Ķīmisko reakciju mehānisms degšanas laikā. Degšanas reakcija: kursa iezīmes

Priekšmets : Veidi ķīmiskās reakcijas. Degšanas reakcijas.

Mērķi: Veicināt skolēnu intereses veidošanos par ķīmiju un dzīvības drošību, atklāt starpdisciplināras sakarības, atkārtot ķīmisko reakciju veidus, pilnveidot skolēnu izglītības prasmes sastādot. ķīmiskie vienādojumi, apgūt prasmes darbā ar ugunsdzēšamo aparātu, iepazīties ar ugunsgrēku novēršanas pasākumiem, veicināt prasmju veidošanos salīdzināt un vispārināt, ātri un skaidri formulēt un izteikt savas domas un pielietot savas zināšanas praksē.

Iekārtas un reaģenti : prezentācija nodarbībai, porcelāna krūze, spirts, kartons, sērkociņi, gaisa-putu un oglekļa dioksīda ugunsdzēšamie aparāti.

Nodarbības progress:

Ķīmijas skolotājs: Degšana ir pirmā ķīmiskā reakcija, ar kuru cilvēks iepazinās. Uguns...Vai ir iespējams iedomāties mūsu eksistenci bez uguns? Viņš ienāca mūsu dzīvē un kļuva no tās neatdalāms. Bet tālu no tā Vienmēr , ieskatoties dejojošā liesmu mēlē, domājam par ko lieliska loma spēlēja uguni cilvēka liktenī. Bez uguns cilvēks nevar pagatavot ne ēdienu, ne tēraudu, transports nav iespējams. Bez uguns cilvēks, visticamāk, nebūtu varējis kļūt par cilvēku... “Tikai mācoties kurināt uguni ar berzes palīdzību, cilvēki pirmo reizi piespieda kādu neorganisku dabas spēku kalpot sev,” rakstīja F. Engels.

Degšanas procesa būtība uz ilgu laiku palika dabas noslēpums. Tikai pirms diviem gadsimtiem beidzot bija iespējams iekļūt degšanas noslēpumos. Un visvarenā ķīmija to paveica. Pirms tam maldīgi tika uzskatīts, ka katra viegli uzliesmojoša viela satur īpašu “ugunīgu vielu”, noteiktu mītisku vielu - flogistonu, kas degšanas laikā izdalās no vielas un absorbē gaisu. Tādējādi sadegšana tika uzskatīta par sadalīšanās reakciju.

Patiesībā uguns ir procesa pazīme, kuras laikā degošas vielas mijiedarbojas ar skābekli, lai atbrīvotos liels daudzums siltumu un gaismu. Šo ķīmisko procesu sauc par sadegšanu.

Vingrinājums: Uzrakstiet mijiedarbības vienādojumus ar skābekli: litijs, sērs, ogleklis, fosfors.

Viens skolēns izpilda uzdevumus uz tāfeles. Pārējais ir piezīmju grāmatiņās.

Skolotājs:

Students: Tās ir saliktas reakcijas. Termiskā efekta ziņā tie ir eksotermiski, izdalot siltumu. Degšanas reakciju produkti ir oksīdi. Oksīdi ir bināri savienojumi, kas satur skābekli ar oksidācijas pakāpi -2.

Skolotājs: Kādi nosacījumi ir jāievēro, lai notiktu degšanas reakcija?

Students: Lai viela aizdegtos, ir jāievēro divi nosacījumi: 1) jāsasniedz vielas aizdegšanās temperatūra un 2) jānodrošina skābekļa pieejamība.

Skolotājs veic eksperimentu:

Pieredze 1. Dedzinošs alkohols. Ielejiet spirtu porcelāna krūzē, uzlieciet to uguni un pēc tam cieši pārklājiet krūzi ar kartona loksni.

Skolotājs:: Kāpēc liesma nodziest, bet papīrs neiedegas?

Students: Liesma nodziest, jo nav pieejams papīrs, jo... aizdegšanās temperatūra nav sasniegta.

Skolotājs: Kādi ir sadegšanas procesa apturēšanas nosacījumi?

Kāda veida reakcijas ir šīs? Kādas ir šīs reakcijas, kuru pamatā ir termiskais efekts? Kurai vielu klasei pieder šo reakciju produkti? Kādas vielas sauc par oksīdiem?

Students: Lai apturētu degšanas procesu, viela ir vai nu jāatdzesē zem tās aizdegšanās temperatūras, vai arī jāpārtrauc skābekļa piekļuve tai.

Vingrinājums: Pabeidziet ķīmiskās reakcijas vienādojumus: prezentācijas slaids nr.

+ O2 → CuO

Mg + … → MgO

… + O2 → CO2

CuS + … → SO2 + …

Viens skolēns raksta uz tāfeles, pārējie - piezīmju grāmatiņās, pēc tam veic pašpārbaudi.

Dzīvības drošības skolotājs: Lai cilvēks varētu dzēst ugunsgrēku, ir nepieciešamas zināšanas par vielu degšanas apstākļiem. Ugunsgrēka cēlonis ir daudzi faktori, un galvenokārt tas ir daudzu cilvēku ķīmiskais analfabētisms, nepieļaujama nolaidība izglītības, sadzīves un rūpniecisko darbību veikšanā, vielu un enerģijas avotu apstrādes nosacījumu pārkāpumi. Kas ir uguns?

Ugunsgrēks ir nekontrolēts ķīmisks process, kas strauji notiek augstā temperatūrā, ko pavada liela siltuma daudzuma izdalīšanās, iznīcinot materiālās vērtības un radot briesmas cilvēka dzīvībai. Parasti ugunsgrēks rodas drošības pasākumu neievērošanas, strādājot ar uguni, un ugunsdrošības noteikumu pārkāpšanas dēļ.

