Химия на горивните процеси. Енергия от експлозия

Енергия от експлозия

Основните предимства на експлозивите пред другите източници на енергия са компактността, транспортабилността и факта, че отделянето на енергия може да се осъществи в кратки срокове, което прави възможно да се развие огромна сила. И така, при експлозия на сферичен заряд с тегло 1 kg и плътност 1,65 g / cm3, която е направена от мощен експлозив - хексоген, възбуден (иницииран) в центъра, скоростта на разпространение на взривната трансформация през веществото (детонация) е 8300 m / s. Пътят r  (радиус на зареждане), който ще премине детонацията, се определя от равенството

където Gup -  съответно плътност на масата и заряда.

Времето за изпълнение на процеса е τ = r / D (D  - скорост на детонация).

мощност N  (kJ / e), разработени по време на експлозията, могат да бъдат оценени, знаейки количеството на отделената топлина р  с експлозивна трансформация на 1 kg RDX:

За RDX р  = 5420 kJ / kg. Изчислената мощност е надценена, тъй като времето, през което разширяващите се газове изпълняват работата, не е взето под внимание. Трябва да се отбележи, че той надхвърля капацитета на най-големите електроцентрали в света. Наричат ​​се експлозиви, способни на такава бърза трансформация взривяване.

Взривните експлозиви отделят иницииращи експлозиви, които практически нямат самостоятелна употреба и се използват само за подготовка на експлозиви. Средствата за взривяване (капсули, взривни патрони, предпазители, детониращи шнурове и др.) Се обединяват в специална подгрупа. Взривни взривни вещества, барут и взривни вещества съставляват група от експлозивни материали. Както по време на детонация, така и при изгаряне по време на изпичане, се налагат допълнителни условия за превръщане на взривните вещества в газове: за барути - стационарно горене при различни налягания, за взривни експлозиви - изключително висока степен на разпространение на трансформацията по вещество.

Въпреки това, експлозивите са способни не само на бързи трансформации. Ако запалите малко количество експлозиви с конвенционални средства и го оставите да гори при атмосферни условия, без да възпрепятства изпускането на газове, горенето ще се извършва бавно и спокойно. Методът за унищожаване на експлозиви, които не могат да се използват, чрез изгаряне се основава на това, с квалифицирано изпълнение, то е доста безопасно и удобно. В случай на неправилно горене могат да възникнат обстоятелства, при които изгарянето ще се превърне спонтанно в детонация с по-бързо превръщане на експлозивите в газове.

Какво е експлозия? Експлозията се отнася до физическа или химична трансформация на вещество, при което енергията му бързо преминава в енергията на компресия и движение на самата субстанция или на продуктите от нейната трансформация и околната среда.  Енергията на експлозията може да е различна. Освобождаването на химическа, електрическа, ядрена, термоядрена, топлинна, кинетична енергия, еластична енергия на компресия може да бъде съпроводено с експлозивни процеси. Например, при електрически искровия метод на разрушаване на материалите се използват микроексплозии, чийто източник на енергия е електрически разряд, а носителят на енергия са продуктите на изпаряване и разлагане или просто нагряване на средата, в която се извършва разтоварването. Експлозията, причинена от унищожаването на цилиндри за сгъстен газ, парни котли, съдове под високо налягане, също може да продължи с висока скорост и да причини сериозни щети на околното пространство.

Въпреки това, основното значение е използването на потенциална химическа енергия, която в много вещества при определени условия (в резултат на химическа реакция) може бързо да премине в енергията на компресираните газове. Вещества, способни на такива трансформации, се наричат ​​експлозивни, а експлозивно - химичните. В бъдеще, при експлозията, без специални резерви, ще разберем само химическия взрив и всички разглеждани процеси се дължат на процесите, протичащи по време на химическа експлозия.

Експлозията може да се характеризира с количеството отделена енергия. Тъй като този процес понякога се определя от параметрите на оборудването (например за пневматични радиатори - чрез обема на камерата и налягането на сгъстения въздух), трябва да може да се определи неговата енергия. За пневматичен радиатор той е равен на PV /(к  - 1), където P  - налягане на сгъстен газ; V -  обем на камерата; k -  коефициент на корекция (за въздух к  = 1.4), за електрически изпускателен радиатор - UC2/2,   където C  - капацитет U - напрежение. Най-често енергията на химическите взривни вещества се определя от топлината на експлозията в килоджаули на килограм. Естествено, сравнението на източниците включва прехвърляне на енергия от една единица към друга (калории до джаули и т.н.).

Във връзка с разглеждането на експлозията, нека докоснем процеса, до известна степен противоположен на него, на импулса, който започва да се прилага в технологията. С експлозията на взривния заряд нивото на енергия позволява газовете, дължащи се на разширяването, да извършват работа на външната среда. При импулс субстанцията на околната среда около източника има по-високо налягане, отколкото при самия източник, а при премахване на разделителната пречка е възможно да се бърза вътре в източника. Такъв процес може да предизвика смущения във вълните. Най-простият пример за импулс е луковицата на електрическата крушка (тя се евакуира), счупена във въздуха. Колкото по-високо е налягането на средата, толкова повече енергия може да се освободи, когато кухината се свие. В дълбоки кладенци става значително дори в малки кухини. Подобно явление се наблюдава по време на подводна експлозия, когато свръхразширените продукти от експлозия се срутват под действието на хидростатично налягане. При сеизмичните условия това се записва като второто въздействие на взрив, произведен в резервоар, с достатъчна дълбочина на зареждане в него.

Химическа експлозия  - саморазпространяваща се химическа трансформация на вещество, което протича при висока скорост, генериране на топлина и образуване на газове, компресирани до високо налягане. Детонацията е частен случай на експлозия, извършена с постоянна, максимална скорост за дадено вещество.

На първо място е необходимо да се оцени енергията (количеството топлина), отделено по време на експлозията. Реакциите са два вида - с отделяне на топлина (екзотермична) и с абсорбция (ендотермична). Топлината на образуване на молекули - съединения от атоми (топлината на образуване на последната е нула) - може да бъде или отрицателна (необходимо е да се изразходва допълнителна енергия за образуването им от елементите), както и положителна. Освобождаването на топлина от експлозиви обикновено се причинява от реакцията между горимите компоненти и окислителя (кислорода), който е част от него. Ако взривното вещество е отделно химично съединение, тогава те ще бъдат различни групи в молекулата, ако са смесени, те са различни вещества, които образуват сместа. Съотношението им определя кислородния баланс на веществото. Когато кислородът не е достатъчен за пълното окисляване на горимия компонент на експлозива, балансът е отрицателен. При вещества с положителен кислороден баланс част от кислорода в експлозията остава неизползвана и непродуктивно се губи. Свойствата на композитните експлозиви могат да се променят чрез избор на подходящи оксиданти и запалими.

