Põlemine on keemiline reaktsioon. Põlemine (reaktsioon)

Peaaegu iga päev peame kõik toime tulema selle või selle põlemisprotsessi ilminguga. Meie artiklis tahame üksikasjalikumalt rääkida, milliseid funktsioone see protsess teaduslikust seisukohast sisaldab.

See on tuleprotsessi põhikomponent. Tuli saab alguse põlemise algusest, selle arengu intensiivsus on tavaliselt tule läbitud teekond ehk põlemiskiirus ja kustutamine lõpeb põlemise katkemisega.

Põlemise all mõistetakse tavaliselt eksotermilist reaktsiooni kütuse ja oksüdeeriva aine vahel, millega kaasneb vähemalt üks kolmest järgmisest tegurist: leek, hõõgumine, suitsu teke. Põlemisprotsessi keerukuse tõttu ei ole see määratlus ammendav. See ei võta arvesse selliseid olulisi põlemisomadusi nagu aluseks oleva eksotermilise reaktsiooni kiire vool, selle isemajandav iseloom ja protsessi võime ise levida põleva segu kaudu.

Aeglase eksotermilise redoksreaktsiooni (raua korrosioon, mädanemine) ja põlemise erinevus seisneb selles, et viimane kulgeb nii kiiresti, et soojus tekib kiiremini kui see hajub. See toob kaasa temperatuuri tõusu reaktsioonitsoonis sadade ja isegi tuhandete kraadide võrra, nähtava kuma ja leegi tekkeni. Tegelikult tekib nii tuline põlemine.Kui soojust eraldub, aga leeki pole, siis seda protsessi nimetatakse hõõgumiseks.Mõlemal protsessil tekivad ainete täieliku või mittetäieliku põlemisega aerosoolid. Väärib märkimist, et mõnede ainete põlemisel pole leeki näha, samuti ei teki suitsu, selliste ainete hulka kuulub vesinik. Põlemise mõiste alla ei kuulu ka liiga kiired reaktsioonid (plahvatuslik muundumine).

Põlemise toimumise vajalik tingimus on põleva aine, oksüdeeriva aine (tulekahju korral mängib oma rolli õhuhapnik) ja süüteallika olemasolu. Otsese süüte korral olemasolu kriitilised tingimused vastavalt põleva segu koostisele, põlevmaterjali geomeetriale ja temperatuurile, rõhule jne. Pärast põlemise algust toimib leek ise või reaktsioonitsoon süüteallikana.

Näiteks on metaani võimeline hapniku toimel oksüdeerima soojuse vabanemisega 500-700 K juures metüülalkoholiks ja sipelghappeks. Reaktsiooni jätkumiseks tuleb aga välise kuumutamise tõttu soojust täiendada. See ei ole põlemine. Reaktsioonisegu kuumutamisel temperatuurini üle 1000 K suureneb metaani oksüdatsiooni kiirus nii palju, et eralduvast soojusest piisab reaktsiooni edasiseks jätkumiseks, kaob vajadus soojusvarustuse järele väljastpoolt ja algab põlemine. Seega on tekkinud põlemisreaktsioon võimeline end ise ülal pidama. See on peamine eristav tunnus põlemisprotsess. Veel üks sellega seotud omadus on leegi, mis on keemilise reaktsiooni tsoon, võime spontaanselt levida läbi põleva keskkonna või põleva materjali kiirusega, mis on määratud reaktsioonisegu olemuse ja koostise ning protsessi tingimustega. . See on tulekahju tekke peamine mehhanism.

Tüüpiline põlemismudel põhineb orgaaniliste ainete või süsiniku oksüdatsioonireaktsioonil atmosfäärihapnikuga. Põlemisega kaasnevad paljud füüsikalised ja keemilised protsessid. Füüsika on soojuse ülekandmine süsteemi. Oksüdatsiooni- ja redutseerimisreaktsioonid on keemia poolelt osa põlemise olemusest. Seega tulenevad põlemise mõistest mitmesugused keemilised muundumised, sealhulgas lähteühendite lagunemine, produktide dissotsiatsioon ja ionisatsioon.

Põleva aine või materjali kombinatsioon oksüdeeriva ainega on põlev keskkond. Põlevainete lagunemise tulemusena süüteallika mõjul tekib gaasi-auru-õhu reaktsioonisegu. Põlevaid segusid, mis koostiselt (kütuse ja oksüdeerija komponentide suhe) vastavad keemilise reaktsiooni võrrandile, nimetatakse stöhhiomeetrilise koostisega segudeks. Need on tulekahju seisukohalt kõige ohtlikumad: süttivad kergemini, põlevad intensiivsemalt, tagades aine täieliku põlemise, mille tulemusena eraldavad maksimaalselt soojust.

Riis. 1. Difusioonleekide kujundid

a - põlemine jugaga, b - mahavalgunud vedeliku põletamine, c - metsarisu põletamine

Põlevmaterjali koguse ja oksüdeerija mahu suhte järgi eristatakse lahjasid ja rikkaid segusid: kehvad segud sisaldavad ohtralt oksüdeerijat, rikkad sisaldavad põlevat materjali. Minimaalne oksüdeeriva aine kogus, mis on vajalik konkreetse põleva aine massiühiku (mahu) täielikuks põlemiseks, määratakse keemilise reaktsiooni võrrandiga. Hapniku osalusel põletamisel jääb enamiku põlevate ainete jaoks vajalik (eri)õhukulu vahemikku 4-15 m 3 /kg. Ainete ja materjalide põletamine on võimalik ainult siis, kui nende aurude või gaasiliste toodete sisaldus õhus, samuti hapniku kontsentratsioonil, mis ei ole väiksem kui etteantud piir.

