

Heterogen, hvor et fast eller flydende brændstof interagerer med et gasformigt oxidationsmiddel,

Forbrændingsreaktionen af ​​krudt og sprængstoffer.

Homogen forbrænding er den enkleste, har en konstant hastighed, afhængig af blandingens sammensætning og molekylære termiske ledningsevne, temperatur og tryk.

Heterogen forbrænding er mest almindelig både i naturen og under kunstige forhold. Dens hastighed afhænger af de specifikke forhold i forbrændingsprocessen og på fysiske egenskaber ingredienser. For flydende brændstoffer er forbrændingshastigheden meget påvirket af fordampningshastigheden, og for fast brændsel - af forgasningshastigheden. For eksempel, når man brænder kul, danner processen to trin. I den første af dem (i tilfælde af relativt langsom opvarmning) frigives flygtige bestanddele af stoffet (kul), i den anden brænder koksresten ud.

Forbrænding af gasser (for eksempel forbrænding af ethan) har sine egne karakteristika. I et gasformigt miljø kan flammer spredes over en stor afstand. Det kan bevæge sig gennem gas med subsonisk hastighed, og denne ejendom iboende ikke kun i et gasformigt miljø, men også i en fint dispergeret blanding af flydende og faste brændbare partikler blandet med et oxidationsmiddel. For at sikre stabil forbrænding i sådanne tilfælde kræves en speciel udformning af ovnanordningen.

Konsekvenserne af forbrændingsreaktionen i et gasformigt miljø er af to typer. Den første er turbulisering af gasstrømmen, hvilket fører til en kraftig stigning i processens hastighed. De resulterende akustiske forstyrrelser af flowet kan føre til næste fase - fremkomsten chokbølge fører til detonation af blandingen. Overgangen af ​​forbrænding til detonationsstadiet afhænger ikke kun af gassens egne egenskaber, men også af systemets størrelse og udbredelsesparametre.

Forbrænding af brændstof bruges i teknologi og industri. Hovedopgaven i dette tilfælde er at opnå maksimal forbrændingseffektivitet (dvs. optimering af varmeafgivelsen) i en given periode. Forbrænding bruges for eksempel i minedrift - metoder til udvikling af forskellige mineraler er baseret på brugen af ​​en brændbar proces. Men under visse naturlige og geologiske forhold kan fænomenet forbrænding blive en faktor, der udgør en alvorlig fare. Den reelle fare er for eksempel processen med spontan forbrænding af tørv, hvilket fører til forekomsten af ​​endogene brande.

Næsten hver dag er vi alle nødt til at håndtere en eller anden manifestation af forbrændingsprocessen. I vores artikel ønsker vi at fortælle mere detaljeret, hvilke funktioner denne proces omfatter fra et videnskabeligt synspunkt.

Det er hovedkomponenten i brandprocessen. En brand begynder med forekomsten af ​​forbrænding, dens udviklingsintensitet er normalt den vej, som ilden tilbagelægger, det vil sige forbrændingshastigheden, og slukning slutter med ophør af forbrænding.

Forbrænding forstås normalt som en eksoterm reaktion mellem et brændstof og et oxidationsmiddel, ledsaget af mindst én af følgende tre faktorer: flamme, glød, røgdannelse. På grund af kompleksiteten af ​​forbrændingsprocessen er denne definition ikke udtømmende. Den tager ikke højde for sådanne de vigtigste funktioner forbrænding, som den hurtige forekomst af den underliggende eksoterme reaktion, dens selvopretholdende natur og evnen til selvudbredelse af processen gennem den brændbare blanding.

Forskellen mellem en langsom eksoterm redoxreaktion (jernkorrosion, rådnende) og forbrænding er, at sidstnævnte sker så hurtigt, at varmen produceres hurtigere, end den spredes. Dette fører til en stigning i temperaturen i reaktionszonen med hundreder og endda tusinder af grader, til en synlig glød og dannelsen af ​​en flamme. I bund og grund er det sådan en flammende forbrænding dannes. Hvis der frigives varme, men der ikke er nogen flamme, kaldes denne proces for ulmning. Det er værd at bemærke, at når nogle stoffer brænder, er flammen ikke synlig, og der er heller ingen røgemission, sådanne stoffer inkluderer brint. For hurtige reaktioner (eksplosiv omdannelse) indgår heller ikke i forbrændingsbegrebet.