Кислородният баланс се определя като недостиг или излишък (в грамове) от кислород, необходим за окисление, или 100 g експлозив, останал по време на окислението. За тетранитромета C (2O2) 4 тя е равна на +49, амониев нитрат ΝΟH4ΝΟ3 - +20, тротил C7H5N3O6 - -74, хексоген (СH2N2) 3 - -21.6. Максималният отрицателен кислороден баланс, по дефиниция, е за водород (-794), максималният положителен е за кислород (+100).

Пример за експлозиви с отрицателен кислороден баланс е тротил, обикновен високо експлозивен. Химичното му наименование е тринитротолуен, намерени са наименованията тол, TNT. Както се вижда от структурната формула, горимите компоненти - атомите на водорода и въглерода и окислителя - са кислород, който е част от нитрогрупата (NO2), в молекулата на TNT все още не са свързани помежду си:

Въз основа на формулата на веществото, можете да посочите в каква посока ще продължи реакцията в него, какви продукти могат да се образуват в този случай. За TNT реакцията на експлозивно разлагане е следната:

Съставът на продуктите зависи от условията на експлозията и тяхното крайно състояние (степен на разширение). Много експлозивни системи са първите, които реализират реакциите, които се характеризират с максимално отделяне на енергия. Така, в вещество, което има формулата на формата CaH4McOd, с относително малка липса на кислород [ г< (2a + b / 2)] на първо място, водородът реагира с кислорода като най-изгодно, тъй като при образуването на Н2О се отделя 255 kJ за единица кислород и 187 kJ / по време на образуването на CO2 (топлината на образуване на CO2 е 379 kJ / mol).

Подходът за изчисляване на топлината на трансформация на взривните вещества, при който се записват тези на възможните реакционни продукти, чието образуване осигурява максимален топлинен ефект, се нарича принцип на максимална експлоатация. Изчислението до известна степен идеализира процеса и дава най-голяма точност за системи с положителен или леко отрицателен кислороден баланс. Всъщност съставът на продуктите от експлозия (PT) обикновено не съответства на това изчисление. Последното се дължи на факта, че взаимодействието продължава известно време след експлозията и се установява равновесие между продуктите от реакции с положителни и отрицателни термични ефекти. Примери за последните са реакции

За приблизителни изчисления на системи с отрицателен кислороден баланс, можете да използвате метода Le Chatelier, основан на принципа на максималния обем, и ако обемите са еднакви, тогава реакцията с голямо отделяне на топлина има приоритет. Методът е най-валиден за определяне на крайното състояние на продуктите от експлозията. Преобладаващата реакция е окисляването на въглерода в СО. Ако кислородът е недоекспониран, той се изразходва равномерно за допълнително окисление на CO и H2. Реакцията на разлагане на RDX в този случай се записва като:

Извършва се по-точно изчисляване на състава на продуктите от експлозията, като се отчитат кинетиката и условията на реакциите. Точността на тези изчисления не винаги е достатъчна поради липсата на надеждна информация за състоянието на веществото при високи температури и налягания. Данните за топлината и за състава на продуктите от експлозията също се получават експериментално, за което са разработени и успешно използвани специални методи за изследване на експлозията.

Както вече беше отбелязано, енергията на експлозията се характеризира с топлината на експлозивната трансформация на експлозивите. Познавайки топлината от образуването на прекурсори и продукти от експлозията и използвайки закона Хес (топлинният ефект на процеса не зависи от пътя на трансформацията, а от началното и крайното състояние на веществата), можем да изчислим топлината и редица други параметри на експлозията. Такива изчисления могат да възникнат и в практиката на геофизичен инженер, тъй като се използват смесени експлозиви и барут, които ще се използват в нарастващи количества.

Изчисляване на евтина експлозивна смес от тип Idanit от гранулиран амониев нитрат с течно гориво. За по-лесно изчисление, вместо използваните петролни продукти - слънчево масло или керосин, които са смес от вещества - вземете бензол (C6H6). Помислете за случая, когато експлозивната смес се определя от индикацията на компонентите и кислородния баланс. Нека да се има предвид, че смес от бензол и амониев нитрат трябва да има кислороден баланс от -10, в противен случай няма да има 10 g кислород, за да окислява напълно 100 g от сместа. Първо, ще определим какъв състав трябва да има сместа, за да изпълни задачата.

За да опростим решението, нека си представим, че нашите експлозиви се състоят от две части - един от компонентите (в случая гориво, защото балансът е отрицателен), взети в количество, което осигурява желания баланс, и смес от определени вещества с нулев кислороден баланс (понякога се нарича стехиометрично). Ако добавим такава смес към изчисленото количество гориво, при което общото тегло достигне 100 g, ще получим състав с даден кислороден баланс.

Последователно извършвайте изчисления.

За окислението на молекулата на бензена (неговото молекулно тегло е 78)

ще се нуждаят от 15 кислородни атома. Съответно количеството бензен х1, чието окисление изисква 10 g кислород, получаваме от съотношението "бензен - кислород е необходимо":

Добавете към това количество (100 - х1) g смес от нулев кислороден баланс, получаваме смес от даден състав.

Нека се обърнем към изчисляването на съдържанието на компонентите в 96,75 g от стехиометричната смес. Определете излишния кислород в окислителя. Солевата се разлага и отделя кислород:

освен това, 80 g от окислителя (молекулно тегло на амониев нитрат 80) ще освободи 16 g кислород. Реакцията между бензол и амониев нитрат в смес с нулев кислороден баланс се записва като

Тогава получаваме пропорцията:

Следователно, в 96,75 g от сместа ще бъде 5,85 g бензен и 90,85 g амониев нитрат. Така окончателният състав на сместа с даден кислороден баланс и съставът на продуктите от експлозията, изчислени съгласно принципа на максимално действие, ще бъдат:

Без да се прибягва до изчислението, е възможно незабавно да се регистрира съдържанието на свободен въглерод в продуктите от експлозията, тъй като именно неговото присъствие ще определи отрицателния кислороден баланс на сместа. Тъй като пълното окисление на 12 g въглерод изисква 32 g кислород, 10 g кислород може да окисли g въглерод, или фракция от мол въглерод. Тези съображения са полезни, за да се провери точността на направените изчисления.

За да се подготви такава смес е много просто: правилното количество нитрати трябва да се смеси с бензол. При първоначалните компоненти и познаването на състава на продуктите от експлозията е лесно да се изчисли топлината на експлозията на системата. Топлината на образуване на изходните компоненти и продукти от експлозията се намира в съответните указатели. Така за 1 мол бензен е (в kJ / mol) -39.1, амониев нитрат - +410.8, CO2 - +444.2, H2O - +271.7.

Термичен ефект от експлозията Qx заряда в проблема може да се определи от уравнението

(4.29)

Тя ще бъде 374 kJ / 100 g от сместа или 3740 kJ / kg.