Dzēšot uguni ar ūdeni, tiek radīti divi apstākļi: ūdens atdzesē karstos priekšmetus, un tā tvaiki apgrūtina skābekļa nokļūšanu pie tiem. Turklāt, lai apturētu gaisa piekļuvi, bieži izmanto smiltis, oglekļa monoksīdu (IV), ko iegūst ugunsdzēšamos aparātos, un sprāgstvielas (sprādziena laikā veidojas relatīvs vakuums un degšana apstājas). Šo paņēmienu izmanto, dzēšot ugunsgrēkus gadījumos, kad deg eļļa un tās produkti.

Ugunsgrēku var nodzēst:

Degoša objekta atdzesēšana;

Gaisa piekļuves pārtraukšana sadegšanas avotam;

Uzliesmojošu vielu un priekšmetu noņemšana no iespējamiem uguns izplatīšanās ceļiem

Students: Ugunsgrēka dzēšanai izmantojiet ūdeni, putas, oglekļa dioksīds, sniegs, zeme, smiltis un citi beztaras nedegoši materiāli. Ūdens ir efektīvs ugunsdzēšanas līdzeklis, kas ir pieejams, lēts un nekaitīgs. Tam ir spēcīga dzesēšanas iedarbība, strauji pazeminot degošā ķermeņa temperatūru. Taču ūdens neefektīvi dzēš uzliesmojošus organiskos šķidrumus, piemēram, benzīnu, petroleju, benzolu, eļļu, kas ir vieglāki par ūdeni un ar to nesajaucas. Neizmantojiet ūdeni gāzes ugunsgrēka dzēšanai. Ūdens nav piemērots arī ugunsgrēku dzēšanai, ja ir ieslēgtas elektroinstalācijas. Ūdens izmantošana ugunsgrēku dzēšanai šajā gadījumā ir dzīvībai bīstama, jo ūdens ir elektriski vadošs. Degošos šķidrumus var pārklāt ar smiltīm. Tas novērš skābekļa piekļuvi un novērš liesmu. Efektīvāks ugunsdzēšanas līdzeklis ir cepamā soda (nātrija karbonāts un bikarbonāts). Tas sadalās plkst paaugstināta temperatūra, kamēr siltums tiek absorbēts un izdalās oglekļa dioksīds, kas aptver degošo objektu.

Sauļošanās šķidrā degviela, smēreļļas, kā arī gāzes no cauruļvadiem un baloniem var apturēt, uzmetot ugunsdroša auduma apmetni vai smagu segu.

Vingrinājums: Kādi ugunsdzēšanas līdzekļi ir jāizmanto? sekojošos gadījumos: a) aizdegās cilvēka drēbes; b) aizdedzināts benzīns; c) izcēlies ugunsgrēks kokmateriālu noliktavā; d) vai eļļa aizdegās uz ūdens virsmas?

Ķīmijas skolotājs:Īpaša uzmanība jāpievērš ugunsdzēšanas paņēmieniem, kas var rasties ķīmijas laboratorijā. Uzliesmojošu spirtu un acetonu var dzēst ar ūdeni, jo tie tajā labi šķīst.

Pēc lietošanas spirta lampa tiek noņemta tikai pēc liesmas nodzišanas un tā atdzišanas.

Ja apģērbs aizdegas, noņemiet to pēc iespējas ātrāk, cieši satiniet un nodzēsiet liesmu ar smiltīm vai ūdeni. Atcerieties, ka, ja jūsu drēbes aizdegas, jums nevajadzētu skriet vai veikt pēkšņas kustības. Skrienot un pēkšņās kustībās palielinās gaisa piekļuve, un tas noved pie degšanas procesa intensifikācijas. Ja nav iespējams novilkt uzliesmojošu apģērbu, ir nepieciešams cieši ietīt cilvēku apmetnī, apliet ar ūdeni vai izmantot ugunsdzēšamo aparātu.

Ugunsdzēšamie aparāti var būt gaisa putas vai oglekļa dioksīds.

Dzīvības drošības skolotājs: Apskatīsim sodas ugunsdzēšamo aparāta uzbūvi un darbības principu

Izmanto ugunsgrēku dzēšanai īpašs aparāts- ugunsdzēšamais aparāts. Sodas ugunsdzēšamais aparāts sastāv no tvertnes, kas piepildīta ar sodas šķīdumu, kapsulas, kurā sālsskābe, un zvans, ar kura palīdzību spēcīga oglekļa dioksīda plūsma tiek virzīta uz uguns avotu. Lai aktivizētu ugunsdzēšamo aparātu, jums ir jāsalauž kapsula, viegli jāsakrata tvertnes saturs un jānovirza oglekļa dioksīda plūsma degšanas zonā.

Dzīvības drošības skolotājs: Kā aktivizēt ugunsdzēšamo aparātu?

Students: Ir nepieciešams pacelt palaišanas rokturi uz augšu un virzīt uz priekšu, pagriežot to par 180 0 no sākuma stāvokļa, un pēc tam pagriezt ugunsdzēšamo aparātu.

Aktivizētos ugunsdzēšamajos aparātos notiek ķīmiska reakcija, kuras rezultātā no bedres tiek izvadīta putu straume. Šī straume jānovirza uz uguns avotu. Ugunsdzēšamo aparātu darbības ilgums ir aptuveni 1 minūte. Šajā gadījumā izdalās gandrīz 40 litri putu.

