Mekanismen for kjemiske reaksjoner under forbrenning. Forbrenningsreaksjon: funksjoner i kurset

Tema : Typer kjemiske reaksjoner. Forbrenningsreaksjoner.

Mål: Å fremme utviklingen av skolebarns interesse for kjemi og livssikkerhet, å avsløre tverrfaglige sammenhenger, å gjenta typene kjemiske reaksjoner, å forbedre de pedagogiske ferdighetene til skolebarn når de kompilerer kjemiske ligninger, tilegne seg ferdigheter i arbeid med brannslukningsapparat, bli kjent med brannforebyggende tiltak, fremme utvikling av ferdigheter til å sammenligne og generalisere, raskt og tydelig formulere og uttrykke dine tanker og anvende kunnskapen din i praksis.

Utstyr og reagenser : presentasjon for leksjonen, porselenskopp, alkohol, papp, fyrstikker, luftskum og karbondioksid brannslukningsapparater.

Leksjonsfremgang:

Kjemilærer: Forbrenning er den første kjemiske reaksjonen som mennesket ble kjent med. Brann...Er det mulig å forestille seg vår eksistens uten ild? Han kom inn i livene våre og ble uatskillelig fra det. Men langt ifra Alltid , ser inn i den dansende flammetungen, tenker vi på hva flott rolle spilte ild i menneskeskjebnen. Uten ild kan en person ikke lage mat eller stål uten, transport er umulig. Uten ild ville en person sannsynligvis ikke vært i stand til å bli en person ... "Bare ved å lære å lage ild ved hjelp av friksjon, tvang folk for første gang en uorganisk naturkraft til å tjene seg selv," skrev F. Engels.

Essensen av forbrenningsprosessen i lang tid forble et naturmysterium. For bare to århundrer siden var det endelig mulig å trenge inn i forbrenningens hemmeligheter. Og den allmektige kjemien gjorde det. Før dette ble det feilaktig antatt at hvert brennbart stoff inneholdt et spesielt "ildstoff", et visst mytisk stoff - flogiston, som under forbrenning frigjøres fra stoffet og absorberes av luften. Dermed ble forbrenning ansett som en nedbrytningsreaksjon.

Faktisk er brann et tegn på en prosess der brennende stoffer samhandler med oksygen for å frigjøres stor mengde varme og lys. Denne kjemiske prosessen kalles forbrenning.

Øvelse: Skriv interaksjonsligningene med oksygen: litium, svovel, karbon, fosfor.

En elev fullfører oppgaver på tavlen. Resten er i notatbøker.

Lærer:

Student: Dette er sammensatte reaksjoner. Når det gjelder termisk effekt, er de eksoterme, og avgir varme. Produktene fra forbrenningsreaksjoner er oksider. Oksider er binære forbindelser som inneholder oksygen med en oksidasjonstilstand på -2.

Lærer: Hvilke betingelser må være oppfylt for at en forbrenningsreaksjon skal oppstå?

Student: For at et stoff skal antennes, må to betingelser være oppfylt: 1) oppnå stoffets antennelsestemperatur og 2) tilgang på oksygen.

Lærer gjennomfører eksperimentet:

Erfaring 1. Brennende alkohol. Hell litt alkohol i en porselenskopp, sett den i brann, og dekk deretter koppen godt med et ark papp.

Lærer:: Hvorfor slukker flammen, men papiret lyser ikke?

Student: Flammen slukker fordi det ikke er oksygen tilgjengelig; antennelsestemperaturen er ikke nådd.

Lærer: Hva er betingelsene for å stoppe forbrenningsprosessen?

Hva slags reaksjoner er dette? Hva er disse reaksjonene basert på den termiske effekten? Hvilken klasse av stoffer tilhører produktene av disse reaksjonene? Hvilke stoffer kalles oksider?

Student: For å stoppe forbrenningsprosessen, må du enten avkjøle stoffet under dets antennelsestemperatur eller stoppe tilgangen av oksygen til det.

Øvelse: Fullfør de kjemiske reaksjonsligningene: presentasjonslysbilde nr.

+ O2 → CuO

Mg + … → MgO

… + O2 → CO2

CuS + … → SO2 + …

En elev skriver på tavlen, resten i notatbøker, og foreta deretter en selvtest.

Livssikkerhetslærer: Kunnskap om forbrenningsforholdene til stoffer er nødvendig for at en person skal kunne slukke en brann. Årsaken til brannen er mange faktorer, og fremfor alt er det den kjemiske analfabetismen til mange mennesker, uakseptabel uaktsomhet i utførelsen av utdannings-, husholdnings- og industrielle operasjoner, brudd på betingelsene for håndtering av stoffer og energikilder. Hva er en brann?

Ild er en ukontrollert kjemisk prosess som skjer raskt ved høye temperaturer, ledsaget av frigjøring av en stor mengde varme, ødelegger materielle eiendeler og skaper en fare for menneskeliv. Som regel oppstår brann på grunn av manglende overholdelse av sikkerhetstiltak ved arbeid med brann og brudd på brannsikkerhetsregler.