Обемът на образуваните газообразни продукти (в литри) може да бъде изчислен от уравнението на реакцията чрез умножаване на броя на моловете газ с 22.4 (обемът на грамовата молекула). Естествено, това трябва да отчита състоянието на веществото. Така че въглеродът (температурата на сублимация над 3700 ° C при нормално атмосферно налягане) няма да даде газова фаза, водата, разбира се, ще бъде пара. Обемът на продуктите от експлозия, отнасящи се до нормалните атмосферни условия, се нарича зададен обем.  В проблема, разгледан по-горе, той ще бъде около 800 l / kg.

Ако топлината и съставът на продуктите от експлозията са известни, тогава тяхната температура Tслънцето може да се определи от връзката Tпредприети = = Q / Cvcr където Cv cp е средната топлинна мощност на продуктите от експлозията (при постоянен обем) за интервала Τ 0–Τ взети. Важно е да се отбележи, че топлинният капацитет е функция на температурата.

Последното въвежда някои (чисто технически) усложнения в изчислението, тъй като типът на зависимост е известен. Въпреки това е по-лесно да се използват готови данни за топлинното съдържание на газовете при различни температури (Таблица 4.1).

Таблица 4.1

Промяна в топлинното съдържание (вътрешна енергия) на някои газове (kJ / mol)

Като се има предвид температурата и познаването на състава на продуктите от експлозията, можете да намерите тяхното топлосъдържание и да го сравните с топлината на експлозията. Сравнението ще определи естеството на грешката при избора на температура. Повтаряйки операцията, но с различна (коригирана) температура, можете да използвате апроксимационния метод, за да намерите температурата на експлозията.

Трябва да се отбележи, че енергията, отделена по време на експлозията, е сравнително малка: най-мощните експлозиви имат експлозия от 6500-6700 kJ / kg. При експлозия на 1 kg TNT се отделя около 4000 kJ топлина във въздуха, а при изгаряне на 1 kg дизелово гориво - около 44 000 kJ. Но топлината на изгаряне на 1 кг смес от дизелово гориво с кислород ще бъде само 10 000 кДж и 1 кг смес от дизелово гориво и въздух - 2670 кДж. Неведнъж беше подчертано, че освен освобождаването на енергия, експлозията се характеризира с образуването на продукти, които са в газообразно състояние при тези температури, които се достигат по време на експлозия.

Въпреки топлината на реакцията на термитите

около 2,3 пъти по-висока от топлината на експлозивно разлагане на TNT, нейното горене протича спокойно; получените продукти, дори при тези температури, на които се нагряват, остават течни. Но трябва само да се намокри термита, тъй като картината се променя: топлината превръща водата в пара, а изгарянето е придружено от експлозивни процеси. В експлозиви в обема, зает от заряда, експлозията веднага се образува компресиран до огромни газове налягане - продукти на реакцията, което осигурява реализацията на освободената енергия под формата на работа, извършена от разширяване на газове.

При създаването на експлозив, естествено се интересуваме от факта, че с сто експлозия се отделя повече енергия и се образуват сгъстени газове, които са способни да реализират енергията по правилния начин. Понякога тези изисквания противоречат. По този начин енергията на експлозивното разлагане може да бъде увеличена чрез избиране на подходящо запалимо, по-специално въвеждане на метали в състава на взривното вещество, например алуминий (топлината на образуване на А12О3 е 1599 kJ / mol). Алуминиевите продукти за окисляване са твърди вещества. Добавянето (до определена граница) на алуминия към някои експлозивни смеси може да увеличи ефективността на последния. Има експлозиви с повишена топлина на експлозията, съдържащи в състава си метали. Както вече беше отбелязано, съставът на продуктите от експлозията зависи не само от взривното вещество, но и от условията на експлозията: метода на започване, размера и конструкцията на заряда и корпуса, условията на средата, в която се извършва експлозията. Ако първоначалните продукти останат постоянни и съставът на продуктите от експлозията се променя, топлинният ефект на експлозията също ще се промени, поради което за някои експлозиви се дават различни стойности на взривните топлини в зависимост от условията, при които се извършва. Като пример, в таблицата. 4.2 показва (според R. Schmidt) състава на продуктите от експлозията на TNT (плътност 1.52), когато взривът на заряда е възбуден от слаби и силни инициатори.

За превръщането на взривните вещества в резултат на бързото преминаване на химическата реакция над целия заряд, процесът трябва да се саморазпространява. За да направите това, химическата реакция трябва да има подходящите кинетични характеристики, а отделянето на енергия трябва да компенсира неизбежните загуби. Скоростта на реакцията, способността за саморазпространение, екзотермичността, образуването на газ са тясно свързани помежду си и влияят взаимно и границите на взривния процес.

Таблица 4.2

Съставът на продуктите от експлозията на TNT

В раздела. 4.3 показва характеристиките на редица експлозиви и прахове, използвани от промишлеността.

Таблица 4.3

Експлозивни характеристики на някои експлозиви

Експлозив при експлозия отделя енергия поради факта, че малко количество твърдо или течно взривно вещество се превръща в огромно количество газове, нагрявани до температури от хиляди градуса. За различните видове взривни вещества обемът на изпуснатите газове на 1 kg експлозиви с първоначален обем не повече от 0,8-1 l е стойност от 300 до 1000 l и повече. Образувани по време на експлозията на горещи газообразни продукти на разпадане, експлозивите започват да се разширяват, произвеждайки механична работа. Така, експлозивите имат резерв от латентна химическа енергия, отделена по време на експлозия. Въпреки това, не само експлозивите имат латентна енергия, но например бензин, въглища, дърва за огрев и други горими вещества. Тази енергия от запалими вещества може да се освободи по време на горене. Защо, с цел унищожаване и хвърляне, се използват взривни вещества и барут вместо, например, бензин? Известно е, че 1 кг енергия от бензин е 10 пъти повече от 1 кг TNT, и 12 пъти повече от бездимния пироксилин на прах. Но взривният заряд и зареждането с барут с огромна скорост се превръщат в газове, а бензинът или всяко гориво не може да гори без достатъчно въздух или свободен кислород. Изгарянето на 1 кг бензин изисква кислород, който се съдържа в 15,5 кг въздух. Следователно, топлината на горенето (енергията) на горивото трябва да се пресметне за 1 kg от сместа с кислорода, необходим за пълното му изгаряне. С това изчисление, разликата в енергията на изгаряне на смес от бензин с кислород и енергията на експлозията на взривен заряд със същото количество е по-ниска от дадената по-горе, но в този случай количеството на енергията, отделяна при изгарянето на бензина е повече: бездимна прах - 2860 kJ / kg, тротил - 4100 kJ / kg, смес от бензин с кислород - 11,000 kJ / kg. Следователно основната причина за използването им за целите на унищожаването и хвърлянето не е количеството енергия, съдържаща се в експлозивите и барута. Основната причина не е в величината на енергията, а в много бързото й освобождаване. Ако изгарянето на 1 кг бензин в автомобилния двигател се случи (в зависимост от мощността и натоварването на двигателя) за 10–60 мин., 1 кг прах изгаря в зареждащата камера на артилерийския пистолет за няколко хилядни от секундата, а експлозията от 1 кг TNT продължава само 30 -40 стотни от секундата. Енергията по време на експлозия се освобождава десетки милиони пъти по-бързо, отколкото при изгарянето на горива. Това обяснява огромната сила на експлозията. Въпреки това е по-правилно да се изчисли мощността на експлозията не по време на детонационното време на целия заряд, но до момента, в който продуктите от експлозията надвишат нормалното ниво на атмосферното налягане, постигането на такова ниво в резултат на високоскоростното заснемане на взривния процес се извършва за няколко милисекунди. В този случай мощността на 1 kg TNT се изразява като повече от 1 MW. Но дори и в реални условия, тази мощност не може да бъде напълно реализирана поради нейната кратка продължителност, масовата инерция на прехвърляния или унищожен материал, върху който тя действа, както и загубите, причинени от нагряване на околната среда, прекомерно смилане и разпръскване, до остатъчна топлина в продукти от експлозия след окончателното им разширяване и неизбежните химически загуби. В резултат на това полезната механична работа често не надвишава 1-2%, а при експлозия в твърда среда - 8-9% от енергията, съдържаща се в експлозива. Обаче огромното количество потенциална енергия, съдържаща се в експлозивите и барута, ги прави незаменими, въпреки непълната му употреба при експлозия. Висока мощност е типична за експлозивите и когато се използват за хвърляне на снаряд. Мощността на праховия заряд на артилерийски изстрел с голям калибър е 10 MW.