Ugunsdzēšamo aparātu demonstrēšana un lietošanas apgūšana

Atspulgs:

Atbildi uz jautājumiem:

Kādas parādības pavada degšana? (Sadegšanu pavada gan fiziska, gan ķīmiskās parādības: siltuma izdalīšanās un pārnese, ķīmiskās oksidācijas reakcija, sadegšanas produktu izdalīšanās un to izplatība vidē).

Kā degšanas laikā mainās vielu agregācijas stāvoklis? (Cietās vielas degšanas laikā pārvēršas šķidrās un gāzveida vielās.)

Kā sauc dūmus? (Dūmi ir gāzveida un cietu sadegšanas produktu maisījums)

Kuras dūmu sastāvdaļas ir toksiskas, t.i. cilvēka ķermenim kaitīgās īpašības? (Oglekļa monoksīds (II ), fosfora oksīds (V ), formaldehīds, slāpekļa oksīdi, sērūdeņradis, hlorūdeņradis, fosgēns, ciānūdeņražskābes tvaiki)

Kāpēc augsts dūmu blīvums ir bīstams cilvēkiem? (Liela sadegšanas produktu koncentrācija dūmos samazina skābekļa procentuālo daudzumu. Kad skābekļa saturs gaisā ir 14-16%, rodas skābekļa bads; 9% skābekļa saturs ir dzīvībai bīstams).

Kāpēc ūdens dzēš uguni? ( Ūdens, kam ir augsta siltumietilpība, var intensīvi absorbēt degšanas laikā izdalīto siltumu. Ūdens spēju nodzēst liesmu vēl vairāk pastiprina fakts, ka, sildot pārvēršoties tvaikā, ūdens atšķaida vielas, kas reaģē degšanas laikā).

Kādas vielas vai materiālus jūs zināt, kas rada apstākļus degšanas pārtraukšanai? (Sāļu, putu, smilšu, kušņu, talka, krīta, ūdens tvaiku, oglekļa dioksīda, slāpekļa u.c. ūdens šķīdumi)

Mājas darbs: Aprēķiniet dzelzs masu un skābekļa tilpumu (nr.), kas jāņem, lai iegūtu 0,3 molus dzelzs oksīda (III).

Apkopojot stundu, skolotāja pateicas bērniem par aktīva līdzdalība, piešķir un komentē skolēnu atzīmes.

1. lapa

Ķīmiskās sadegšanas reakcijas sākas pēc sākotnējā liesmas avota radīšanas sagatavotajā degvielas un gaisa maisījumā. Virzuļa iekšdedzes dzinējos to rada vai nu ar elektrisko dzirksteli, vai arī uzsildot degvielas komplektu līdz temperatūrai, pie kuras maisījuma tilpumā spontāni parādās daudzas sākotnējās liesmas un notiek maisījuma pašaizdegšanās.  

Ķīmiskā sadegšanas reakcija nenotiek visos apstākļos, kad degošās gāzes molekulas saduras ar skābekļa molekulām.  

Ja ķīmiskās sadegšanas reakcijas nav autokatalītiskas, tad liesmas izplatīšanās cēlonis var būt tikai siltuma pārnešana no nesadegušā maisījuma sadegšanas produktiem. Šo liesmas izplatīšanās veidu sauc par termisko. Tas, protams, neizslēdz iespēju, ka reaģentu un reakcijas produktu difūzija notiek vienlaicīgi, tā ka reaģējošā maisījuma sastāvs reakcijas zonā atšķiras no sākotnējā maisījuma sastāva. Bet šajā gadījumā difūzija nav liesmas izplatīšanās cēlonis, bet tikai pavadošais faktors. Jo īpaši tas attiecas uz ķēdes reakcijām ar nesazarotām ķēdēm. Brīvo atomu un radikāļu difūzija, ja vien tie nav termodinamiskā līdzsvarā vai kvazistacionārā koncentrācijā, nevar būt par iemeslu liesmas izplatībai, kas paliek termiska. Difūzijas loma ir pilnībā ņemta vērā pareizajā liesmas izplatīšanās termiskajā teorijā, kā tas tiks parādīts nākamajā sadaļā.  

Ja ķīmiskās sadegšanas reakcijas nav autokatalītiskas, tad liesmas izplatīšanās cēlonis var būt tikai siltuma pārnešana no nesadegušā maisījuma sadegšanas produktiem. Šo liesmas izplatīšanās veidu sauc par termisko. Tas, protams, neizslēdz iespēju, ka reaģentu un reakcijas produktu difūzija notiek vienlaicīgi, tā ka reaģējošā maisījuma sastāvs reakcijas zonā atšķiras no sākotnējā maisījuma sastāva. Bet šajā gadījumā difūzija nav liesmas izplatīšanās cēlonis, bet tikai pavadošais faktors. Jo īpaši tas attiecas uz ķēdes reakcijām ar nesazarotām ķēdēm. Brīvo atomu un radikāļu difūzija, ja vien tie nav termodinamiskā līdzsvarā vai kvazistacionārā koncentrācijā, nevar būt par iemeslu liesmas izplatībai, kas paliek termiska. Difūzijas loma ir pilnībā ņemta vērā pareizajā liesmas izplatīšanās termiskajā teorijā, kā tas tiks parādīts nākamajā sadaļā.  

Gāzes sadegšanas ķīmisko reakciju ātrums ar gaisu degļos ir ļoti augsts. Šīs reakcijas augstas temperatūras notiek sekundes tūkstošdaļās. Gāzes-gaisa maisījuma plūsmas degšanas ilgumu nosaka nepārtraukta svaigu gāzes un gaisa porciju padeve, kas sadedzina strauju oksidācijas reakciju rezultātā siltuma plūsmas ietekmē.  