Når du slukker en brann med vann, skapes to forhold: vann kjøler varme gjenstander, og dampene gjør det vanskelig for oksygen å nå dem. I tillegg, for å stoppe tilgangen til luft, brukes ofte sand, karbonmonoksid (IV), som oppnås i brannslukningsapparater, og eksplosiver (under en eksplosjon dannes et relativt vakuum og forbrenningen stopper). Denne teknikken brukes ved slukking av brann i tilfeller av brennende olje og dens produkter.

En brann kan slokkes:

Avkjøling av en brennende gjenstand;

Avslutning av lufttilgang til forbrenningskilden;

Fjerning av brennbare stoffer og gjenstander fra mulige brannspredningsveier

Student: For å slukke brann, bruk vann, skum, karbondioksid, snø, jord, sand og andre bulk ikke-brennbare materialer. Vann er et effektivt brannslukningsmiddel som er tilgjengelig, billig og ufarlig. Den har en sterk kjølende effekt, og reduserer temperaturen på den brennende kroppen kraftig. Vann er imidlertid ineffektivt til å slukke brennbare organiske væsker, som bensin, parafin, benzen, olje, som er lettere enn vann og ikke blandes med det. Ikke bruk vann til å slukke en gassbrann. Vann er også uegnet for slokking av brann i nærvær av strømførende elektriske installasjoner. Å bruke vann til å slukke branner er i dette tilfellet livsfarlig, siden vann er elektrisk ledende. Brennende væsker kan dekkes med sand. Det eliminerer tilgangen til oksygen og eliminerer flammen. Et mer effektivt brannslukningsmiddel er natron (natriumkarbonat og bikarbonat). Den brytes ned kl forhøyet temperatur, mens varme absorberes og karbondioksid frigjøres, som omslutter den brennende gjenstanden.

Soling flytende drivstoff, smøreoljer, samt gasser i luft fra rørledninger og sylindre kan stoppes ved å kaste en kappe av brannhemmende stoff eller et tungt teppe.

Øvelse: Hvilke brannslukningsmidler bør brukes? følgende tilfeller: a) en persons klær tok fyr; b) bensin antent; c) det var brann i et tømmerlager; d) tok olje fyr på vannoverflaten?

Kjemilærer: Spesiell oppmerksomhet bør rettes mot brannslukkingsteknikker som kan forekomme i kjemilaboratoriet. Brannfarlig alkohol og aceton kan slukkes med vann, da de løses godt opp i det.

Etter bruk fjernes alkohollampen først etter at flammen er slukket og den er avkjølt.

Hvis klær tar fyr, bør du fjerne det så raskt som mulig, rulle det godt sammen og slukke flammen med sand eller vann. Husk at hvis klærne dine tar fyr, bør du ikke løpe eller gjøre brå bevegelser. Ved løping og plutselige bevegelser øker tilgangen på luft, og dette fører til en intensivering av forbrenningsprosessen. Hvis det er umulig å fjerne brennbare klær, er det nødvendig å pakke personen godt inn i en kappe, helle vann over den eller bruke et brannslukningsapparat.

Brannslukningsapparater kan være luftskum eller karbondioksid.

Livssikkerhetslærer: La oss se på design- og driftsprinsippet til et brus brannslukningsapparat.

Brukes til å slukke branner spesielt apparat– brannslukningsapparat. Et brus brannslukningsapparat består av en tank fylt med en brusløsning, en kapsel som saltsyre, og en bjelle, ved hjelp av hvilken en sterk strøm av karbondioksid ledes til brannkilden. For å aktivere brannslukningsapparatet må du bryte kapselen, riste lett innholdet i tanken og lede en strøm av karbondioksid inn i forbrenningssonen.

Livssikkerhetslærer: Hvordan aktivere et brannslukningsapparat?

Student: Det er nødvendig å løfte starthåndtaket opp og flytte det fremover, vri det 180 0 fra utgangsposisjonen, og vri deretter brannslukningsapparatet.

En kjemisk reaksjon oppstår i aktiverte brannslukningsapparater, som et resultat av at en strøm av skum 6-8 m lang skytes ut fra hullet. Denne strømmen må ledes til brannkilden. Virkningstiden til brannslukningsapparater er ca. 1 minutt. I dette tilfellet frigjøres nesten 40 liter skum.

Demonstrasjon av brannslukningsapparater og mestring av bruken av disse

Speilbilde:

Svar på spørsmålene:

Hvilke fenomener er ledsaget av forbrenning? (Forbrenning er ledsaget av både fysisk og kjemiske fenomener: frigjøring og overføring av varme, kjemisk oksidasjonsreaksjon, frigjøring av forbrenningsprodukter og deres fordeling i miljøet).

Hvordan endres tilstanden til aggregering av stoffer under forbrenning? (Faststoffer blir til flytende og gassformige stoffer under forbrenning.)