Nii et papi ja puuvilla puhul toimub isekustuvus juba 14 mahu juures. % hapnikku ja polüestervill – 16 mahu juures. %. Põlemisprotsessis, nagu ka teistes keemilistes protsessides, on kohustuslikud kaks etappi: molekulaarse kontakti loomine reagentide vahel ja kütusemolekulide koostoime oksüdeerijaga reaktsioonisaaduste moodustamiseks. Kui algreaktiivide konversioonikiirus määratakse difusiooniprotsessidega, s.o. ülekandekiirus (põlevgaaside ja hapniku aurud kanduvad kontsentratsioonigradiendi toimel reaktsioonitsooni vastavalt Ficki difusiooniseadustele), siis nimetatakse seda põlemisrežiimi difusiooniks. Joonisel fig. 1 on antud erinevaid vorme difusioonileegid. Difusioonirežiimis on põlemistsoon hägune ja selles moodustub märkimisväärne kogus mittetäieliku põlemisprodukte. Kui põlemiskiirus sõltub ainult keemilise reaktsiooni kiirusest, mis on palju suurem difusioonikiirusest, siis nimetatakse põlemisrežiimi kineetiliseks. Tal on rohkem suured kiirused ja põlemise täielikkus ning sellest tulenevalt kõrge soojuseralduskiirus ja leegi temperatuur. See režiim toimub kütuse ja oksüdeerija eelsegatud segudes. Seega, kui keemilise reaktsiooni tsoonis olevad reaktiivid on samas (tavaliselt gaasi) faasis, siis sellist põlemist nimetatakse homogeenseks, kui kütus ja oksüdeerija on reaktsioonitsoonis erinevates faasides, siis heterogeenseks. Homogeenne on mitte ainult gaaside, vaid ka enamiku tahkete ainete põlemine. Seda seletatakse asjaoluga, et reaktsioonitsoonis ei põle mitte materjalid ise, vaid nende aurud ja gaasilised lagunemissaadused. Leegi olemasolu on tunnusmärk homogeenne põlemine.

Heterogeense põlemise näideteks on süsiniku, puidu süsinikusisaldusega jääkide, mittelenduvate metallide põletamine, mis püsivad ka kõrgetel temperatuuridel tahkes olekus. Keemiline põlemisreaktsioon toimub sel juhul liideses (tahke ja gaasiline). Pange tähele, et põlemisproduktideks võivad olla mitte ainult oksiidid, vaid ka fluoriidid, kloriidid, nitriidid, sulfiidid, karbiidid jne.

Põlemisprotsessi omadused on erinevad. Need võib jagada järgmistesse rühmadesse: leegi kuju, suurus ja struktuur; leegi temperatuur, selle kiirgusvõime; soojuse eraldumine ja põlemissoojus; põlemiskiirus ja säästva põlemise kontsentratsioonipiirid jne.

Kõik teavad, et põlemisel tekib kuma, mis põlemisproduktiga kaasneb.

Mõelge kahele süsteemile:

• gaasiline süsteem
• kondenseeritud süsteem

Esimesel juhul, kui toimub põlemine, toimub kogu protsess leegis, teisel juhul aga osa reaktsioonidest materjalis endas või selle pinnal. Nagu eespool mainitud, on gaase, mis võivad põleda ilma leegita, kuid tahkeid aineid silmas pidades on ka metallirühmi, mis on samuti võimelised põlema ilma leeki tekitamata.

Osa leegist maksimaalne väärtus kus toimuvad intensiivsed transformatsioonid, nimetatakse leegifrondiks.

Soojusvahetusprotsessid ja aktiivsete osakeste difusioon põlemistsoonist, mis on võtmemehhanismid leegifrondi liikumisel läbi põleva segu.

Leegi levimiskiirus jaguneb tavaliselt järgmisteks osadeks:

• deflagratsioon (tavaline), voolab allahelikiirusel (0,05-50 m/s)
• detonatsioon, kui kiirused ulatuvad 500-3000 m/s.

Riis. 2. Laminaarne difusioonileek

Sõltuvalt leegi tekitava gaasivoolu kiiruse iseloomust eristatakse laminaarset ja turbulentset leeki. Laminaarses leegis toimub gaaside liikumine erinevates kihtides, kõik soojus- ja massiülekande protsessid toimuvad molekulaarse difusiooni ja konvektsiooni kaudu. Turbulentsetes leekides toimuvad soojus- ja massiülekande protsessid peamiselt makroskoopilise keerise liikumise tõttu. Laminaarse difusioonileegi näide on küünlaleek (joonis 2). Igal leegil, mis on kõrgem kui 30 cm, on juba juhuslik gaasiline mehaaniline ebastabiilsus, mis väljendub nähtavates suitsu ja leegi keeristes.

Riis. 3. Üleminek laminaarselt voolult turbulentsele

Väga ilmekas näide üleminekust laminaarselt voolult turbulentsele on sigaretisuitsu piisk (joonis 3), mis tõustes umbes 30 cm kõrgusele omandab turbulentsi.