En nødvendig betingelse for, at forbrænding kan opstå, er tilstedeværelsen af ​​et brændbart stof, et oxidationsmiddel (i en brand spilles dens rolle af ilt i luften) og en antændelseskilde. For direkte forbrænding skal der eksistere kritiske forhold i forhold til sammensætningen af ​​den brændbare blanding, det brændbare materiales geometri og temperatur, tryk osv. Efter forbrændingen opstår, fungerer selve flammen eller reaktionszonen som antændelseskilde.

For eksempel kan metan oxideres af ilt og frigive varme til methylalkohol og myresyre ved 500-700 K. Men for at reaktionen kan fortsætte, er det nødvendigt at genopbygge varme på grund af ekstern opvarmning. Dette er ikke forbrænding. Når reaktionsblandingen opvarmes til en temperatur over 1000 K, stiger methanoxidationshastigheden så meget, at den frigivne varme bliver tilstrækkelig til at fortsætte reaktionen yderligere, behovet for ekstern varmeforsyning forsvinder, og forbrændingen begynder. Således er forbrændingsreaktionen, når den først opstår, i stand til at støtte sig selv. Dette er den vigtigste særpræg forbrændingsproces. Et andet beslægtet træk er evnen af ​​en flamme, som er en kemisk reaktionszone, til spontant at spredes gennem et brændbart medium eller brændbart materiale med en hastighed, der bestemmes af reaktionsblandingens beskaffenhed og sammensætning, såvel som procesbetingelserne. Dette er hovedmekanismen for brandudvikling.

En typisk forbrændingsmodel er baseret på en oxidationsreaktion organisk stof eller kulstof ved atmosfærisk oxygen. Mange fysiske og kemiske processer ledsager forbrænding. Fysik handler om overførsel af varme til et system. Oxidativ og reduktionsreaktioner dette er en kemisk bestanddel af forbrændingens natur. Fra begrebet forbrænding følger derfor en række kemiske omdannelser, herunder nedbrydning udgangsforbindelser, dissociation og ionisering af produkter.

Kombinationen af ​​et brændbart stof eller materiale med et oxidationsmiddel udgør et brændbart medium. Som et resultat af nedbrydningen af ​​brændbare stoffer under påvirkning af en antændelseskilde dannes en gas-damp-luft-reaktionsblanding. Brændbare blandinger, som i sammensætning (forholdet mellem brændstof- og oxidationskomponenter) svarer til ligningen for en kemisk reaktion, kaldes blandinger af støkiometrisk sammensætning. De er de farligste med hensyn til ild: de antændes lettere, brænder mere intenst, hvilket sikrer fuldstændig forbrænding af stoffet, som et resultat af hvilket de frigiver den maksimale mængde varme.

Ris. 1. Former af diffusionsflammer

a – afbrænding af en jetstrøm, b – afbrænding af spildt væske, c – afbrænding af skovaffald

Baseret på forholdet mellem mængden af ​​brændbart materiale og mængden af ​​oxidationsmiddel skelnes fattige og rige blandinger: dårlige blandinger indeholder en overflod af oxidationsmiddel, rige blandinger - brændbart materiale. Minimal mængde oxidationsmiddel, der kræves til fuldstændig forbrænding af en masseenhed (volumen) af et bestemt brændbart stof, bestemmes af ligningen for en kemisk reaktion. Ved afbrænding med deltagelse af ilt er den nødvendige (specifikke) luftstrømshastighed for de fleste brændbare stoffer i området 4-15 m 3 /kg. Forbrænding af stoffer og materialer er kun mulig, når der er et vist indhold af deres dampe eller gasformige produkter i luften, samt når iltkoncentrationen ikke er lavere end en specificeret grænse.