Gāzes sadegšanas ķīmisko reakciju ātrums ar gaisu degļos ir ļoti augsts. Šīs reakcijas augstā temperatūrā notiek sekundes tūkstošdaļās. Gāzes-gaisa maisījuma plūsmas degšanas ilgumu nosaka nepārtraukta svaigu gāzes un gaisa porciju padeve, kas sadedzina strauju oksidācijas reakciju rezultātā siltuma plūsmas ietekmē.  

Ķīmisko sadegšanas reakciju kvantitatīvās attiecības var iegūt ar zināmiem molekulmasas i vielas un blīvumi p c / 22 4 gāzes normālos fizikālos apstākļos.  

Ķīmisko sadegšanas reakciju kavēšanas mehānisms nav pietiekami pētīts. Tomēr pētījumi, kas veikti gadā pēdējos gados, ļauj veidot dažas idejas par inhibitoru iedarbības raksturu uz liesmām.  

Pieņemsim, ka ķīmiskā sadegšanas reakcija norit pilnībā un reakcijas produkti ir ūdens tvaiki H20, oglekļa dioksīds CO2 vai, ja nav skābekļa, oglekļa monoksīds CO. Stehiometriskajam ūdeņraža-skābekļa (sprādzienbīstamam) degmaisījumam, dalot ūdens tvaiku veidošanās siltumu 58 kcal/mol ar siltumietilpību 8 cal/mol-deg iegūstam 7250 grādu degšanas temperatūru. Cietā oglekļa pilnīgai sadegšanai skābeklī (St 02C02 94 kcal/mol) iegūstam vēl augstāku sadegšanas temperatūru, 11 750 K. Tādas pašas kārtas temperatūras iegūst arī citām ogļūdeņražu degvielām. Šeit norādītās fantastiski augstās sadegšanas temperatūras attiecas uz vielas plazmas stāvokli, kas patiesībā nenotiek; Skābekļa maisījumu sadegšanas temperatūra svārstās no 3000 līdz 4000 K.  

Tā kā maisījuma sadegšanas karsēšana un ķīmiskā reakcija norit ļoti ātri, galvenais degšanas procesa ilgumu ierobežojošais faktors ir laiks, kas pavadīts gāzes un gaisa sajaukšanai.  

Uzliesmojošu gāzu sadegšanas organizēšanas shēmas. Degšana. a - kinētisks, b - difūzija, c - jaukts.

Tā kā ķīmisko sadegšanas reakciju ātrums augstās degšanas temperatūrās ir nesamērojami lielāks par maisījuma veidošanās ātrumu, praktiski gāzes sadegšanas ātrums vienmēr ir vienāds ar gāzes sajaukšanās ātrumu ar gaisu. Šis apstāklis ​​ļauj viegli regulēt gāzes sadegšanas ātrumu visplašākajās robežās. Uzliesmojošu gāzu sadedzināšanas jauktā metode ir starpposms starp kinētisko un difūziju.  

Tāpēc līdzsvara vienādojums degošu sveču ķīmiskajai reakcijai noteiktos apstākļos patiešām ir pirmais mēģinājums ieviest siltuma daudzumu ķīmiskās reakcijas aprakstā.  

Sastādot vienādojumus vielu ķīmiskajām sadegšanas reakcijām gaisā, rīkojieties šādi: kreisajā pusē raksta degošu vielu un degšanā iesaistīto gaisu, aiz vienādības zīmes raksta iegūtos reakcijas produktus. Piemēram, ir nepieciešams izveidot vienādojumu metāna sadegšanas reakcijai gaisā. Vispirms pierakstiet reakcijas vienādojuma kreiso pusi: metāna plus ķīmisko formulu ķīmiskās formulas vielas, kas veido gaisu.  

Ķīmiskās transformācijas akti notiek tiešā saskarē ar reaģējošām sastāvdaļām (molekulām, atomiem, radikāļiem), bet tikai gadījumos, kad to enerģija pārsniedz noteiktu enerģijas robežu, ko sauc par aktivācijas enerģiju E a. Grafiski attēlosim reaģējošo komponentu (degvielas un oksidētāja) un reakcijas produktu enerģijas izmaiņas degšanas laikā (1. att.)

Grafiski attēlosim reaģējošo komponentu (degvielas un oksidētāja) un reakcijas produktu enerģijas izmaiņas degšanas laikā (1. att.)

1. attēls. Reaģentu un reakcijas produktu enerģijas izmaiņas degšanas laikā

X ass parāda degšanas reakcijas ceļu, bet y ass parāda enerģiju.
ir reaģējošo komponentu vidējā sākotnējā enerģija,
- sadegšanas produktu vidējā enerģija.

Degšanas reakcijā iekļūs tikai aktīvās degvielas un oksidētāja daļiņas, kurām būs enerģija, kas nepieciešama mijiedarbībai, t.i. kas spēj pārvarēt enerģijas barjeru
. Aktīvo daļiņu enerģijas pārpalikums salīdzinājumā ar vidējo enerģiju
, sauc par aktivizācijas enerģiju . Tā kā degšanas laikā notiekošās reakcijas ir eksotermiskas
. Enerģijas starpība starp iegūtajiem sadegšanas produktiem un izejvielām (degvielu un oksidētāju) nosaka reakcijas termisko efektu:

D Aktīvo molekulu īpatsvars palielinās, palielinoties degošā maisījuma temperatūrai.

2. att. parāda enerģijas sadalījumu starp molekulām temperatūrā Ja pa enerģijas asi atzīmējam vērtību, kas vienāda ar aktivizācijas enerģiju , tad iegūstam aktīvo molekulu daļu maisījumā noteiktā temperatūrā . Ja siltuma avota ietekmē maisījuma temperatūra paaugstinās līdz vērtībai , tad palielināsies aktīvo molekulu īpatsvars un līdz ar to arī sadegšanas reakcijas ātrums.