Tulekahju ajal on leegid hajusalt turbulentsed. Turbulentsi esinemine leegis suurendab soojusülekannet ja segunemine mõjutab keemilisi protsesse. Turbulentses leegis on ka põlemiskiirus suurem. See nähtus raskendab väikesemahuliste leekide käitumise ülekandmist suure sügavuse ja kõrgusega leekidele.

Eksperimentaalselt on tõestatud, et ainete põlemistemperatuur õhus on palju madalam kui põlemistemperatuur atmosfäärihapniku keskkonnas.

Õhus kõigub temperatuur 650–3100 °C ja hapnikus tõuseb temperatuur 500–800 °C.

Põlemine on inimeste jaoks üks huvitavamaid ja elulisemaid loodusnähtusi. Põlemine on inimesele kasulik seni, kuni see ei välju tema ratsionaalsele tahtele allumisest. Vastasel juhul võib see põhjustada tulekahju. Tulekahju - see on kontrollimatu põletamine, mis põhjustab materiaalset kahju, kahjustab kodanike elu ja tervist, ühiskonna ja riigi huve. Põlemisprotsessi tundmine on tulekahjude ennetamiseks ja likvideerimiseks hädavajalik.

Põlemine on keemiline oksüdatsioonireaktsioon, millega kaasneb soojuse eraldumine. Põlemine eeldab põleva aine, oksüdeeriva aine ja süüteallika olemasolu.

põlev aine Mis tahes tahke, vedel või gaasiline aine, mis on võimeline oksüdeeruma soojuse vabanemisega.

Oksüdeerijad võib olla kloor, fluor, broom, jood, lämmastikoksiidid ja muud ained. Enamasti toimub tulekahju ajal põlevate ainete oksüdeerumine õhuhapnikuga.

Süüteallikas annab põlevale ainele ja oksüdeerijale energiamõju, mis viib põlemiseni. Süüteallikad jagunevad tavaliselt lahtisteks (helendavad) - välk, leek, sädemed, hõõguvad esemed, valguskiirgus; ja peidetud (mittehelendav) - keemiliste reaktsioonide, mikrobioloogiliste protsesside, adiabaatilise kokkusurumise, hõõrdumise, löökide jne soojus. Neil on erinevad leegi- ja kuumutustemperatuurid. Igas süüteallikas peab olema piisav soojus- või energiavarustus, et see saaks reaktiividele üle kanda. Seetõttu mõjutab põlemisprotsessi ka süüteallikaga kokkupuute kestus. Pärast põlemisprotsessi algust toetab seda selle tsooni soojuskiirgus.

Põlev ja oksüdeeriv aine kütusesüsteem, mis võivad olla keemiliselt ebahomogeensed või homogeensed. Keemiliselt mittehomogeenses süsteemis ei ole põlev aine ja oksüdeerija segunenud ning neil on liides (tahked ja vedelad põlevad ained, õhku satuvad põlevate gaaside ja aurude joad). Selliste süsteemide põlemisel difundeerub õhuhapnik pidevalt läbi põlemissaaduste põlevasse ainesse ja seejärel toimub keemiline reaktsioon. Sellist põlemist nimetatakse difusioon. Difusioonipõlemiskiirus on madal, kuna difusiooniprotsess aeglustab seda. Kui gaasilises, aurulises või tolmuses olekus põlev aine on juba õhuga segunenud (enne selle süütamist), siis on selline põlev süsteem homogeenne ja selle põlemisprotsess sõltub ainult keemilise reaktsiooni kiirusest. Sel juhul toimub põlemine kiiresti ja seda nimetatakse kineetiline.

Põlemine võib olla täielik või mittetäielik. Täielik põlemine toimub siis, kui hapnik siseneb põlemistsooni piisavas koguses. Kui hapnikku ei jätku kõigi reaktsioonis osalevate saaduste oksüdeerimiseks, toimub mittetäielik põlemine. Täieliku põlemisproduktide hulka kuuluvad süsinikdioksiid ja vääveldioksiid, veeaur, lämmastik, mis ei ole võimelised edasiseks oksüdeerumiseks ja põlemiseks. Mittetäieliku põlemise saadused on süsinikmonooksiid, tahm ja aine lagunemissaadused kuumuse toimel. Enamasti kaasneb põlemisega intensiivse valguskiirguse – leegi – ilmumine.

Põlemist on mitut tüüpi: sähvatus, süüde, süttimine, isesüttimine, isesüttimine, plahvatus.

Välklamp - see on põleva segu kiire põlemine ilma gaasi rõhu suurenemiseta. Välgu ajal tekkivast soojushulgast ei piisa põlemise jätkamiseks.

tulekahju - see on põlemine süüteallika mõjul.

Süütamine - süttimine, millega kaasneb leegi ilmumine. Samal ajal jääb ülejäänud põlevaine mass suhteliselt külmaks.