Hva kalles røyk? (Røyk er en blanding av gassformige og faste forbrenningsprodukter)

Hvilke røykkomponenter er giftige, dvs. egenskaper som er skadelige for menneskekroppen? (Karbonmonoksid (II ), fosforoksid (V ), formaldehyd, nitrogenoksider, hydrogensulfid, hydrogenklorid, fosgen, blåsyredamp)

Hvorfor er høy røyktetthet farlig for mennesker? (Høy konsentrasjon av forbrenningsprodukter i røyken reduserer oksygenprosenten. Når oksygeninnholdet i luften er 14-16 % oppstår oksygensult; 9 % oksygeninnhold er livsfarlig).

Hvorfor slukker vann brann? ( Vann, med høy varmekapasitet, kan intensivt absorbere varmen som frigjøres under forbrenning. Vannets evne til å slukke en flamme forsterkes ytterligere av det faktum at vann fortynnes stoffene som reagerer under forbrenning, blir til damp ved oppvarming).

Hvilke stoffer eller materialer kjenner du til som skaper forutsetninger for å stoppe forbrenningen? (Vandige løsninger av salter, skum, sand, flussmidler, talkum, kritt, vanndamp, karbondioksid, nitrogen, etc.)

Lekser: Beregn massen av jern og volumet av oksygen (antall) som må tas for å få 0,3 mol jernoksid (III).

Oppsummering av timen takker læreren barna for aktiv deltakelse, tildeler og kommenterer elevkarakterer.

Side 1

Kjemiske forbrenningsreaksjoner begynner etter dannelsen av en første flammekilde i den tilberedte drivstoff-luftblandingen. I stempelforbrenningsmotorer skapes det enten av en elektrisk gnist, eller ved å varme opp drivstoffet til en temperatur der mange innledende flammer spontant oppstår i volumet av blandingen og selvantennelse av blandingen oppstår.  

Den kjemiske forbrenningsreaksjonen skjer ikke under alle forhold ved kollisjon av brennbare gassmolekyler med oksygenmolekyler.  

Hvis de kjemiske forbrenningsreaksjonene ikke er autokatalytiske, kan årsaken til flammespredning bare være overføring av varme fra forbrenningsproduktene til den uforbrente blandingen. Denne typen flammeutbredelse kalles termisk. Dette utelukker selvfølgelig ikke muligheten for at diffusjon av reaktanter og reaksjonsprodukter skjer samtidig, slik at sammensetningen av reaksjonsblandingen i reaksjonssonen avviker fra sammensetningen av den opprinnelige blandingen. Men i dette tilfellet er ikke diffusjon årsaken til flammespredning, men bare en medfølgende faktor. Spesielt gjelder dette kjedereaksjoner med ikke-forgrenende kjeder. Diffusjonen av frie atomer og radikaler, med mindre de er i termodynamisk likevekt eller i kvasistasjonære konsentrasjoner, kan ikke være årsaken til forplantningen av en flamme, som forblir termisk. Diffusjonens rolle er fullt tatt i betraktning i en skikkelig termisk teori om flammeutbredelse, som vil bli vist i neste avsnitt.  

Hvis de kjemiske forbrenningsreaksjonene ikke er autokatalytiske, kan årsaken til flammespredning bare være overføring av varme fra forbrenningsproduktene til den uforbrente blandingen. Denne typen flammeutbredelse kalles termisk. Dette utelukker selvfølgelig ikke muligheten for at diffusjon av reaktanter og reaksjonsprodukter skjer samtidig, slik at sammensetningen av reaksjonsblandingen i reaksjonssonen avviker fra sammensetningen av den opprinnelige blandingen. Men i dette tilfellet er ikke diffusjon årsaken til flammespredning, men bare en medfølgende faktor. Spesielt gjelder dette kjedereaksjoner med ikke-forgrenende kjeder. Diffusjonen av frie atomer og radikaler, med mindre de er i termodynamisk likevekt eller i kvasistasjonære konsentrasjoner, kan ikke være årsaken til forplantningen av en flamme, som forblir termisk. Diffusjonens rolle er fullt tatt i betraktning i en skikkelig termisk teori om flammeutbredelse, som vil bli vist i neste avsnitt.  

Hastigheten av kjemiske reaksjoner ved gassforbrenning med luft i brennere er svært høy. Disse reaksjonene høye temperaturer skje i tusendeler av et sekund. Varigheten av forbrenningen av gass-luftblandingsstrømmen bestemmes av den kontinuerlige tilførselen av friske porsjoner av gass og luft, som brenner som et resultat av den raske forekomsten av oksidasjonsreaksjoner under påvirkning av varmestrømmen.  

Hastigheten av kjemiske reaksjoner ved gassforbrenning med luft i brennere er svært høy. Disse reaksjonene ved høye temperaturer skjer i tusendeler av et sekund. Varigheten av forbrenningen av gass-luftblandingsstrømmen bestemmes av den kontinuerlige tilførselen av friske porsjoner av gass og luft, som brenner som et resultat av den raske forekomsten av oksidasjonsreaksjoner under påvirkning av varmestrømmen.  

Kvantitative forhold mellom kjemiske forbrenningsreaksjoner kan oppnås med kjente molekylvekter i stoffer og tettheter p c / 22 4 gasser under normale fysiske forhold.  