Tomēr ir ķīmiskas reakcijas, kuru attīstībai nav nepieciešama būtiska iepriekšēja uzsildīšana. Tās ir ķēdes reakcijas.

Ķēdes reakciju teorijas pamatā ir pieņēmums, ka izejvielas galaproduktā nepārvēršas uzreiz, bet gan veidojoties aktīviem starpproduktiem.

Primārās ķīmiskās reakcijas produktam ir liels enerģijas pieplūdums, kas reakcijas produktu molekulu sadursmes laikā vai starojuma ietekmē var izkliedēties apkārtējā telpā vai pārnest uz reaģējošo komponentu molekulām, pārnesot tās. uz aktīvu stāvokli. Šīs reaģējošo vielu aktīvās molekulas (atomi, radikāļi) ģenerē reakciju ķēdi, kurā enerģija tiek pārnesta no vienas molekulas uz otru. Tāpēc šādas reakcijas sauc par ķēdes reakcijām.

Ķīmiski aktīvās molekulas, atomi, radikāļi, kas veidojas ķēdes reakcijas elementārajās stadijās – ķēdes posmos – tiek saukti par aktīvajiem centriem. Lielākā daļa aktīvo centru ir atomi un radikāļi, kas ir visaktīvākie. Bet tā rezultātā tie ir arī nestabili, jo var iesaistīties rekombinācijas reakcijās, veidojot zemas aktivitātes produktus.

Viena sākotnējā aktīva centra veidotās ķēdes garums var sasniegt vairākus simtus tūkstošu vienību. Ķēdes reakciju kinētiskie modeļi ir būtiski atkarīgi no tā, cik aktīvo centru veidojas vienā ķēdes posmā. Ja, piedaloties sākotnējam aktīvajam centram, veidojas tikai viens aktīvais centrs, tad šādu ķēdes reakciju sauc par nesazarotu, bet, ja vienā ķēdes posmā veidojas divi vai vairāki aktīvie centri, tad šādu ķēdes reakciju sauc. sazarots. Sazaroto ķēdes reakciju ātrums palielinās kā lavīna, kas ir iemesls ķīmisko oksidācijas reakciju pašpaātrinājumam degšanas laikā, jo vairumam no tām ir raksturīgs sazarotu ķēdes reakciju mehānisms.

Gandrīz jebkurai degšanas reakcijai vienlaikus var būt gan termiskās, gan ķēdes reakcijas mehānisma pazīmes. Pirmo aktīvo centru kodolu veidošanās pēc būtības var būt termiska, un aktīvo daļiņu reakcija ar ķēdes mehānismu izraisa siltuma izdalīšanos, degošā maisījuma karsēšanu un jaunu aktīvo centru termisko kodolu veidošanos.

Jebkura ķēdes reakcija sastāv no sākuma, turpinājuma un ķēdes pārtraukšanas elementārajiem posmiem.

Ķēdes uzsākšana ir endotermiska reakcija. Brīvo radikāļu veidošanās (t.i., atomi vai atomu grupas ar brīvām valencēm, piemēram,
) no izejvielu molekulām, iespējams, monomolekulāras vai bimolekulāras mijiedarbības rezultātā, kā arī jebkādas svešas ietekmes rezultātā uz degošo maisījumu - iniciācija.

Iniciāciju var veikt, pievienojot īpašas vielas - iniciatori kas viegli veido brīvos radikāļus (piemēram, peroksīdus, reaktīvās gāzes
), jonizējošā starojuma ietekmē, gaismas ietekmē - fotoķīmiskā iniciācija. Piemēram, ūdeņraža mijiedarbība ar hloru

normālos apstākļos tas notiek ārkārtīgi lēni un spēcīgā apgaismojumā ( saules gaisma, sadedzinot magniju) notiek ar sprādzienu.

Uz reakcijām ķēdes turpinājums Tie ir ķēdes reakcijas elementārie posmi, kas turpinās ar brīvās valences saglabāšanu un noved pie izejvielu patēriņa un reakcijas produktu veidošanās.

ķēdes uzsākšana:

ķēdes atzars:

atvērta ķēde:

viendabīgs

neviendabīgs

Ķēdes attīstības gaitā, kad aktīvo centru koncentrācija kļūst pietiekami liela, ir iespējams izveidot saiti, kurā aktīvais centrs reaģēs, neģenerējot jaunu aktīvo centru. Šo parādību sauc par atvērtu ķēdi.

Atvērta ķēde var būt viendabīga un neviendabīga.

Homogēna ķēdes pārtraukšana ir iespējama vai nu radikāļu vai atomu mijiedarbības laikā, veidojot stabilus produktus, vai arī aktīvā centra reakcijas laikā ar galvenajam procesam svešu molekulu, neveidojot jaunus aktīvo centrus.

Heterogēna ķēdes pārtraukšana notiek uz trauka sienām, kur notiek sadegšanas reakcija, vai uz cieto mikrodaļiņu virsmas, kas atrodas gāzes fāzē un dažreiz tiek ievietotas īpaši (piemēram, dzēšot ar pulveriem). Neviendabīgas ķēdes pārtraukšanas mehānisms ir saistīts ar aktīvo centru adsorbciju uz cieto daļiņu vai materiālu virsmas. Neviendabīgas ķēdes pārtraukšanas ātrums lielā mērā ir atkarīgs no sienu virsmas laukuma attiecības pret trauka tilpumu, kurā notiek degšana. Tādējādi tvertnes diametra samazināšana ievērojami samazina sadegšanas reakcijas ātrumu līdz tās pilnīgai izbeigšanai. Uz to balstās ugunsdzēsēju izveide.