Isesüttimine - aine eksotermiliste oksüdatsioonireaktsioonide kiiruse järsu suurenemise nähtus, mis põhjustab selle põlemise välise süüteallika puudumisel. Sisepõlemisprotsessid jagunevad olenevalt sisemistest põhjustest keemiliseks, mikrobioloogiliseks ja termiliseks. Keemiline isesüttimine Tekib õhuhapniku, vee toimel ainetele või ainete vastasmõjul. Õlitatud kaltsud, kombinesoonid, vatt ja isegi metallilaastud süttivad iseeneslikult. Õlitatud kiudmaterjalide iseenesliku põlemise põhjuseks on rasvainete jaotumine õhukese kihina nende pinnal ja hapniku imendumine õhust. Õli oksüdeerumisega kaasneb soojuse eraldumine. Kui soojust tekib rohkem kui soojuskadu keskkonda, võib põlemine toimuda ilma soojusvarustuseta. Mõned ained süttivad veega suhtlemisel spontaanselt. Nende hulka kuuluvad kaalium-, naatrium-, kaltsiumkarbiid ja leelismetallide karbiidid. Kaltsium süttib suhtlemisel kuum vesi. Kaltsiumoksiid (kiirelubja) muutub väikese koguse veega suhtlemisel väga kuumaks ja võib sellega kokkupuutel süttida süttivaid materjale (näiteks puitu). Mõned ained süttivad teistega segamisel spontaanselt. Nende hulka kuuluvad eelkõige tugevad oksüdeerivad ained (kloor, broom, fluor, jood), mis kokkupuutel mõne orgaanilise ainega põhjustavad nende iseeneslikku süttimist. Atsetüleen, vesinik, metaan, etüleen, tärpentin süttivad kloori toimel valguses spontaanselt. Lämmastikhape, mis on ka tugev oksüdeerija, võib põhjustada laastude, põhu ja puuvilla iseeneslikku süttimist. Mikrobioloogiline isesüttimine on see, et taimsetes saadustes sobiva niiskuse ja temperatuuri juures intensiivistab turvas mikroorganismide elutegevust. See tõstab temperatuuri ja võib põhjustada põlemisprotsessi. Termiline isesüttimine tekib ebaolulise soojusallika pikaajalise toime tulemusena. Sel juhul ained lagunevad ja suurenenud oksüdatiivsete protsesside tulemusena isekuumenevad. Poolkuivavad taimeõlid (päevalille-, puuvillaseemned jne), riitsinusõli, tärpentinlakid, värvid ja kruntvärvid, puit ja puitkiudplaat, katusepaber, nitrolinoleum ja mõned muud materjalid ja ained võivad temperatuuridel iseeneslikult süttida keskkond 80-100 °C.

Isesüttimine See on isesüttimine, millega kaasneb leegi ilmumine. Õhuga segunenud tahked ja vedelad ained, aurud, gaasid ja tolm võivad iseeneslikult süttida.

Plahvatus (plahvatusohtlik põlemine) on ülikiire põlemine, millega kaasneb suure energiahulga eraldumine ja mehaanilist hävingut tekitavate surugaaside moodustumine.

Põlemistüüpe iseloomustavad temperatuuriparameetrid, millest peamised on järgmised. Leekpunkt - see on põleva aine madalaim temperatuur, mille juures selle pinna kohal tekivad aurud või gaasid, mis võivad süttimisallikast õhus korraks lahvatada. Kuid aurude või gaaside moodustumise kiirus on põlemise jätkamiseks endiselt ebapiisav. Leekpunkt - see on põleva aine madalaim temperatuur, mille juures see eraldab tuleohtlikke aure või gaase sellisel kiirusel, et pärast nende süütamist süüteallikast toimub stabiilne põlemine. Isesüttimistemperatuur - see on aine madalaim temperatuur, mille juures toimub eksotermiliste reaktsioonide kiirus järsk tõus, mis lõpeb süttimisega. Uuritud tahkete põlevate materjalide ja ainete isesüttimistemperatuur on 30 - 670 °C. enamus madal temperatuur isesüttimisel on valge fosfor, kõrgeim - magneesium. Enamiku puiduliikide puhul on see temperatuur 330–470?

Kokkuvõte eluohutusest

originaaldokument?

PÕLEMISPROTSESSIDE FÜÜSIKALIS-KEEMILISED ALUSED

Keemilised protsessid põlemisel. Põlevainete olemus. 3. loeng

Tule- ja plahvatusoht ained ja materjalid- see on omaduste kogum, mis iseloomustab nende võimet põlemist algatada ja levitada.

Põlemise tagajärjeks võib olenevalt selle kiirusest ja voolutingimustest olla tulekahju või plahvatus.

Tule- ja plahvatusohtaineid ja materjale iseloomustavad näitajad, mille valik sõltub agregatsiooni olek aine (materjal) ja selle kasutamise tingimused.

Määramisel tulekahjude ja plahvatusohud ained ja materjalid, eristatakse järgmisi agregatsiooniseisundeid:

gaasid - ained, rõhk küllastunud aurud mis normaaltingimustes (25°C ja 101325 Pa) ületab 101325 Pa;

vedelikud - ained, mille küllastunud aururõhk normaaltingimustes (25 °C ja 101325 Pa) on alla 101325 Pa. Vedelikud hõlmavad ka tahkeid sulamisaineid, mille sulamis- või tilkumispunkt on alla 50 °C;

tahked ained ja materjalid- üksikud ained ja nende segud, mille sulamistemperatuur on üle 50 ° C, samuti ained, millel pole sulamistemperatuuri (näiteks puit, riie, turvas;

tolm - hajutatud ained ja materjalid, mille osakeste suurus on alla 850 mikroni.

Põlemine kui ainete oksüdatsiooni keemiline reaktsioon hapniku osalusel

Põlemine - üks esimesi keerulisi füüsikalisi ja keemilisi protsesse, millega inimene kohtus oma arengu koidikul. Selle protsessi omandades sai ta tohutu üleoleku ümbritsevate elusolendite ja loodusjõudude ees.