Mekanismen for inhibering av kjemiske forbrenningsreaksjoner er ikke tilstrekkelig studert. Imidlertid har studier utført i siste årene, gjør det mulig å danne seg noen ideer om arten av effekten av inhibitorer på flammer.  

La oss anta at den kjemiske forbrenningsreaksjonen fortsetter fullstendig og reaksjonsproduktene er vanndamp H20, karbondioksid CO2 eller, i fravær av oksygen, karbonmonoksid CO. For en støkiometrisk hydrogen-oksygen (eksplosiv) brennbar blanding, ved å dele dannelsesvarmen av vanndamp 58 kcal/mol med varmekapasiteten 8 cal/mol-grad, oppnår vi en forbrenningstemperatur på 7250 grader. Ved fullstendig forbrenning av fast karbon i oksygen (St 02C02 94 kcal/mol) får vi en enda høyere forbrenningstemperatur, 11 750 K. Temperaturer av samme størrelsesorden oppnås for andre hydrokarbonbrensler. De fantastisk høye forbrenningstemperaturene som er gitt her refererer til stoffets plasmatilstand, de forekommer ikke i virkeligheten; Forbrenningstemperaturene til oksygenblandinger varierer fra 3000 til 4000 K.  

Siden oppvarmingen og den kjemiske reaksjonen ved forbrenning av blandingen går veldig raskt, er hovedfaktoren som begrenser varigheten av forbrenningsprosessen tiden brukt på å blande gass og luft.  

Ordninger for organisering av forbrenning av brennbare gasser. Forbrenning. a - kinetisk, b - diffusjon, c - blandet.

Siden hastigheten for kjemiske forbrenningsreaksjoner ved høye forbrenningstemperaturer er usammenlignelig høyere enn hastigheten for blandingsdannelse, er praktisk talt hastigheten for gassforbrenning alltid lik hastigheten for blanding av gass med luft. Denne omstendigheten gjør det mulig å enkelt regulere gassforbrenningshastigheten innenfor de videste grensene. Den blandede metoden for forbrenning av brennbare gasser ligger mellom kinetisk og diffusjon.  

Derfor er balanseligningen for den kjemiske reaksjonen av brennende stearinlys under visse forhold egentlig det første forsøket på å introdusere mengden varme i beskrivelsen av en kjemisk reaksjon.  

Når du utarbeider ligninger for kjemiske reaksjoner ved forbrenning av stoffer i luft, fortsett som følger: det brennbare stoffet og luften som er involvert i forbrenningen er skrevet på venstre side, etter likhetstegnet skrives de resulterende reaksjonsproduktene. For eksempel er det nødvendig å lage en ligning for forbrenningsreaksjonen av metan i luft. Skriv først ned venstre side av reaksjonsligningen: den kjemiske formelen for metan pluss kjemiske formler stoffer som utgjør luften.  

Handlinger av kjemisk transformasjon skjer gjennom direkte kontakt med reagerende komponenter (molekyler, atomer, radikaler), men bare i tilfeller der deres energi overskrider en viss energigrense, kalt aktiveringsenergien E a. La oss grafisk skildre endringen i energi til de reagerende komponentene (drivstoff og oksidasjonsmiddel) og reaksjonsproduktene under forbrenning (fig. 1.)

La oss grafisk skildre endringen i energi til de reagerende komponentene (drivstoff og oksidasjonsmiddel) og reaksjonsproduktene under forbrenning (fig. 1.)

Figur 1. Endring i energi til reaktanter og reaksjonsprodukter under forbrenning

X-aksen viser forbrenningsreaksjonsbanen, og y-aksen viser energien.
er den gjennomsnittlige startenergien til de reagerende komponentene,
- gjennomsnittlig energi til forbrenningsprodukter.

Bare aktive partikler av drivstoff og oksidasjonsmiddel vil gå inn i forbrenningsreaksjonen, som vil ha den energien som er nødvendig for å gå i samspill, dvs. i stand til å overvinne energibarrieren
. Overskuddsenergi av aktive partikler sammenlignet med gjennomsnittlig energi
, kalles aktiveringsenergi . Siden reaksjonene som oppstår under forbrenning er eksoterme
. Energiforskjellen mellom de resulterende forbrenningsproduktene og utgangsstoffene (drivstoff og oksidasjonsmiddel) bestemmer den termiske effekten av reaksjonen:

D Andelen aktive molekyler øker med økende temperatur på den brennbare blandingen.

I fig.2. viser energifordelingen mellom molekyler ved temperatur Hvis vi langs energiaksen markerer en verdi lik aktiveringsenergien , så får vi fraksjonen av aktive molekyler i blandingen ved en gitt temperatur . Hvis temperaturen på blandingen under påvirkning av en varmekilde øker til en verdi , da vil andelen aktive molekyler øke, og dermed hastigheten på forbrenningsreaksjonen.

Imidlertid er det kjemiske reaksjoner som ikke krever betydelig forvarming for å utvikle seg. Dette er kjedereaksjoner.