Първата хронологична (края на деветнадесети век) е термичната теория, основоположниците на която са художникът Le Chatelier и Nusselt. Основата на тази теория е хипотезата на Ван Гоф за температурната зависимост на скоростта на химическа реакция. Условието за топлинна експлозия е преобладаването на топлинна енергия, дължаща се на енергията на реакцията при отвеждане на топлината в околната среда. В този случай системата натрупва топлина, което води до самонагряване и съответно до самоускоряване на реакцията.

Появата в реакционната система за окисляване е най-често свързана с нагряване на системата от един или друг източник на запалване. Когато горивната система се нагрява, енергията на горивните молекули и кислорода се увеличава и когато достигне определена стойност, те се активират, т.е. формират се активни центрове (радикали и атоми) със свободни валенции, в резултат на което молекулите на леснозапалими вещества лесно се свързват с кислорода от въздуха. AN Бах и К. Енглер през 1898 г. самостоятелно предлагат теорията за окисление на пероксидацията, според която, когато се нагрява гореща система, кислородът се активира чрез разкъсване на една връзка между атомите, а активната молекула влиза в съединение с горима субстанция, без да се разпада на атоми и образуване пероксидни съединения от вида: R 1 -OR 2 или ROO-OH.

Въпреки това, пероксидната теория не може да обясни някои характерни особености на окислителния процес, например остър ефект, понякога незначителни следи от примеси.

Скоростта на химичната реакция, m / s, може да бъде изразена въз основа на закона на Аррениус, чрез следното уравнение:

, (1.12)

където е константата на скоростта на реакцията (скоростта на химическа реакция при концентрации на реагентите, намалена до единство);

Концентрацията на реагентите, mol / тз;

Стехиометричните коефициенти се определят от съотношението на концентрациите на първоначалните реагенти в стехиометричното уравнение на реакцията;

Основата на естествените логаритми;

Универсалната газова константа = 8,3 J / (mol) K);

  - температура, К.

Термичната теория на самозапалването (наричана още теория на топлинната експлозия) се основава на сравнение на скоростите на генериране на топлина по време на екзотермично окисление и отвеждане на топлината от реагиращата смес в стената на съда, който я съдържа. Условието на самозапалване се определя от равенството на тези скорости. Температурата на стените на съда, при която се постига това равенство, се нарича температура на самозапалване. Започвайки от тази температура (характерна за всеки отделен случай за дадените специфични условия - размера и формата на съда, термофизичните свойства на газа), възниква самонагряване, което може да доведе до светкавица (самозапалване).

Като се има предвид гореизложеното, за самонагряване в реактивна среда можем да запишем:

където е топлинният капацитет при постоянен обем, J / K;

Плътност на газа, kg / m 3;

Температура на газа, К;

Време, s;

Реакционен топлинен ефект, W;

Скорост на реакция, m / s;

Повърхността на реакционния съд, т2;

Обемът на реакционния съд, тз;

Коефициент на топлопренасяне, W / (m 2 × K);

Температурата на стената на съда, К.

Д.А. Франк-Каменецки предложи критерий за термично запалване, въз основа на нарушение на стационарното разпределение на температурата в реактивен съд с достатъчна скорост на отделяне на топлина:

, (1.14)

където е характерният размер на съда, m;

Преекспоненциален фактор;

Топлинна проводимост на газовата смес, W / (m × K);

Безразмерен критерий от 3.3; 0.88 и 2 съответно за сферични, равнинно-паралелни и цилиндрични съдове.

Критерият на Д. А. Франк-Каменецки трябва да се разбира по следния начин: ако при подмяната на всички параметри, които определят, получаваме стойност, тогава няма да има запалване, когато възникне запалване. От уравнението на критерия следва, че топлината на реакцията и радиусът на съда, в който протича реакцията, са важни определящи фактори за експлозия. Топлинният взрив се изразява по-ярко, толкова по-добри са неравенствата:

Ако тези неравенства се изпълняват слабо, тогава термичният експлозия се дегенерира - едновременно с повишаването на температурата, има бързо изгаряне на оригиналното вещество, което размазва картината на експлозията.

Възникването на горене най-често се свързва с нагряването на горивната система от един или друг източник на запалване. Според теорията на академик Н.Н. Семенов, процесът на окисление е придружен от отделянето на топлина и при определени условия може да се ускори. Този процес на самоускоряване на окислителната реакция с неговия преход към горене се нарича самозапалване.

В случай на термично самозапалване, това се дължи на превишаването на скоростта на отделяне на топлина от скоростта на поглъщане.

Разгледайте процеса на термично запалване, например на горим газ или пари на горима течност с въздух, поставени в съд с обем. С повишаването на температурата на съда и горивната смес, скоростта на реакцията и топлината ще се увеличат. Зависимостта на скоростта на отделяне на топлина от температура, J / s се определя от:

, (1.15)

където е топлината на изгаряне на газ, J;

Обемът на горивната смес, тз;

Константа на скоростта на реакцията;

Концентрация на реагента, kg / тз;

Поръчка за реакция;

Енергия на активиране, j / mol;

Универсална газова константа J / (mol · K);

Температурата на сместа, К.