Põlemine - üks energia saamise ja muundamise vorme, paljude alus tehnoloogilised protsessid tootmine. Seetõttu õpib inimene pidevalt põlemisprotsesse.

Põlemisteaduse ajalugu algab M.V. avastamisega. Lomonosov: "Põlemine on aine ja õhu kombinatsioon." See avastus oli aluseks ainete massi jäävuse seaduse avastamisele nende füüsikalistes ja keemilistes muundumistes. Lavoisier täpsustas põlemisprotsessi definitsiooni "Põlemine on aine kombinatsioon mitte õhuga, vaid õhus oleva hapnikuga."

Seejärel andsid põlemisteaduse uurimisse ja arendamisse olulise panuse Nõukogude ja Venemaa teadlased A.V. Michelson, N.N. Semenov, Ya.V. Zeldovia, Yu.B. Khariton, I.V. Blinov ja teised.

Põlemisprotsess põhineb eksotermilistel redoksreaktsioonidel, mis järgivad keemilise kineetika, keemilise termodünaamika ja muid põhiseadusi (massi, energia jäävuse seadus jne).

põletamine on keeruline füüsikalis-keemiline protsess, mille käigus põlevad ained ja materjalid satuvad kõrgete temperatuuride mõjul keemilisele vastasmõjule oksüdeeriva ainega (õhuhapnik), muutudes põlemissaadusteks ning millega kaasneb intensiivne soojuseraldus ja valguse kuma. .

Põlemisprotsess põhineb keemilisel oksüdatsioonireaktsioonil, s.o. algpõlevate ainete ühendid hapnikuga. Põlemiskeemiliste reaktsioonide võrrandites võetakse arvesse ka lämmastikku, mis sisaldub õhus, kuigi see ei osale põlemisreaktsioonides. Tinglikult eeldatakse, et õhu koostis on konstantne, sisaldades 21% mahust hapnikku ja 79% lämmastikku (massi järgi vastavalt 23% ja 77% lämmastikku), s.o. 1 ruumala hapnikku moodustab 3,76 mahuosa lämmastikku. Või 1 mool hapnikku moodustab 3,76 mooli lämmastikku. Siis saab näiteks metaani põlemisreaktsiooni õhus kirjutada järgmiselt:

CH 4 + 2O 2 + 2´ 3,76 N 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 2 ´ 3,76N2

Lämmastikku keemiliste reaktsioonide võrrandites tuleb arvestada, sest see neelab osa põlemisreaktsioonide tulemusena eralduvast soojusest ja on osa põlemissaadustest- suitsugaasid.

Mõelge oksüdatsiooniprotsessidele.

Vesiniku oksüdatsioon viiakse läbi vastavalt reaktsioonile:

H 2 + 0,5O 2 \u003d H2O.

Eksperimentaalsed andmed vesiniku ja hapniku vahelise reaktsiooni kohta on arvukad ja mitmekesised. Igas reaalses (kõrgtemperatuurilises) leegis vesiniku ja hapniku segus on võimalik radikaal * OH või vesinikuaatomite H ja hapniku O moodustumine, mis käivitavad vesiniku oksüdeerumise veeauruks.

Põlemine süsinik . Leekides tekkiv süsinik võib olla gaasiline, vedel või tahke. Selle oksüdeerumine, sõltumata agregatsiooni olekust, toimub hapnikuga suhtlemise tõttu. Põlemine võib olla täielik või mittetäielik, mille määrab hapnikusisaldus:

C + O 2 = CO 2(täis) 2C + O 2 \u003d 2CO (mittetäielik)

Homogeenset mehhanismi ei ole uuritud (süsinik gaasilises olekus). Kõige enam on uuritud süsiniku vastasmõju tahkes olekus. Seda protsessi saab skemaatiliselt kujutada järgmiste sammudega:

1. oksüdeeriva aine (O 2 ) viimine liidesele molekulaarse ja konvektiivse difusiooni teel;

2. oksüdeerivate molekulide füüsikaline adsorptsioon;

3. adsorbeerunud oksüdeerija interaktsioon pinna süsinikuaatomitega ja reaktsiooniproduktide teke;

4. reaktsiooniproduktide desorptsioon gaasifaasi.

Põlemine vingugaas . Süsinikmonooksiidi kogu põlemisreaktsioon kirjutatakse kujul CO + 0,5O 2 = CO 2, kuigi süsinikmonooksiidi oksüdatsioonil on keerulisem mehhanism.hapnik, st. See protsess on mitmeastmeline:

* OH + CO = CO 2 + H; O + CO \u003d CO 2

Otsene reaktsioon CO + O 2 -> CO 2 on ebatõenäoline, kuna tõelised CO ja O 2 kuivsegud on äärmiselt madalad kiirused põleb või ei saa üldse süttida.

Algloomade oksüdatsioon süsivesinik sisse.Metaan põleb, moodustades süsinikdioksiidi ja veeauru:

CH 4 + O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O.