Grunnlaget for teorien om kjedereaksjoner er antakelsen om at utgangsstoffene ikke omdannes til sluttproduktet umiddelbart, men med dannelse av aktive mellomprodukter

Produktet av en primær kjemisk reaksjon har en stor tilførsel av energi, som kan spres i det omkringliggende rommet under kollisjonen av molekyler av reaksjonsproduktene eller på grunn av stråling, eller kan overføres til molekylene til de reagerende komponentene, og overføre dem til en aktiv tilstand. Disse aktive molekylene (atomer, radikaler) av reagerende stoffer genererer en kjede av reaksjoner der energi overføres fra ett molekyl til et annet. Derfor kalles slike reaksjoner kjedereaksjoner.

Kjemisk aktive molekyler, atomer, radikaler som dannes i de elementære stadiene av en kjedereaksjon - kjedereaksjoner - kalles aktive sentre. De fleste av de aktive sentrene er atomer og radikaler, som er de mest reaktive. Men som et resultat av dette er de også ustabile, pga kan inngå rekombinasjonsreaksjoner med dannelse av lavaktive produkter.

Lengden på kjeden dannet av ett første aktivt senter kan nå flere hundre tusen enheter. De kinetiske mønstrene for kjedereaksjoner avhenger betydelig av hvor mange aktive sentre som dannes i ett ledd i kjeden. Hvis det, med deltakelse av det opprinnelige aktive senteret, bare ett aktivt senter dannes, kalles en slik kjedereaksjon uforgrenet, men hvis to eller flere aktive sentre dannes i ett ledd i kjeden, kalles en slik kjedereaksjon. forgrenet. Hastigheten av forgrenede kjedereaksjoner øker som et snøskred, som er årsaken til selvakselerasjonen av kjemiske oksidasjonsreaksjoner under forbrenning, siden de fleste av dem er preget av mekanismen til forgrenede kjedereaksjoner.

Nesten enhver forbrenningsreaksjon kan samtidig ha tegn på både en termisk og kjedereaksjonsmekanisme. Kjernedannelsen til de første aktive sentrene kan være termisk av natur, og reaksjonen av aktive partikler med en kjedemekanisme fører til frigjøring av varme, oppvarming av den brennbare blandingen og termisk kjernedannelse av nye aktive sentre.

Enhver kjedereaksjon består av de elementære stadiene initiering, fortsettelse og kjedeavslutning.

Kjedeinitiering er en endoterm reaksjon. Dannelsen av frie radikaler (dvs. atomer eller grupper av atomer som har frie valenser, f.eks.
) fra molekyler av utgangsstoffer, muligens som et resultat av monomolekylær eller bimolekylær interaksjon, så vel som som følge av enhver ekstern påvirkning på den brennbare blandingen - innvielse.

Initiering kan utføres ved å tilsette spesielle stoffer - initiativtakere som lett danner frie radikaler (for eksempel peroksider, reaktive gasser
), under påvirkning av ioniserende stråling, under påvirkning av lys - fotokjemisk initiering. For eksempel samspillet mellom hydrogen og klor

under normale forhold går det ekstremt sakte, og i sterk belysning ( sollys, brenner magnesium) fortsetter med en eksplosjon.

Til reaksjoner fortsettelse av kjeden Dette er de elementære stadiene i en kjedereaksjon som fortsetter med bevaring av fri valens og fører til forbruk av utgangsstoffer og dannelse av reaksjonsprodukter.

kjedeinitiering:

kjedegren:

åpen krets:

homogen

heterogen

Under utviklingen av kjeden, når konsentrasjonen av aktive sentre blir tilstrekkelig stor, er det mulig å danne et ledd der det aktive senteret vil reagere uten å generere et nytt aktivt senter. Dette fenomenet kalles en åpen krets.

Åpen krets kan være homogen og heterogen.

Homogen kjedeterminering er mulig enten under interaksjonen av radikaler eller atomer med hverandre for å danne stabile produkter, eller under reaksjonen av det aktive senteret med et molekyl som er fremmed for hovedprosessen uten generering av nye aktive sentre.

Heterogen kjedeavslutning forekommer på veggene i karet der forbrenningsreaksjonen skjer eller på overflaten av faste mikropartikler som er tilstede i gassfasen, noen ganger spesielt introdusert (for eksempel ved slukking med pulver). Mekanismen for heterogen kjedeterminering er assosiert med adsorpsjon av aktive sentre på overflaten av faste partikler eller materialer. Hastigheten av heterogen kjedeterminering avhenger sterkt av forholdet mellom overflatearealet til veggene og volumet av fartøyet der forbrenning oppstår. Redusering av karets diameter reduserer således hastigheten på forbrenningsreaksjonen, opp til dens fullstendig opphør. Opprettelsen av brannstoppere er basert på dette.