Освободената топлина се прехвърля в горивната смес и се загрява. Веднага след като температурата на сместа надвиши температурата на стените на съда, то топлоотвеждането през стените на съда ще започне за единица време, пропорционално на температурната разлика между сместа и стените на съда и се определя от връзката:

, (1.16)

където - скоростта на отвеждане на топлината през стените на съда, j / s;

Коефициент на топлопренасяне, J / (K · m 2 × s);

Повърхността на стените на съда, т2;

Температурата на сместа, К;

Температура на стените на съдовете, К

Фигура 1.5 - Зависимостта на генерирането на топлина от температурата при различни налягания

На фигура 1.5, криви 2, 3 и 4 показват зависимостта на генерирането на топлина от температурата при различни налягания и същия състав на сместа. При постоянни температури на съда и среда и постоянен състав на сместа количеството топлина, отделено от горивната зона, се характеризира с права линия 1. Когато съставът на сместа се промени, скоростта на загуба на топлина и следователно наклона на линията ще се промени. Колкото по-високо е налягането, толкова повече топлина се генерира по време на реакцията (крива 4). При условия, определени от крива 2, самозапалване не може да се случи, тъй като загубата на топлина (права линия 1) е по-висока от генерирането на топлина при това налягане. Точката на допиране на крива 3 с права линия съответства на равновесието между отделената и отстранена топлина при - минималната температура на самозапалване на дадена горивна система при определени условия. С малко захранване отвън е възможно самозапалване. Крива 4 описва условията, при които самозапалването е неизбежно, тъй като топлината се освобождава повече, отколкото се отстранява.

Анализ на дадената схема, N.N. Семьонов установи зависимост:

, (1.17)

където е минималното налягане на запалване, Pa;

Минималната температура на самозапалване, К;

Поръчка за реакция;

Константа, в зависимост от състава и други свойства на сместа.

Въз основа на това уравнение (1.17) теоретично може предварително да се определи дали е възможно самовъзпламеняване на горима смес при тези специфични условия. Връзката между минималното налягане и температурата на самозапалване се потвърждава от многобройни експерименти и се оказва ценна при изучаването на горивните процеси.

Теория на изгарянето на веригата

Още през 1928 г. Н. Н. Семенов изказа идеята за възможността за съществуването в химическите системи на два вида експлозии - верижни и термични.

Верижните реакции са тези, които преминават през серия от етапи (чрез поредица от междинни реакции), в които се образуват междинни съединения със свободни валенции, т.нар. Активни центрове, които са кълнове на следващите бързо течащи етапи на процеса.

Концепцията за верижна реакция се появява за пръв път през 1913 г., когато немски физик-химик М. Боденщайн установява, че когато се осветява смес от водород с хлор, молекулата на хлора, поглъщаща квантова светлинна енергия, се разпада на атоми:

.

Хлорните атоми реагират незабавно с водород, което води до експлозия на сместа. Активирането на една молекула хлор би довело до образуването на две молекули:

.

Опитите обаче показват, че това произвежда 100 000 молекули хлороводород. Това може да се обясни, ако се приеме, че взаимодействието на хлор с водород произвежда продукт, който, когато влезе във вторични реакции, се съживява и може да продължи реакцията. Това предположение съответства на следната схема на реакция:

I Първична реакция

IV отворена верига

Съгласно тази схема, активирането на една хлорна молекула (I) причинява появата на два хлорни атома - два активни центъра на верижната реакция. Всеки от хлорните атоми поражда собствена верижна реакция, при която активният център непрекъснато се възстановява (II, III). По този начин, под влиянието на иницииращата реакция (I), се случват последователни реакции, образуващи верига (II, III и т.н.). Броят на такива реакции от момента на лансирането на веригата до неговото разрушаване се нарича дължина на веригата. Веригата може да се счупи при сблъсък на атоми хлор (IV) или водород (V) и образуването на молекули от тях, или при сблъсък на активни центрове с повърхността на твърдо вещество. Това е типична неразклоняваща верижна реакция. В него всеки активен център предизвиква появата само на един нов активен център, така че реакцията може да продължи, но не и да се ускори.

При разклоняваща верижна реакция, всеки активен център поражда два или по-нови активни центъра.

Според теорията на верижните реакции процесът на окисление започва с активиране на горивно вещество.

Практиката показва, че запалването може да настъпи при изотермични условия, т.е. без повишаване на температурата на реакционната среда ("студено" запалване на сместа). В този случай те говорят за верижна (изометрична) експлозия.

Две първоначални компоненти: гориво и окислител, които са в относително стабилно молекулярно състояние, преди да бъдат свързани с нови, по-стабилни продукти на горене, преминават през цялата верига от сложни междинни трансформации, които водят до образуване на нестабилни продукти: атоми, радикали, възбудени молекули с относително големи степента на йонизация (формалдехид, въглеводородни и хидрохлоридни радикали, атомен кислород и водород).

Кондратиева В.Н. Възможно е да се открият в пламъка на различни въглеводороди високи концентрации на атомен кислород (О), радикал хидрокси киселина (ОН), въглеводородни радикали (СН 3), въглероден моноксид (СО), формалдехид (СН 2 О) и др. и милиони пъти по-високи от техните равновесни концентрации по време на термично разлагане при температура на пламъка на крайните продукти на реакцията, например, Н 2О → Н + ОН.

Резултатите от тези наблюдения доведоха до заключението, че разглежданите атоми и радикали се появяват в реагиращия газ не поради крайното разлагане на продуктите, а са междинни продукти на реакцията.

Така, верижният механизъм на запалване се основава на цялата верига от химични трансформации на едно вещество в друго, в резултат на което се образуват в някои междинни етапи на химически много нестабилни продукти, наречени активни центрове, които лесно взаимодействат помежду си и с молекулите на изходните вещества, за да образуват Нови активни центрове и крайни продукти, например, за метано-въздушна смес от H 2 O и CO 2.

Високата реактивност на радикалите и атомите се обяснява с ниската енергийна активност на техните реакции, която е близка до енергията на активиране на атомните реакции:

ОН + Н2 = Н20 + Н - 25 kJ / mol

СН 3 + С 3 Н 6 - 12,5 kJ / mol

CH3 + C6H6 - 23.5 kJ / mol

Н20 → Н + ОН

Всяка от получените активни частици (Н или ОН) е изключително нестабилна и следователно химически активна, сблъсквайки се с молекулата на първоначалното вещество, разделяща се, образувайки нови активни частици:

Н + О2 = ОН + О

ОН + Н2 = Н20 + Н

Получените частици от реакцията на активните частици Н и ХЕ отново влизат в реакции, а частиците на О взаимодействат с водород:

О + Н2 = ОН + Н.

Това означава, че в резултат на реакцията между активните частици и молекулите на изходните материали се образуват не само крайните продукти, но и новите активни частици. Активните частици, образувани в резултат на реакцията, водят до нови етапи на химична трансформация, която ще настъпи преди пълното изчерпване на изходните материали.

Такива многократно повтарящи се химични реакции се наричат ​​верижни реакции, а активни частици, които пораждат нови вериги на трансформации, са активни центрове.

Горният верижен процес на изгаряне на водород може да бъде представен като диаграма (Фигура 1.6).