Kuid see protsess hõlmab tegelikult tervet rida reaktsioone, milles osalevad kõrge keemilise aktiivsusega molekulaarosakesed (aatomid ja vabad radikaalid): * CH 3, * H, * OH. Kuigi need aatomid ja radikaalid eksisteerivad leegis lühikest aega, kulutavad nad kiiresti kütust. Maagaasi põlemisel tekivad süsiniku, vesiniku ja hapniku kompleksid ning süsiniku ja hapniku kompleksid, mille hävitamisel tekib CO, CO 2, H 2 O. Arvatavasti võib metaani põlemisskeemi kirjutada järgmiselt. järgmine:

CH 4 → C 2 H 4 → C 2 H 2 → süsiniku produktid + O 2 →C x U y Oz → CO, CO 2, H 2 O.

Termiline lagunemine, tahkete ainete pürolüüs

Tahke põleva materjali temperatuuri tõusuga katkevad keemilised sidemed lihtsamate komponentide (tahke, vedel, gaasiline) moodustumisega. Seda protsessi nimetatakse termiline lagunemine või pürolüüs . Molekulide termiline lagunemine orgaanilised ühendid toimub leegis, st. kõrgendatud temperatuuridel põlemispinna lähedal. Lagunemismustrid ei sõltu ainult kütusest, vaid ka pürolüüsi temperatuurist, selle muutumise kiirusest, proovi suurusest, kujust, lagunemisastmest jne.

Mõelge pürolüüsi protsessile kõige tavalisema tahke põleva materjali näitel- puit.

Puit on segu suurest hulgast erineva struktuuri ja omadustega ainetest. Selle põhikomponendid on hemitselluloos (25%), tselluloos (50%), ligniin (25%). Hemitselluloos koosneb pentasaanide (C 5 H 8 O 4), heksasaanide (C 6 H 10 O 5), polüuroniidide segust. ligniin on oma olemuselt aromaatne ja sisaldab aromaatsete tsüklitega seotud süsivesikuid. Puit sisaldab keskmiselt 50% C, 6% H, 44% O. See on poorne materjal, mille pooride maht ulatub 50- 75%. Puidu kõige vähem kuumakindel komponent on hemitselluloos (220- 250°C), kõige kuumuskindlam komponent- ligniin (selle intensiivset lagunemist täheldatakse temperatuuril 350 ° C- 450 °C). Niisiis koosneb puidu lagunemine järgmistest protsessidest:

Söe ja turba pürolüüs kulgeb sarnaselt puiduga. Nende lenduvat saagist täheldatakse aga muudel temperatuuridel. Kivisüsi koosneb tahkematest kuumuskindlatest süsinikku sisaldavatest komponentidest ning selle lagunemine toimub vähem intensiivselt ja kõrgematel temperatuuridel (joon. 1).

Metallide põletamine

Põlemise olemuse järgi jagunevad metallid kahte rühma: lenduvad ja mittelenduvad. Lenduvatel metallidel on T pl .< 1000 K ja T pall .< 1500 K . Nende hulka kuuluvad leelismetallid (liitium, naatrium, kaalium) ja leelismuldmetallid (magneesium, kaltsium). Metallide põletamine toimub järgmiselt: 4 Li + O 2 = 2 Li2O . Mittelenduvatel metallidel on T pl . > 1000 K ja T pall . > 2500 K.

Põlemismehhanismi määravad suuresti metalloksiidi omadused. Lenduvate metallide temperatuur on nende oksiidide sulamistemperatuurist madalam. Sel juhul on viimased pigem poorsed moodustised. Kui metalli pinnale tuua süütesäde, siis see aurustub ja oksüdeerub.

Kui aurude kontsentratsioon on võrdne süttimise alumise kontsentratsioonipiiriga, siis need süttivad. Difusioonpõlemise tsoon rajatakse pinna lähedale, suur osa soojusest kantakse üle metallile ja see kuumutatakse keemistemperatuurini.

Saadud aurud, mis hajuvad vabalt läbi poorse oksiidkile, sisenevad põlemistsooni. Metalli keetmine põhjustab oksiidkile perioodilist hävimist, mis intensiivistab põlemist. Põlemissaadused (metallioksiidid) ei difundeeru mitte ainult metalli pinnale, aidates kaasa metalloksiidkooriku moodustumisele, vaid ka ümbritsevasse ruumi, kus kondenseerudes moodustuvad tahked osakesed valge suitsu kujul. Valge tiheda suitsu teke on visuaalne märk lenduvate metallide põlemisest.

Kõrge faasisiirdetemperatuuriga mittelenduvate metallide puhul tekib põlemisel pinnale väga tihe oksiidkile, mis haakub hästi metallipinnaga. Selle tulemusena väheneb järsult metalliauru difusioonikiirus läbi kile ja suured osakesed, nagu alumiinium või berüllium, ei ole võimelised põlema. Reeglina tekivad selliste metallide tulekahjud, kui need sisestatakse laastude, pulbrite, aerosoolide kujul. Nende põlemine toimub ilma tiheda suitsu moodustumiseta. Tiheda oksiidkile moodustumine metalli pinnale põhjustab osakeste plahvatuse. See nähtus, mida eriti sageli täheldatakse siis, kui osake liigub kõrge temperatuuriga oksüdeerivas keskkonnas, on seotud metalliaurude kogunemisega oksiidkile alla, millele järgneb selle äkiline plahvatus. See toob loomulikult kaasa põlemise järsu intensiivistumise.

põlev tolm

Tolm - see on hajutatud süsteem, mis koosneb gaasilisest hajutatud keskkonnast (õhk) ja tahkest faasist (jahu, suhkur, puit, kivisüsi jne).