Et eksempel på en forgrenet kjedereaksjon er forbrenning av hydrogen i oksygen.

kjedeinitiering:

kjedegren:

åpen krets:

homogen

Publiseringsdato 02/10/2013 20:58

Forbrenning er en oksidasjonsreaksjon som skjer ved høy hastighet, som er ledsaget av frigjøring av store mengder varme og som regel en lys glød, som vi kaller en flamme. Studer forbrenningsprosessen fysisk kjemi, der alle eksoterme prosesser som har en selvakselererende reaksjon anses å være forbrenning. Slik selvakselerasjon kan oppstå på grunn av en økning i temperatur (dvs. har en termisk mekanisme) eller akkumulering av aktive partikler (har en diffusjonskarakter).

Forbrenningsreaksjonen har et tydelig trekk - tilstedeværelsen av et høytemperaturområde (flamme), begrenset romlig, hvor det meste av omdannelsen av utgangsstoffer (drivstoff) til forbrenningsprodukter skjer. Denne prosessen er ledsaget av frigjøring av en stor mengde termisk energi. For å starte reaksjonen (utseendet til en flamme), er det nødvendig å bruke en viss mengde energi på tenning, deretter prosessen er i gang spontant. Hastigheten avhenger av kjemiske egenskaper stoffer som deltar i reaksjonen, samt fra gassdynamiske prosesser under forbrenning. Forbrenningsreaksjonen har visse egenskaper, hvorav de viktigste er blandingens brennverdi og temperaturen (kalt adiabatisk) som teoretisk sett kunne oppnås under fullstendig forbrenning uten å ta hensyn til varmetap.

Ved aggregeringstilstand oksidasjonsmiddel og drivstoffforbrenningsprosessen kan klassifiseres i en av tre typer. Forbrenningsreaksjonen kan være:

Homogen, hvis drivstoffet og oksidasjonsmidlet (forhåndsblandet) er i gassform,

Heterogen, der et fast eller flytende brensel interagerer med et gassformig oksidasjonsmiddel,

Forbrenningsreaksjonen av krutt og eksplosiver.

Homogen forbrenning er den enkleste, har en konstant hastighet, avhengig av blandingens sammensetning og molekylære termiske ledningsevne, temperatur og trykk.

Heterogen forbrenning er mest vanlig både i naturen og under kunstige forhold. Hastigheten avhenger av de spesifikke forholdene i forbrenningsprosessen og på fysiske egenskaper ingredienser. For flytende drivstoff er forbrenningshastigheten sterkt påvirket av fordampningshastigheten, og for fast brensel - av gassifiseringshastigheten. For eksempel, når du brenner kull, danner prosessen to trinn. I den første av dem (ved relativt langsom oppvarming) frigjøres flyktige komponenter av stoffet (kull), i den andre brenner koksresten ut.

Forbrenning av gasser (for eksempel forbrenning av etan) har sine egne egenskaper. I et gassholdig miljø kan flammer spre seg over stor avstand. Den kan bevege seg gjennom gass med subsonisk hastighet, og denne eiendommen iboende ikke bare i et gassholdig miljø, men også i en fint dispergert blanding av flytende og faste brannfarlige partikler blandet med et oksidasjonsmiddel. For å sikre stabil forbrenning i slike tilfeller er det nødvendig med en spesiell utforming av ovnsanordningen.

Konsekvensene forårsaket av forbrenningsreaksjonen i et gassformig miljø er av to typer. Den første er turbulisering av gasstrømmen, noe som fører til en kraftig økning i prosessens hastighet. De resulterende akustiske forstyrrelsene av strømmen kan føre til neste trinn - fremveksten sjokkbølge fører til detonasjon av blandingen. Overgangen av forbrenning til detonasjonsstadiet avhenger ikke bare av gassens egne egenskaper, men også av størrelsen på systemet og forplantningsparametere.

Drivstoffforbrenning brukes i teknologi og industri. Hovedoppgaven i dette tilfellet er å oppnå maksimal forbrenningseffektivitet (dvs. optimalisering av varmeavgivelsen) for en gitt periode. Forbrenning brukes for eksempel i gruvedrift - metoder for å utvikle ulike mineraler er basert på bruk av en brennbar prosess. Men under visse naturlige og geologiske forhold kan fenomenet forbrenning bli en faktor som utgjør en alvorlig fare. Den virkelige faren, for eksempel, er prosessen med spontan forbrenning av torv, som fører til forekomsten av endogene branner.

Nesten hver dag må vi alle håndtere en eller annen manifestasjon av forbrenningsprosessen. I vår artikkel ønsker vi å fortelle mer detaljert hvilke funksjoner denne prosessen inkluderer fra et vitenskapelig synspunkt.

Det er hovedkomponenten i brannprosessen. En brann begynner med forekomsten av forbrenning, dens utviklingsintensitet er vanligvis veien som brannen reiser, det vil si brennhastigheten, og slukking slutter med opphør av forbrenningen.

Forbrenning forstås vanligvis som en eksoterm reaksjon mellom et drivstoff og et oksidasjonsmiddel, ledsaget av minst én av følgende tre faktorer: flamme, glød, røykdannelse. På grunn av kompleksiteten til forbrenningsprosessen er denne definisjonen ikke uttømmende. Den tar ikke hensyn til slike de viktigste funksjonene forbrenning, som den raske forekomsten av den underliggende eksoterme reaksjonen, dens selvopprettholdende natur og evnen til selvforplantning av prosessen gjennom den brennbare blandingen.