Så for pap og bomuld sker selvslukking allerede ved 14 vol. % ilt, og polyesteruld - ved 16 vol. %. I forbrændingsprocessen, som i andre kemiske processer, kræves to trin: skabelsen af ​​molekylær kontakt mellem reagenserne og selve vekselvirkningen mellem brændstofmolekyler og oxidationsmidlet for at danne reaktionsprodukter. Hvis omdannelseshastigheden af ​​de indledende reagenser bestemmes af diffusionsprocesser, dvs. overførselshastighed (dampe af brændbare gasser og ilt overføres til reaktionszonen på grund af en koncentrationsgradient i overensstemmelse med Ficks diffusionslove), så kaldes denne forbrændingstilstand diffusion. I fig. 1 er givet forskellige former diffusionsflammer. I diffusionstilstanden er forbrændingszonen sløret, og der dannes en betydelig mængde ufuldstændige forbrændingsprodukter i den. Hvis forbrændingshastigheden kun afhænger af hastigheden af ​​den kemiske reaktion, som er væsentligt højere end diffusionshastigheden, så kaldes forbrændingstilstanden kinetisk. Han er præget af mere høje hastigheder og fuldstændighed af forbrænding og, som en konsekvens, høje hastigheder af varmeafgivelse og flammetemperatur. Dette regime forekommer i forblandede blandinger af brændstof og oxidationsmiddel. Derfor, hvis reagenserne i den kemiske reaktionszone er i den samme (normalt gas) fase, kaldes en sådan forbrænding homogen, når brændstoffet og oxidationsmidlet er i forskellige faser i reaktionszonen, kaldes det heterogent. Forbrændingen af ​​ikke kun gasser er homogen, men også de fleste faste stoffer. Dette forklares ved, at det i reaktionszonen ikke er materialerne selv, der brænder, men deres dampe og gasformige nedbrydningsprodukter. Tilstedeværelsen af ​​en flamme er kendetegn homogen forbrænding.

Eksempler på heterogen forbrænding er forbrænding af kulstof, kulstofholdige trærester og ikke-flygtige metaller, som forbliver i fast tilstand selv ved høje temperaturer. Den kemiske forbrændingsreaktion vil i dette tilfælde ske ved grænsefladen mellem faserne (fast og gasformig). Bemærk, at slutprodukterne ved forbrænding ikke kun kan være oxider, men også fluorider, chlorider, nitrider, sulfider, carbider osv.

Karakteristikaene ved forbrændingsprocessen er varierede. De kan opdeles i følgende grupper: flammens form, størrelse og struktur; flammetemperatur, dens emissivitet; varmeafgivelse og brændværdi; forbrændingshastighed og koncentrationsgrænser for bæredygtig forbrænding mv.

Alle ved, at forbrænding frembringer en glød, der ledsager forbrændingsproduktet.

Lad os overveje to systemer:

• gasformigt system
• kondenseret system

I det første tilfælde, når der sker forbrænding, vil hele processen foregå i flammen, mens i det andet tilfælde vil en del af reaktionerne ske i selve materialet eller dets overflade. Som nævnt ovenfor er der gasser, der kan brænde uden en flamme, men hvis vi betragter faste stoffer, er der også grupper af metaller, der også er i stand til at brænde uden at det ser ud som en flamme.

Den del af flammen med den maksimale værdi, hvor der sker intense transformationer, kaldes flammefronten.

Varmevekslingsprocesser og diffusion af aktive partikler fra forbrændingszonen, som er nøglemekanismerne for flammefrontens bevægelse gennem den brændbare blanding.

Flammeudbredelseshastigheden er normalt opdelt i:

• deflagration (normal), der forekommer ved subsoniske hastigheder (0,05-50 m/s)
• detonation, når hastigheder når 500-3000 m/s.

Ris. 2. Laminær diffusionsflamme

Afhængigt af arten af ​​hastigheden af ​​gasstrømmen, der skaber flammen, skelnes der mellem laminære og turbulente flammer. I en laminar flamme sker der gasbevægelse i forskellige lag, sker alle varme- og masseoverførselsprocesser gennem molekylær diffusion og konvektion. I turbulente flammer udføres processerne med varme- og masseoverførsel hovedsageligt på grund af makroskopisk hvirvelbevægelse. En stearinlysflamme er et eksempel på en laminær diffusionsflamme (fig. 2). Enhver flamme højere end 30 cm vil allerede have tilfældig gasmekanisk ustabilitet, hvilket kommer til udtryk ved synlige hvirvler af røg og flammer.

Ris. 3. Overgang fra laminær til turbulent strømning

Meget et klart eksempel Overgangen af ​​en laminær strømning til en turbulent er en strøm af cigaretrøg (fig. 3), som efter at være steget til en højde på ca. 30 cm får turbulens.

Under brande har flammer en diffusionsturbulent karakter. Tilstedeværelsen af ​​turbulens i flammen øger varmeoverførslen, og blanding påvirker kemiske processer. I en turbulent flamme er forbrændingshastigheden også højere. Dette fænomen gør det vanskeligt at overføre opførsel af små flammer til store flammer med større dybde og højde.

Det er eksperimentelt bevist, at forbrændingstemperaturen af ​​stoffer i luft er meget lavere end forbrændingstemperaturen i et atmosfærisk iltmiljø

I luft vil temperaturen svinge fra 650 til 3100 °C, og i ilt vil temperaturen stige med 500-800 °C.