Фигура 1.6 - Схема на изгаряне на водород от веригата

От диаграмата може да се види, че само водородни (Н) частици, които са активни центрове, пораждат нови трансформационни вериги. В същото време, във всяка връзка на верижния процес, в резултат на реакцията между активния център Н и кислородната молекула О2, в допълнение към крайния продукт Н2О, се образуват 3 нови активни центъра Н, което води до нови трансформационни вериги.

Такава верижна реакция, която се проявява с увеличаване на активните центрове, се нарича разклонена. Реакцията се развива като лавина и продължава с много високи темпове, далеч надвишаваща скоростта на обикновените молекулярни реакции.

Типична реакция с не-разклоняваща верига е взаимодействието на хлор с водород. Активните центрове на тази реакция са редуващи се атоми на хлор и водород. Когато един хлорен атом реагира, се образува един водороден атом, точно както когато реагира водороден атом, се образува един хлорен атом. Следователно реакцията може да продължи, но не и да се ускори.

Добре известният факт, че фотохимичната реакция на хлор с водород все още завършва с експлозия (самозапалване) се дължи на факта, че при достатъчно висока скорост на верижната реакция отделянето на топлина надвишава радиатора, в резултат на което възниква необходимата температура за самовъзпламеняване.

При възникване на разклонена верижна реакция, която е типична за въглеводородите, концентрацията на активните центрове може да се увеличи независимо от първоначалните условия на иницииране и ако скоростта на образуване на активните центрове по време на разклонението надвиши скоростта на счупване на веригата, тогава възниква самозапалващ се процес на лавина.

Теорията на верижните реакции ни позволи да обясним много характеристики на горивните процеси (силното влияние на примесите, границите на самозапалване чрез налягане, катализа и инхибиране на налягането и т.н.), което не може да се обясни с термичната теория. Механизмът на възникване и развитие на реални пожари и експлозии се характеризира с комбиниран верижно-термичен процес. Започвайки от верижен път, окислителната реакция, дължаща се на неговата екзотермичност, продължава да се ускорява от термичния път. Следователно, в крайна сметка, критичните (ограничаващи) условия за възникване и развитие на горенето ще бъдат определени чрез генериране на топлина и условия на топлообмен на реагиращата система с околната среда.

Много химични процеси се основават на химични верижни реакции. Такива процеси включват, например, процеси на полимеризация, които са в основата на производството на синтетични каучуци, пластмаси, полимерни влакна и много други продукти. Те включват също така важни промишлени процеси като производството на синтетични мастни киселини, които заменят използваните преди това ядливи мазнини при производството на почистващи смазки, крекинг - процес на получаване на висококачествени горива от нефт и др.

изгаряне  - бързо протичащо химично взаимодействие на горими вещества с окислител, придружено от отделянето на голямо количество топлина и ярък блясък (пламък). Горенето е възможно само при наличие на три фактора: запалимо вещество, окислител, топлинен източник.

Източник на топлина  (огън) може да бъде открит пламък, искра, топлина, нагрявана в резултат на триене (колани в колана), удар, налягане. Топлинният източник може също да бъде електрически (загряване на проводници, дъга), химическа и лъчиста енергия на слънцето.

Окислителни агенти  са хлор, флуор, бром. Най-често окисляващият агент е кислородът на въздуха, процесът на горене ще зависи от съдържанието му във въздуха. Ако кислородът във въздуха е повече от 14-16%, тогава се наблюдава постоянно изгаряне. Когато съдържанието на кислород е по-малко от 14%, се наблюдава тлеене и когато съдържанието му е по-малко от 8-10%, тлеенето също спира.

Възпламеним материал, Те могат да бъдат газове (амоняк, ацетилен, водород), течности (бензин, ацетон, алкохол), твърди вещества (въглища, дървесина). За да се запали твърдо вещество или течност, е необходимо да се загрее до температура с помощта на източник на топлина, така че да се получи силно отделяне на горими пари от техните повърхности. Когато се достигне определена концентрация, тези пари светят. Газовете в процеса на горене не променят своето агрегирано състояние.

Има следните видове изгаряне: 1) светкавица; 2) запалване; 3) самозапалване; 4) спонтанно запалване; 5) тлеене; 6) експлозията.

1, флаш  се нарича мигновено изгаряне на смес от кислород на въздуха с пари, газове, прах, без придружаване от образуването на сгъстени газове. Температурата на възпламеняване е най-ниската температура на запалимо вещество, при което над повърхността му се образуват пари или газове, способни да мигат от източника на запалване, но за следващото постоянно изгаряне скоростта на образуване е недостатъчна.

В зависимост от големината на тази температура, запалимите течности се разделят на:

а) запалими (запалими течности - бензин, ацетон, алкохол) - tf ≤ + 45 ° C;

б) горими течности (GZh - масла, дизелово гориво, мазут) - t vec\u003e + 45 ° C.

2. запалване  наречено трайно непрекъснато изгаряне на вещество от източник на топлина. Минималната температура на запалимо вещество, при което се запалва от източник на запалване и продължава да гори след отстраняването му, се нарича температура на запалване. Тя е по-висока от точката на възпламеняване.

Концентрациите на запалими вещества във въздуха, при които е възможно възпламеняване или експлозия, са в определени граници: по-ниската - CWP и горната - ERW. Възпалението на горими смеси не е възможно при концентрации, по-ниски от CEL (недостатъчно горими молекули в сместа) и по-високи ERW (недостатъчно кислородни молекули в сместа). Колкото по-голяма е разликата между ВЕИ и НВП, толкова по-опасно е веществото. Стойностите на тези параметри могат да намалят, например, с увеличаване на съдържанието на влага в сместа прах-въздух (PLN), например, смес от въздух със захар, брашно, въглищен прах.

Да дадем примери за стойностите на NVP и SVV за редица газове и пари на течности:

Ацетилен 3,5-82%;

Природен газ 3.8-19.2%;

Бензин 1-6%;

Въглероден моноксид 12.8-75%.

3.Самозапалване- процесът на запалване на вещества от външен източник (пламък, нагряван или нагряван корпус) без директен контакт с него при температурата на запалване. Тази температура ще намалява с увеличаване на налягането и за повечето запалими газове е в диапазона 400-700 ° C, за дърво - 340-400 ° C; въглища - 400-500 ° C. Пример за самозапалване: отопление и последващо запалване на дърво, хартия, разположена в близост до открит пламък (без контакт с нея) или горещи предмети (въглища, отворена спирала на нагревателя).

4. Спонтанно запалване  вещества възникват в резултат на физични, химични и биологични реакции, които се проявяват в самото вещество (материал), което води до изгаряне в отсъствието на източник на запалване.

Когато се съхраняват в големи количества мокро зърно, сено, слама и недостатъчна вентилация в тези материали, се получават биохимични процеси (разпад) с отделянето на топлина. Температурата на тези материали се увеличава, голямата им маса (рики, купчини) предотвратява разпръскването на генерираната топлина в околната среда, което причинява пожар. Такива материали трябва да се сушат добре преди съхранение. Контактът с тъкани (комбинезон, почистващ материал), съдържащ петна от масло и сгънат в куп без вентилация, също ще се възпламени спонтанно. Следователно работното облекло трябва да бъде окачено по такъв начин, че да се осигури свободен достъп на въздуха, а маслото да се отстрани незабавно от работните зони.