Leegi levimine tolmule toimub külma segu kuumenemise tõttu leegi esiküljelt tuleva kiirgusvoo toimel. Tahked osakesed, mis neelavad kiirgusvoost soojust, kuumenevad, lagunevad koos põlevate toodete eraldumisega, mis moodustavad õhuga põlevaid segusid.

Väga väikeste osakestega aerosool põleb süüteallika mõjutsoonis süütamisel kiiresti. Leegi tsooni paksus on aga nii väike, et selle kiirguse intensiivsus on osakeste lagunemiseks ebapiisav ning leegi statsionaarset levikut üle selliste osakeste ei toimu.

Ka suuri osakesi sisaldav aerosool ei ole võimeline paikselt põlema. Osakeste suuruse suurenemisega väheneb erisoojusvahetuspind ja pikeneb nende kuumutamise aeg lagunemistemperatuurini.

Kui tahke materjali osakeste lagunemise tõttu leegifrondi ees põleva auru-õhu segu tekkeaeg on pikem kui leegifrondi eksisteerimise aeg, siis põlemist ei toimu.

Leegi levimise kiirust tolmu-õhu segude kaudu mõjutavad tegurid:

1. tolmu kontsentratsioon ( maksimaalne kiirus leegi levik toimub stöhhiomeetrilisest koostisest mõnevõrra kõrgemate segude puhul, näiteks turbatolmu puhul kontsentratsiooniga 1- 1,5 kg / m 3);

2. tuhasisaldus (tuhasisalduse suurenemisega põleva komponendi kontsentratsioon väheneb ja leegi levimiskiirus väheneb);

Tolmu klassifitseerimine plahvatusohu järgi:

I klass - kõige plahvatusohtlikum tolm (kontsentratsioon kuni 15 g/m3);

II klass - plahvatusohtlik kuni 15-65 g/m 3

III klass - kõige tuleohtlikum > 65 g/m 3 T sv ≤ 250°C;

IV klass - tuleohtlik > 65 g/m 3 T St > 250°С.

anoksiline põlemine

On mitmeid aineid, mis, kui nende temperatuur tõuseb üle teatud taseme, läbivad keemilise lagunemise, mille tulemuseks on leegist raskesti eristatav gaas. Püssirohi ja mõned sünteetilised materjalid võivad põleda ilma õhuta või neutraalses keskkonnas (puhtas lämmastikus).

tselluloosi põletamine (link - C6H7O2 (OH) 3 - ) võib kujutada sisemise redoksreaktsioonina hapnikuaatomeid sisaldavas molekulis, mis võib reageerida tselluloosiüksuse süsiniku ja vesinikuga.

Kaasas tulekahju ammooniumnitraat, saab säilitada ilma hapnikuvarustuseta. Need tulekahjud on tõenäoliselt suure ammooniumnitraadisisaldusega (umbes 2000 tonni) orgaanilise aine juuresolekul, eriti paberkotid või pakkida kotte.

Näiteks on õnnetus 1947. aastal. Laev “suurlaager” oli Texas City sadamas umbes 2800 tonnise ammooniumnitraadi lastiga. Tuli sai alguse kaubaruumis paberkottidesse pakitud ammooniumnitraadist. Laeva kapten otsustas tuld veega mitte kustutada, et lasti mitte rikkuda, ning püüdis tuld kustutada tekiluugid liistudes ja auru lastiruumi lastes. Sellised meetmed aitavad kaasa olukorra halvenemisele, intensiivistades tulekahju ilma õhu juurdepääsuta, kuna ammooniumnitraati kuumutatakse. Tulekahju sai alguse kell 8 hommikul ja kell 9. 15 minutit hiljem toimus plahvatus. Selle tagajärjel hukkus üle 200 sadamas tunglenud ja tulekahju pealt vaadanud inimese, sealhulgas laeva meeskond ja ümber laeva lennanud kahe 4-liikmelise lennuki meeskond.

Järgmisel päeval kell 13.10 plahvatas ka teine ​​ammooniumnitraati ja väävlit vedanud laev, mis süttis eelmisel päeval esimesest laevast.

Marshall kirjeldab 1961. aastal Frankfurdi lähedal puhkenud tulekahju. Konveierilindi poolt põhjustatud spontaanne termiline lagunemine viis 8 .. tonni väetise põlenguni, kolmandik sellest kogusest moodustas ammooniumnitraat ja ülejäänu.- väetisena kasutatavad inertsed ained. Põleng kestis 12 tundi. Põlengu tagajärjel eraldus suures koguses mürgiseid gaase, mille hulgas oli ka lämmastikku.

Teema 3. PÕLEMISE KEEMILISED ALUSED.

3.1. Põlemisreaktsioonide keemia.

Nagu te juba aru saite, on põlemine kiire keemiline reaktsioon, millega kaasneb soojuse eraldumine ja hõõgumine (leek). Tavaliselt on see põleva aine ja oksüdeeriva aine - õhuhapniku - kombinatsiooni eksotermiline oksüdatiivne reaktsioon.

põlevad ained võivad olla gaasid, vedelikud ja tahked ained-la. Need on H 2, CO, väävel, fosfor, metallid, C m H n (süsivesinikud gaaside, vedelike ja tahkete ainete kujul, s.o orgaanilised ained. Looduslikud süsivesinikud on näiteks maagaas, nafta, kivisüsi). Põhimõtteliselt võivad kõik oksüdatsioonivõimelised ained olla põlevad.