Forskjellen mellom en langsom eksoterm redoksreaksjon (jernkorrosjon, råtnende) og forbrenning er at sistnevnte skjer så raskt at varmen produseres raskere enn den spres. Dette fører til en økning i temperaturen i reaksjonssonen med hundrevis og til og med tusenvis av grader, til en synlig glød og dannelse av en flamme. I hovedsak er dette hvordan flammende forbrenning dannes Hvis varme frigjøres, men det ikke er flamme, kalles denne prosessen ulming. I begge prosessene oppstår en aerosol av fullstendig eller ufullstendig forbrenning. Det er verdt å merke seg at når noen stoffer brenner, er flammen ikke synlig, og det er heller ingen røykutslipp. For raske reaksjoner (eksplosiv transformasjon) er heller ikke inkludert i forbrenningsbegrepet.

En nødvendig betingelse for at forbrenning skal oppstå er tilstedeværelsen av et brennbart stoff, et oksidasjonsmiddel (i en brann spilles dens rolle av oksygen i luften) og en tennkilde. For at direkte forbrenning skal skje, må det foreligge kritiske forhold når det gjelder sammensetningen av den brennbare blandingen, geometrien og temperaturen til det brennbare materialet, trykk osv. Etter at forbrenningen oppstår, fungerer selve flammen eller reaksjonssonen som tennkilde.

For eksempel kan metan oksideres av oksygen, og frigjøre varme til metylalkohol og maursyre ved 500-700 K. For at reaksjonen skal fortsette er det imidlertid nødvendig å etterfylle varme på grunn av ekstern oppvarming. Dette er ikke forbrenning. Når reaksjonsblandingen varmes opp til en temperatur over 1000 K, øker metanoksidasjonshastigheten så mye at den frigjorte varmen blir tilstrekkelig til å fortsette reaksjonen videre, behovet for ekstern varmetilførsel forsvinner, og forbrenningen starter. Dermed er forbrenningsreaksjonen, når den først oppstår, i stand til å støtte seg selv. Dette er den viktigste særpreg forbrenningsprosess. Et annet relatert trekk er evnen til en flamme, som er en kjemisk reaksjonssone, til spontant å spre seg gjennom et brennbart medium eller brennbart materiale med en hastighet som bestemmes av reaksjonsblandingens natur og sammensetning, samt prosessbetingelsene. Dette er hovedmekanismen for brannutvikling.

En typisk forbrenningsmodell er basert på en oksidasjonsreaksjon organisk materiale eller karbon ved oksygen i luften. Mange fysiske og kjemiske prosesser følger med forbrenning. Fysikk handler om overføring av varme til et system. Oksiderende og reduksjonsreaksjoner dette er en kjemisk komponent av forbrenningens natur. Derfor, fra konseptet forbrenning, følger en rekke kjemiske transformasjoner, inkludert dekomponering utgangsforbindelser, dissosiasjon og ionisering av produkter.

Kombinasjonen av et brennbart stoff eller materiale med et oksidasjonsmiddel utgjør et brennbart medium. Som et resultat av dekomponering av brennbare stoffer under påvirkning av en tennkilde, dannes en gass-damp-luft-reaksjonsblanding. Brennbare blandinger, som i sammensetning (forholdet mellom drivstoff- og oksidasjonskomponenter) tilsvarer ligningen for en kjemisk reaksjon, kalles blandinger av støkiometrisk sammensetning. De er de farligste når det gjelder brann: de antennes lettere, brenner mer intenst, og sikrer fullstendig forbrenning av stoffet, som et resultat av at de frigjør den maksimale mengden varme.

Ris. 1. Former av diffusjonsflammer

a – brenning av en jetstrøm, b – brenning av sølt væske, c – brenning av skogsøppel

Basert på forholdet mellom mengden brennbart materiale og volumet av oksidasjonsmiddel, skilles fattige og rike blandinger ut: dårlige blandinger inneholder en overflod av oksidasjonsmiddel, rike blandinger - brennbart materiale. Minimumsmengde oksidasjonsmiddel som kreves for fullstendig forbrenning av en enhet av masse (volum) av et bestemt brennbart stoff, bestemmes av ligningen for en kjemisk reaksjon. Ved brenning med deltagelse av oksygen er den nødvendige (spesifikke) luftstrømhastigheten for de fleste brennbare stoffer i området 4-15 m 3 /kg. Forbrenning av stoffer og materialer er bare mulig når det er et visst innhold av deres damper eller gassformige produkter i luften, så vel som når oksygenkonsentrasjonen ikke er lavere enn en spesifisert grense.