В зависимост от скоростта на реакцията, процесът на горене протича като корупция  (скорост няколко cm / s), всъщност изгаряне  (няколко м / сек) и взрива  (няколко стотин и хиляди m / s).

5. Експлозията- внезапна промяна във физическото и химическото състояние на веществото под въздействието на висока температура, налягане, химически реактиви. С експлозията обемът на генерираните газове и изпарения драстично се увеличава, освобождава се огромно количество енергия, която под формата на ударна вълна е способна да извършва механична работа (да унищожава сгради, конструкции, да наранява хората).

Изгарянето на материалите може да бъде пълно или непълно. При пълно изгаряне (излишък на кислород) се образуват негорими продукти (CO 2 и H 2 O), а при непълно изгаряне (липса на О 2) се образуват продукти на непълно окисление (СО, алкохоли, киселини). Те са токсични и експлозивни. Ето защо при организиране на процеса на изгаряне на гориво (в котли, печки) е необходимо да се осигури достатъчно количество кислород в пещта.

1. Основни понятия от теорията на горенето.

1. Характеристики на горивните процеси.

Горенето е сложен физикохимичен процес, по време на който се извършва химическа трансформация

schenie придружено от освобождаване на енергия (главно под формата на топлина и радиация)

и пренос на топлина и маса с околната среда.

Основата на горивния процес е химическа реакция, която може да продължи с a

mouskoreniem. Причините за самоускоряване могат да бъдат:

1. Натрупване на топлина в системата - топлинно ускорение

2. Натрупване на активни частици - самоускоряване на веригата

3. Автокатализата е ускорението на реакцията с продуктите му.

В много случаи практически важните горивни процеси се подчиняват чисто физически

поради факта, че при високи температури химическата трансформация може да протече при високи скорости и химичният процес подлежи на чисто физични закони, като пренос на топлина и дифузия, и се регулира от тях. Това означава химическа реакция, която може да продължи с висока скорост

има ограничена скорост и се подчинява на законите на една или друга

явно явление.

Основната характеристика на горивните процеси е, че условията на самоускоряване

химическа реакция, създадена от само себе си. В кибернетиката, това явление се нарича положителна обратна връзка, т.е. с малка промяна във външните условия, е възможно да се премине от стационарен режим на реакция при ниска скорост в режим, към

където скоростта на реакцията нараства експоненциално. Такива явления на рязка промяна в режима на реакция с малка промяна във външните условия се наричат

сте критични явленияи се призовават условията, при които те се спазват

критични условия.

Критичните явления включват:

1. Самозапалване

2. Запалване

3. Пределни концентрации на разпространение на пламъка.

Критичните явления не възникват от факта, че законите на природата драстично се променят, а

са следствие от дисбаланса между реагиращата система и околната среда

проводяща среда.

Условието на самовъзпламеняване е невъзможността за термично или дифузионно равенство

при условия на околната среда, състоянието на запалване е дисбаланс при дадените начални условия.

Втората характеристика на горивните процеси е способността им да се разпространяват

в пространството. В термичния режим на горене разпространението се осъществява чрез пренос на топлина, в случая с верига или автокаталитично - чрез дифузия на активни частици.

2. Видове и режими на горене.

1. Според общото състояние на участниците:

а. Системи за горивни газове - хомогенно горене

б. Изгаряне на твърди и течни горими (системи твърда-течна и твърдо-газова) - хетерогенно горене

в. Изгаряне на кондензирани системи (твърдо-течни системи,

течност - течност, твърдо вещество - течност).

2. Според скоростта на разпространение на процеса:

а. Изгаряне на дефлаграцията - бавно разпространение на процеса (чрез топлопроводимост или дифузия)

б. Изгаряне на детонацията - бързото разпространение на процеса (с

силата на ударната вълна).

3. По аеродинамични условия:

а. Ламинарното изгаряне е плавен фронт на пламъка.

б. Турбулентното горене е силно извит преден пламък.

Примери за различни видове изгаряне на агрегираното състояние на участниците:

Хомогенно изгаряне:

Органично изгаряне в кислород

CH4 (g) + 2O2 (g) = CO2 (g) + 2H2O (пара)

Горене в присъствието на други окислителни газове

Н2 (g) + Cl2 (g) = 2HCl (g)

Разлагане на нестабилни вещества (озон)

203 (g) = 302 (g)

Хетерогенно изгаряне:

Изгаряне на течен хидразин:

N2H4 (g) + O2 (g) = N2 (g) + 2H2O (пара)

Изгаряне на въглерода:

C (TV) + O2 (g.) = CO2 (g.)

Разлагане на нестабилни вещества (ацетилен)

С2Н2 (g) = 2С (s) + Н2 (g)

Изгаряне на горивни системи:

KClO3 (sv.) + Al (sv.) = KCl (sv.) + Al2O3 (св.) 2NH4 NO3 (св.) = 2N2 (g) + 4H2 O (пара) + O2 (g)

3. Термодинамика на горивните процеси. Топлинен баланс.

Температура на горене: Обикновено се характеризират горивните процеси чрез четири температури

перуратен изгаряне

сместа с начална температура T0273K, без да се взема под внимание топлообмена с. \\ t

околната.

3. Адиабатичен Tg ad - се определя от топлината на изгаряне на смес от произволен състав без отчитане на топлообмена с околната среда.

4. Действителното действие на Tg е действително наблюдаваната (измерена) температура на

Съотношение между различните дефиниции на температурата на горене

Топлинният баланс на горивните процеси се основава на определяне на абсорбираната топлина

изгаряне на продукти. Уравнението на топлинния баланс има формата:

където Q PG е топлината, абсорбирана от продуктите на горенето, Q p е топлината на химичната реакция,

Q ex е топлина, получена от външни източници, Q пот е загуба на топлина.

горене. Почти дисоциацията на продуктите от горенето има значителен принос само при температури над 20 000 C.

Има по-висока и по-ниска калоричност. В първия случай водата, като продукт на горене, се взима в течна форма, във втория случай - във вид на пара. От броя ви

топлината, която е разделена зависи от количеството на изгореното вещество, моларната температура е

сал и специфична топлина на горене. Т.е. топлина, отделена при горене 1

мол или килограм горими материали.

За изчисляване на специфичната топлина на горене (в kJ / kg) често се използва формулата D.I.

Менделеев

където X е съдържанието на елемента в състава на горивото в% (маса), W - влажност.