Sazarotās ķēdes reakcijas piemērs ir ūdeņraža sadegšana skābeklī.

ķēdes uzsākšana:

ķēdes atzars:

atvērta ķēde:

viendabīgs

Publicēšanas datums 10.02.2013 20:58

Degšana ir oksidācijas reakcija, kas notiek lielā ātrumā, ko pavada liela siltuma daudzuma izdalīšanās un, kā likums, spilgts spīdums, ko mēs saucam par liesmu. Izpētiet degšanas procesu fizikālā ķīmija, kurā visi eksotermiskie procesi, kuriem ir pašpaātrinoša reakcija, tiek uzskatīti par degšanu. Šāds pašpaātrinājums var rasties temperatūras paaugstināšanās dēļ (t.i., tam ir termiskais mehānisms) vai aktīvo daļiņu uzkrāšanās (tam ir difūzijas raksturs).

Degšanas reakcijai ir skaidra iezīme - telpiski ierobežota augstas temperatūras zonas (liesmas) klātbūtne, kurā notiek lielākā daļa izejvielu (degvielas) pārvēršanās sadegšanas produktos. Šo procesu pavada liela daudzuma siltumenerģijas izdalīšanās. Lai sāktu reakciju (liesmas parādīšanos), ir nepieciešams iztērēt noteiktu enerģijas daudzumu aizdedzināšanai, tad process notiek spontāni. Tās ātrums ir atkarīgs no ķīmiskās īpašības vielas, kas piedalās reakcijā, kā arī no gāzu dinamiskiem procesiem degšanas laikā. Degšanas reakcijai ir noteiktas īpašības, no kurām svarīgākās ir maisījuma siltumspēja un temperatūra (ko sauc par adiabātisko), ko teorētiski varētu sasniegt pilnīgas sadegšanas laikā, neņemot vērā siltuma zudumus.

Autors agregācijas stāvoklis oksidētāju un degvielas sadegšanas procesus var iedalīt vienā no trim veidiem. Degšanas reakcija var būt:

Homogēns, ja degviela un oksidētājs (iepriekš sajaukts) ir gāzveida stāvoklī,

Heterogēns, kurā cietais vai šķidrais kurināmais mijiedarbojas ar gāzveida oksidētāju,

Šaujampulvera un sprāgstvielu degšanas reakcija.

Homogēnā sadegšana ir visvienkāršākā, tai ir nemainīgs ātrums atkarībā no maisījuma sastāva un molekulārās siltumvadītspējas, temperatūras un spiediena.

Neviendabīga degšana ir visizplatītākā gan dabā, gan mākslīgos apstākļos. Tā ātrums ir atkarīgs no konkrētajiem sadegšanas procesa apstākļiem un tālāk fiziskās īpašības sastāvdaļas. Šķidrajam kurināmajam sadegšanas ātrumu lielā mērā ietekmē iztvaikošanas ātrums, bet cietajam kurināmajam - gazifikācijas ātrums. Piemēram, sadedzinot ogles, process veido divus posmus. Pirmajā no tiem (relatīvi lēnas karsēšanas gadījumā) izdalās vielas gaistošās sastāvdaļas (ogles), otrajā izdeg koksa atlikumi.

Gāzu sadegšanai (piemēram, etāna sadegšanai) ir savas īpašības. Gāzveida vidē liesmas var izplatīties lielā attālumā. Tas var pārvietoties pa gāzi zemskaņas ātrumā un šo īpašumu raksturīgs ne tikai gāzveida videi, bet arī smalki izkliedētam šķidru un cietu uzliesmojošu daļiņu maisījumam, kas sajaukts ar oksidētāju. Lai šādos gadījumos nodrošinātu stabilu degšanu, ir nepieciešams īpašs krāsns ierīces dizains.

Sekas, ko izraisa degšanas reakcija gāzveida vidē, ir divu veidu. Pirmais ir gāzes plūsmas turbulizācija, kas izraisa strauju procesa ātruma palielināšanos. No tā izrietošie plūsmas akustiskie traucējumi var novest pie nākamā posma – rašanās triecienvilnis izraisot maisījuma detonāciju. Degšanas pāreja uz detonācijas stadiju ir atkarīga ne tikai no pašas gāzes īpašībām, bet arī no sistēmas izmēra un izplatīšanās parametriem.

Degvielas sadedzināšana tiek izmantota tehnoloģijā un rūpniecībā. Galvenais uzdevums šajā gadījumā ir sasniegt maksimālu sadegšanas efektivitāti (t.i., siltuma izdalīšanas optimizāciju) noteiktā laika posmā. Degšana tiek izmantota, piemēram, ieguves rūpniecībā - dažādu derīgo izrakteņu izstrādes metodes ir balstītas uz degoša procesa izmantošanu. Bet noteiktos dabas un ģeoloģiskos apstākļos degšanas parādība var kļūt par faktoru, kas rada nopietnas briesmas. Reālas briesmas, piemēram, ir kūdras spontānas sadegšanas process, kas izraisa endogēno ugunsgrēku rašanos.

Gandrīz katru dienu mums visiem nākas saskarties ar vienu vai otru degšanas procesa izpausmi. Mūsu rakstā mēs vēlamies sīkāk pastāstīt, kādas funkcijas šis process ietver no zinātniskā viedokļa.

Tā ir galvenā ugunsgrēka procesa sastāvdaļa. Ugunsgrēks sākas ar degšanas rašanos, tā attīstības intensitāte parasti ir uguns ceļš, tas ir, degšanas ātrums, un dzēšana beidzas ar degšanas pārtraukšanu.