Så, for papp og bomull, skjer selvslukking allerede ved 14 vol. % oksygen, og polyesterull - ved 16 vol. %. I forbrenningsprosessen, som i andre kjemiske prosesser, kreves to trinn: opprettelsen av molekylær kontakt mellom reagensene og selve interaksjonen mellom brenselmolekyler og oksidasjonsmidlet for å danne reaksjonsprodukter. Hvis transformasjonshastigheten til de initiale reagensene bestemmes av diffusjonsprosesser, dvs. overføringshastighet (damper av brennbare gasser og oksygen overføres til reaksjonssonen på grunn av en konsentrasjonsgradient i henhold til Ficks diffusjonslover), da kalles denne forbrenningsmodusen diffusjon. I fig. 1 er gitt ulike former diffusjonsflammer. I diffusjonsmodus er forbrenningssonen uskarp, og en betydelig mengde ufullstendige forbrenningsprodukter dannes i den. Hvis forbrenningshastigheten bare avhenger av hastigheten på den kjemiske reaksjonen, som er betydelig høyere enn diffusjonshastigheten, kalles forbrenningsmodus kinetisk. Han er preget av mer høye hastigheter og fullstendig forbrenning og, som en konsekvens, høye hastigheter for varmeavgivelse og flammetemperatur. Dette regimet forekommer i forhåndsblandede blandinger av drivstoff og oksidasjonsmiddel. Derfor, hvis reagensene i den kjemiske reaksjonssonen er i samme (vanligvis gass) fase, kalles slik forbrenning homogen når brennstoffet og oksidasjonsmidlet er i forskjellige faser i reaksjonssonen, kalles det heterogent. Forbrenningen av ikke bare gasser er homogen, men også de fleste faste stoffer. Dette forklares med det faktum at i reaksjonssonen er det ikke selve materialene som brenner, men deres damper og gassformige nedbrytningsprodukter. Tilstedeværelsen av en flamme er kjennetegn homogen forbrenning.

Eksempler på heterogen forbrenning er forbrenning av karbon, karbonholdige trerester og ikke-flyktige metaller, som forblir i fast tilstand selv ved høye temperaturer. Den kjemiske forbrenningsreaksjonen vil i dette tilfellet skje ved grensesnittet mellom fasene (fast og gassformig). Merk at sluttproduktene av forbrenning ikke bare kan være oksider, men også fluorider, klorider, nitrider, sulfider, karbider, etc.

Egenskapene til forbrenningsprosessen er varierte. De kan deles inn i følgende grupper: form, størrelse og struktur på flammen; flammetemperatur, dens emissivitet; varmeavgivelse og brennverdi; brennhastighet og konsentrasjonsgrenser for bærekraftig forbrenning, etc.

Alle vet at forbrenning gir en glød som følger med forbrenningsproduktet.

La oss vurdere to systemer:

• gassformig system
• kondensert system

I det første tilfellet, når forbrenning skjer, vil hele prosessen skje i flammen, mens i det andre tilfellet vil en del av reaksjonene skje i selve materialet eller dets overflate. Som nevnt ovenfor er det gasser som kan brenne uten flamme, men hvis vi tar i betraktning faste stoffer, er det også grupper av metaller som også er i stand til å brenne uten at det ser ut som en flamme.

Den delen av flammen med maksimal verdi, hvor intense transformasjoner skjer, kalles flammefronten.

Varmevekslingsprosesser og diffusjon av aktive partikler fra forbrenningssonen, som er nøkkelmekanismene for bevegelsen av flammefronten gjennom den brennbare blandingen.

Hastigheten på flammeutbredelse er vanligvis delt inn i:

• deflagrasjon (normal), forekommer ved subsoniske hastigheter (0,05-50 m/s)
• detonasjon, når hastigheter når 500-3000 m/s.

Ris. 2. Laminær diffusjonsflamme

Avhengig av arten av hastigheten til gasstrømmen som skaper flammen, skilles laminære og turbulente flammer. I en laminær flamme skjer gassbevegelse i forskjellige lag, alle varme- og masseoverføringsprosesser skjer gjennom molekylær diffusjon og konveksjon. I turbulente flammer utføres prosessene med varme- og masseoverføring hovedsakelig på grunn av makroskopisk virvelbevegelse. En stearinlysflamme er et eksempel på en laminær diffusjonsflamme (fig. 2). Enhver flamme høyere enn 30 cm vil allerede ha tilfeldig gassmekanisk ustabilitet, som manifesteres av synlige virvler av røyk og flammer.

Ris. 3. Overgang fra laminær til turbulent strømning

Veldig et tydelig eksempel Overgangen av en laminær strømning til en turbulent er en strøm av sigarettrøyk (fig. 3), som etter å ha steget til en høyde på ca. 30 cm, får turbulens.

Under branner har flammer en diffusjonsturbulent karakter. Tilstedeværelsen av turbulens i flammen øker varmeoverføringen, og blanding påvirker kjemiske prosesser. I en turbulent flamme er også brennhastigheten høyere. Dette fenomenet gjør det vanskelig å overføre oppførselen til småskala flammer til storskala flammer med større dybde og høyde.

Det er eksperimentelt bevist at forbrenningstemperaturen til stoffer i luft er mye lavere enn forbrenningstemperaturen i et atmosfærisk oksygenmiljø

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