Общият подход за изчисляване на топлината на реакцията се основава на химична термодинамика

извършена от системата. Тогава от първия закон на термодинамиката (законът за енергоспестяване

при изобарния процес p = const, интеграцията (1.7) и простите трансформации дават

От (1.8) и (1.10) следва, че при изохоричните и изобарните процеси топлината придобива свойствата на функцията на състоянието, т.е. не зависи от пътя на процеса. Тази разпоредба се нарича законът за ГИ Хес, Началното и крайното състояние на химикала

запасите са изходни материали и реакционни продукти. Енталпиите на простите вещества,

стабилни при стандартни условия (298К и 0.10113 МРа) се приема, че са нула. За сложни вещества, промяната в енталпията се разглежда, когато те се образуват от елементи.

екзотермичен (генерира топлина).

4. Топлинна мощност. Зависимостта на топлинния ефект от реакцията върху температурата

Топлинната мощност - се нарича количеството топлина, необходимо за отопление на единица

масата на веществото е 1 К. Различава се специфичният иммоларен топлинен капацитет, т.е. количеството топлина, необходимо за отопление на 1 кг. Или 1 мол вещество на 1 K.

Истинската моларна топлинна мощност се определя, както следва.

С (1.12) dT

където С е моларният топлинен капацитет, mol K.

За топлинен капацитет при постоянен обем и налягане (изохоричен и изобарен) с

като имаме предвид (1.8) и (1.10)

Разгледайте зависимостта на топлината на процеса от температурата при постоянен обем или налягане. Отчитайки уравненията (1.13), получаваме

Извикват се уравнения (1.14) уравнения на Кирхоф.

Промяната в топлинния капацитет по време на реакцията се определя от израза

т.е. разликата между сумата на топлинните мощности на реакционните продукти и изходните материали.

От уравнение (1.14) следва, че ако промяната в топлинния капацитет по време на реакцията е

това е разумно (т.е., топлинният капацитет на продуктите е по-малък от топлинния капацитет на изходните материали) и тогава топлинният ефект на реакцията става по-отрицателен, реакцията става по-ефективна.

zotermichnoy.

условия на стрела, изчислени от (1.11).

Топлинният капацитет на реалните вещества по сложен начин зависи от температурата

Молекулярна енергия на изгаряне

Повечето горивни процеси са запалими, съдържащи водород и въглерод, с кислород от въздуха.

Преди да пристъпим към разглеждане на физическите и математическите основи на теорията на горенето, нека се опитаме да разберем на молекулярно ниво, откъдето идва енергията на горене, от освобождаването на което всичко останало зависи: загряването на газа, появата на активни химически центрове в него и др.

Да видим какви са топлините на основните реакции на комбиниране на въглерода и водорода с кислорода на въздуха.

Пишем в съответствие с таблицата с данни. 3.1 енергиен баланс на реакциите на последователно окисление на твърд въглерод, например графит:

Така в общата реакция на окисление на твърд въглерод се освобождават 386 kJ / mol:

Близки по размер и енергията, отделена чрез комбиниране на водород с кислород:

Молекулата на СО е може би най-трайна, енергията на свързване е 1016 kJ / mol. (Следващата по сила е молекулата N2 с енергия на свързване от 892 kJ / mol. В двете молекули има три двойки свързващи електрони, в химичния език има три валентни връзки. В молекулата на СО, първо един електрон преминава от O към C, след това O + и C- стават подобни на азотните атоми, това се потвърждава от наличието на диполен момент в молекулата СО.) В молекулата на СО2 връзката на втория кислороден атом е по-слаба: според таблица. 3.1

Енергиите на свързване на кислорода в тези съединения са сравними с енергията на свързване на оригиналната кислородна молекула. Така както

след това само 240 kJ / mol на кислороден атом. В ниската свързваща енергия на кислородната молекула, причината за нейната химична активност и причината за използване на окисление като енергиен източник.

Енергията на свързване на въглероден атом в кристалната решетка на графита (както и диамант и аморфен въглерод) е много висока. Сравнително малката реакционна енергия C (s) + 0.5O2 = = CO + 98 kJ / mol е разликата между две много големи количества: трябва да се извади половината от енергията на O2 празнината за атоми от енергията на свързването на СО (256 kJ / mol) (59 kJ / mol) ) и се изважда топлината на изпаряване на въглеродния атом. Всъщност се определя и топлината на изпаряване, равна на 671 kJ / mol. Също така е много голямо количество.

Превръщането на твърдия въглероден и газообразен водород в въглеводородни горива се осъществява с малка промяна в енергията. От друга страна, когато кислород се въвежда в органични молекули на алкохоли на тина, алдехиди и кетони, органични киселини, въглехидрати, почти толкова енергия се отделя, тъй като се освобождава по време на пълно изгаряне (до CO2 и H2O), естествено, с консумацията на равно количество кислород. Следователно, може да се счете, че с пълното изгаряне на органичното гориво се освобождава 419-500 kJ / mol консумиран кислород. Единствените изключения са някои ендотермични, богати на енергия съединения, като ацетилен и дициан, например, тяхната топлина на горене е по-голяма.

Непълното изгаряне е енергийно неизгодно не само при изчисляването на горивната молекула, но също така и върху отработената молекула на кислорода. В реакцията 2Q (s) + O2 = 2СО се освобождава само 210 kJ / mol вместо 466, когато се изгаря водород и 526, когато СО изгаря.

Силната връзка на атом С в твърдия въглерод води до факта, че въглеродът не се изпарява. Въглеродът оставя твърдото състояние само с кислород под формата на CO или CO2.

При непълно изгаряне и ниска температура реакцията 2СО = СО2 + С (tv) + 41 kJ / mol е енергийно изгодна само по отношение на твърдия въглерод. При изчисляване на свободния въглероден атом съответната реакция 2СО = СО2 + С - 129 kJ / mol има голяма енергийна бариера. Следователно сажди и сажди по време на горенето се образуват само от разлагането на органични молекули, които имат въглероден скелет, но не и от СО.

Сега ще се обърнем към окислителните реакции, включващи азот.

Азотната молекула N2 е много силна - нейната дисоциационна енергия е 226 kJ / mol. Следователно, реакцията на превръщане на N2 и О2 в 2NO е ендотермична и за термодинамични причини може да се осъществи само при висока температура.

Образуването на по-висши оксиди (NO2, N2O3, N2O4, N2O5) от азот и кислород протича почти без промяна в енергията (в сравнение с енергията на свързване на N2 и O2). Следователно, от енергийна гледна точка, кислородът, пакетиран в съединения с азот (CH3-ONO2-нитроестер, CH3 (CeH2) (NO2) 3-тринитротолуен) е почти еквивалентен на газообразния кислород. Кислородът, интегриран в органичната молекула, но свързан с азот, дава възможност да се създадат вещества, които отделят много енергия, когато молекулата се пренарежда, за да образува N2 и кислородът се прехвърля към молекулите СО2 и Н2О. Поради тази причина като прахове и взривни вещества се използват съединения, в които кислородът е свързан с азот (както и с хлор, в групите СЮ3 и С1О4).

Това са общите идеи за молекулярната енергия на горенето.