Degšanu parasti saprot kā eksotermisku reakciju starp degvielu un oksidētāju, ko pavada vismaz viens no šādiem trim faktoriem: liesma, svelme, dūmu veidošanās. Sadegšanas procesa sarežģītības dēļ šī definīcija nav izsmeļoša. Tā neņem vērā tādus svarīgākās funkcijas sadegšana, kā pamatā esošās eksotermiskās reakcijas strauja rašanās, tās pašpietiekamība un procesa pašpavairošanas spēja ar degošo maisījumu.

Atšķirība starp lēnu eksotermisku redoksreakciju (dzelzs korozija, puves) un degšanu ir tāda, ka pēdējā notiek tik ātri, ka siltums tiek ražots ātrāk, nekā tas tiek izkliedēts. Tas izraisa temperatūras paaugstināšanos reakcijas zonā par simtiem un pat tūkstošiem grādu, redzamu mirdzumu un liesmas veidošanos. Būtībā tā veidojas liesmas sadegšana Ja izdalās siltums, bet liesmas nav, tad šo procesu sauc par gruzdēšanu. Abos procesos notiek vielu pilnīgas vai nepilnīgas sadegšanas aerosols. Ir vērts atzīmēt, ka, sadedzinot dažas vielas, liesma nav redzama, kā arī nav dūmu emisijas, piemēram, ūdeņradis. Pārāk ātras reakcijas (sprādzienbīstama transformācija) arī nav iekļautas degšanas jēdzienā.

Nepieciešams nosacījums, lai degšana notiktu, ir uzliesmojoša viela, oksidētājs (ugunsgrēkā tā lomu spēlē gaisā esošais skābeklis) un aizdegšanās avots. Lai notiktu tieša sadegšana, ir jābūt kritiskiem apstākļiem attiecībā uz degošā maisījuma sastāvu, degošā materiāla ģeometriju un temperatūru, spiedienu utt. Pēc sadegšanas liesma vai reakcijas zona darbojas kā aizdegšanās avots.

Piemēram, metānu var oksidēt skābeklis, izdalot siltumu metilspirts un skudrskābi pie 500-700 K. Tomēr, lai reakcija turpinātos, ir nepieciešams papildināt siltumu ārējās sildīšanas dēļ. Tā nav sadegšana. Karsējot reakcijas maisījumu līdz temperatūrai virs 1000 K, metāna oksidēšanās ātrums palielinās tik daudz, ka izdalītais siltums kļūst pietiekams reakcijas tālākai turpināšanai, zūd nepieciešamība pēc ārējās siltuma padeves un sākas degšana. Tādējādi degšanas reakcija, tiklīdz tā notiek, pati sevi spēj uzturēt. Šis ir galvenais atšķirīga iezīme degšanas process. Vēl viena saistīta iezīme ir liesmas, kas ir ķīmiskās reakcijas zona, spēja spontāni izplatīties caur uzliesmojošu vidi vai degošu materiālu ar ātrumu, ko nosaka reakcijas maisījuma raksturs un sastāvs, kā arī procesa apstākļi. Tas ir galvenais ugunsgrēka attīstības mehānisms.

Tipisks sadegšanas modelis ir balstīts uz oksidācijas reakciju organisko vielu vai ogleklis ar skābekli gaisā. Degšanu pavada daudzi fizikāli un ķīmiski procesi. Fizika ir saistīta ar siltuma pārnesi sistēmā. Oksidācijas un samazināšanas reakcijas tā ir degšanas rakstura ķīmiskā sastāvdaļa. Tādējādi no sadegšanas jēdziena izriet dažādas ķīmiskās pārvērtības, tostarp sadalīšanās izejas savienojumi, produktu disociācija un jonizācija.

Uzliesmojošas vielas vai materiāla kombinācija ar oksidētāju veido uzliesmojošu vidi. Uzliesmojošu vielu sadalīšanās rezultātā aizdegšanās avota ietekmē veidojas gāzes-tvaiku-gaisa reakcijas maisījums. Degošos maisījumus, kas pēc sastāva (degvielas un oksidētāja komponentu attiecība) atbilst ķīmiskās reakcijas vienādojumam, sauc par stehiometriskā sastāva maisījumiem. Tie ir visbīstamākie ugunsgrēka ziņā: tie vieglāk uzliesmo, intensīvāk deg, nodrošinot pilnīgu vielas sadegšanu, kā rezultātā izdalās maksimālais siltuma daudzums.

Rīsi. 1. Difūzijas liesmu formas

a – strūklas dedzināšana, b – izlijuša šķidruma dedzināšana, c – meža pakaišu dedzināšana

Pamatojoties uz degošā materiāla daudzuma un oksidētāja tilpuma attiecību, tiek izdalīti slikti un bagāti maisījumi: slikti maisījumi satur daudz oksidētāju, bagāti maisījumi - uzliesmojošs materiāls. Minimālais daudzums Oksidētājs, kas nepieciešams konkrētas degošās vielas masas (tilpuma) vienības pilnīgai sadegšanai, tiek noteikts ar ķīmiskās reakcijas vienādojumu. Dedzinot ar skābekļa piedalīšanos, nepieciešamais (īpatnējais) gaisa plūsmas ātrums lielākajai daļai degošu vielu ir robežās no 4-15 m 3 /kg. Vielu un materiālu sadegšana iespējama tikai tad, kad gaisā ir noteikts to tvaiku vai gāzveida produktu saturs, kā arī tad, kad skābekļa koncentrācija nav zemāka par noteikto robežu.

Tātad kartonam un kokvilnai pašizdziestība notiek jau pie 14 tilp. % skābekļa un poliestera vate - pie 16 tilp. %. Degšanas procesā, tāpat kā citos ķīmiskajos procesos, ir nepieciešami divi posmi: molekulārā kontakta izveidošana starp reaģentiem un pati degvielas molekulu mijiedarbība ar oksidētāju, veidojot reakcijas produktus. Ja sākotnējo reaģentu transformācijas ātrumu nosaka difūzijas procesi, t.i. pārneses ātrums (degošo gāzu un skābekļa tvaiki tiek pārnesti uz reakcijas zonu koncentrācijas gradienta dēļ saskaņā ar Fika difūzijas likumiem), tad šo degšanas režīmu sauc par difūziju. Attēlā 1 tiek doti dažādas formas difūzijas liesmas. Difūzijas režīmā degšanas zona ir izplūdusi, un tajā veidojas ievērojams daudzums nepilnīgu sadegšanas produktu. Ja sadegšanas ātrums ir atkarīgs tikai no ķīmiskās reakcijas ātruma, kas ir ievērojami lielāks par difūzijas ātrumu, tad degšanas režīmu sauc par kinētisko. Viņu raksturo vairāk lieli ātrumi un sadegšanas pilnīgums un līdz ar to augsts siltuma izdalīšanās ātrums un liesmas temperatūra. Šis režīms notiek iepriekš sajauktos degvielas un oksidētāja maisījumos. Līdz ar to, ja ķīmiskās reakcijas zonā reaģenti atrodas vienā (parasti gāzes) fāzē, tad tādu degšanu sauc par viendabīgu, kad degviela un oksidētājs atrodas dažādās fāzēs reakcijas zonā, to sauc par neviendabīgu. Viendabīga ir ne tikai gāzu sadegšana, bet arī lielākā daļa cieto vielu. Tas izskaidrojams ar to, ka reakcijas zonā deg nevis paši materiāli, bet gan to tvaiki un gāzveida sadalīšanās produkti. Liesmas klātbūtne ir pazīme viendabīga degšana.

Neviendabīgas sadegšanas piemēri ir oglekļa, oglekli saturošu koksnes atlikumu un negaistošu metālu sadegšana, kas saglabājas cietā stāvoklī pat augstā temperatūrā. Ķīmiskā sadegšanas reakcija šajā gadījumā notiks saskarnē starp fāzēm (cietā un gāzveida). Ņemiet vērā, ka sadegšanas galaprodukti var būt ne tikai oksīdi, bet arī fluorīdi, hlorīdi, nitrīdi, sulfīdi, karbīdi utt.

Degšanas procesa īpašības ir dažādas. Tos var iedalīt šādās grupās: liesmas forma, izmērs un struktūra; liesmas temperatūra, tās izstarošanās spēja; siltuma izdalīšanās un siltumspēja; degšanas ātrums un ilgtspējīgas sadegšanas koncentrācijas robežas utt.

Ikviens zina, ka degšana rada mirdzumu, kas pavada sadegšanas produktu.

Apskatīsim divas sistēmas:

• gāzveida sistēma
• kondensētā sistēma

Pirmajā gadījumā, kad notiek sadegšana, viss process notiks liesmā, bet otrajā gadījumā daļa reakciju notiks pašā materiālā vai tā virsmā. Kā minēts iepriekš, ir gāzes, kas var sadegt bez liesmas, bet, ja ņemam vērā cietās vielas, ir arī metālu grupas, kas arī spēj sadegt bez liesmas parādīšanās.

Liesmas daļu ar maksimālo vērtību, kurā notiek intensīvas pārvērtības, sauc par liesmas fronti.

Siltuma apmaiņas procesi un aktīvo daļiņu difūzija no degšanas zonas, kas ir galvenie mehānismi liesmas frontes kustībai caur degošo maisījumu.

Liesmas izplatīšanās ātrumu parasti iedala:

• deflagrācija (normāla), kas notiek ar zemskaņas ātrumu (0,05–50 m/s)
• detonācija, kad ātrumi sasniedz 500-3000 m/s.

Rīsi. 2. Laminārās difūzijas liesma

Atkarībā no gāzes plūsmas ātruma rakstura, kas rada liesmu, izšķir lamināras un turbulentas liesmas. Laminārā liesmā notiek gāzes kustība dažādi slāņi, visi siltuma un masas pārneses procesi notiek molekulārās difūzijas un konvekcijas ceļā. Turbulentās liesmās siltuma un masas pārneses procesi tiek veikti galvenokārt makroskopiskas virpuļa kustības dēļ. Sveces liesma ir lamināras difūzijas liesmas piemērs (2. att.). Jebkurai liesmai, kas ir augstāka par 30 cm, jau būs nejauša gāzes mehāniskā nestabilitāte, kas izpaužas kā redzami dūmu un liesmas virpuļi.

Rīsi. 3. Pāreja no lamināras plūsmas uz turbulentu plūsmu

Ļoti skaidrs piemērs Lamināras plūsmas pāreja uz turbulentu ir cigarešu dūmu straume (3. att.), kas, pacēlusies apmēram 30 cm augstumā, iegūst turbulenci.

Ugunsgrēku laikā liesmām ir difūzijas nemierīgs raksturs. Turbulences klātbūtne liesmā palielina siltuma pārnesi, un sajaukšanās ietekmē ķīmiskos procesus. Turbulentā liesmā arī degšanas ātrums ir lielāks. Šī parādība apgrūtina neliela mēroga liesmu izturēšanos pārnest uz liela mēroga liesmām ar lielāku dziļumu un augstumu.

Eksperimentāli pierādīts, ka vielu sadegšanas temperatūra gaisā ir daudz zemāka par sadegšanas temperatūru atmosfēras skābekļa vidē

Gaisā temperatūra svārstīsies no 650 līdz 3100 °C, bet skābeklī temperatūra paaugstināsies par 500-800 °C.