Oksüdeerijad serveerida: hapnik, osoon, halogeenid (F, Cl, Br, J), dilämmastikoksiid (NO 2), ammooniumnitraat (NH 4 NO 3) jne. Metallides võivad olla ka CO 2, H 2 O, N 2 oksüdeerivad ained.

Mõnel juhul toimub põlemine endotermilistes protsessides saadud ainete lagunemisreaktsioonide käigus. Näiteks kui atsetüleen laguneb:

C2H2 = 2C + H2.

eksotermiline Reaktsioonid on reaktsioonid, mis eraldavad soojust.

Endotermiline Reaktsioonid on reaktsioonid, mis toimuvad soojuse neeldumisel.

Näiteks:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q - eksotermiline reaktsioon,

2H 2 O + Q \u003d 2H 2 + O 2 - endotermiline reaktsioon,

kus: Q - soojusenergia.

Seega saavad endotermilised reaktsioonid kulgeda ainult välise soojusenergia sissetoomisega, s.t. kuumutamisel.

Keemilistes reaktsioonides vastavalt massi jäävuse seadusele ainete kaal enne reaktsiooni võrdne kaaluga ained, mis tekivad pärast reaktsiooni. Keemiliste võrrandite võrdsustamisel saame stöhhiomeetriline ravimvormid.

Näiteks reaktsioonis

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

meil on 1 mol CH 4 + 2 mol O 2 = 1 mol CO 2 + 2 mol H 2 O.

Ainete valemite ees olevat moolide arvu nimetatakse stöhhiomeetrilisteks koefitsientideks.

Võttes arvesse mõisteid "molaarne maht", "molaarne kontsentratsioon", "osarõhk", leiame, et metaani täielikuks reaktsiooniks tuleb 1 mol CH4 segada 2 mooli O 2 ehk 1/3-ga. \u003d 33,3% CH4 ja 2/3 = 66,7% O2. Sellist kompositsiooni nimetatakse stöhhiomeetriliseks.

Kui arvestada CH 4 põlemist õhus, s.o. segus 21% O 2 + 79% N 2 või O 2 + 79 / 21N 2 või O 2 + 3,76 N 2, siis kirjutatakse reaktsioon järgmiselt:

CH 4 + 2O 2 + 2 × 3,76 N 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 2 × 3,76 N 2.

1 mol CH 4 + 2 mol O 2 +7,52 mol N 2 = 10,52 mol O 2, N 2 ja CH 4 segu.

Seejärel on segu stöhhiomeetriline koostis:

(1/10,52)*100%=9,5% CH4; (2/10,52)*100%=19,0% O2;

(7,52 / 10,52) * 100% \u003d 71,5% N 2.

See tähendab, et kõige põlevamas segus on reaktsioonis hapnikuga 100% (CH 4 + O 2) asemel 24% (CH 4 + O 2) reaktsioonis õhuga, s.o. soojust eraldub palju vähem.

Sama pilt saadakse, kui segame suvalisi mittestöhhiomeetrilisi kompositsioone.

Näiteks reaktsioonis 2CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + CH 4 1 mol CH4 ei reageeri eelnevalt.

Reaktsioonis CH 4 + 4O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 2O 2 2 mooli O 2 ei osale reaktsioonis, vaid täidavad ballasti rolli, mille kuumutamiseks on vaja teatud kogust soojust.

Seega, kui võrrelda metaani põlemisreaktsioone hapnikus ja õhus või CH 4 ja O 2 liiases, siis on selge, et esimeses reaktsioonis vabanev soojushulk on suurem kui teistes, kuna neis:

Reagentide väiksem kontsentratsioon kogu segus;

Osa soojusest kulub ballasti soojendamiseks: lämmastik, hapnik või metaan.

Esitame küsimusi:

Milline energia võib reaktsiooni käigus vabaneda?

Millest sõltub soojushulk, s.t. termiline efekt uuesti

Kui palju soojusenergiat tuleb lisada

endotermiline reaktsioon?

Selleks võetakse kasutusele aine soojussisalduse mõiste.

3.2.Ainete soojussisaldus.

Kust tuli metaani põlemisreaktsiooni soojus? Nii peideti see CH 4 ja O 2 molekulidesse ning nüüd on see vabastatud.

Siin on näide lihtsamast reaktsioonist:

2H2 + O2 \u003d 2H2O + Q

See tähendab, et vesiniku ja hapniku stöhhiomeetrilise segu energiatase oli kõrgem kui H 2 O reaktsioonisaaduse energiatase ja ainest eraldus “lisa” energia.

Vee elektrolüüsi pöördreaktsioonis, s.o. vee lagunemine elektrienergia abil, toimub veemolekulis aatomite ümberjaotumine koos vesiniku ja hapniku moodustumisega. Sel juhul suureneb H 2 ja O 2 soojussisaldus.

Seega saab või annab iga aine oma moodustumise käigus teatud energiat ja aine moodustumise ajal kogunenud soojusenergia mõõtu nimetatakse nn. soojuse sisaldus, või entalpia.

Erinevalt keemiast tähistatakse keemilises termodünaamikas aine moodustumise soojust mitte sümboliga Q, vaid sümboliga DH märgiga (+), kui soojust neelab keemiline ühend, ja märgiga (-) kui reaktsiooni käigus eraldub soojus ehk see „lahkub“ süsteemidest.

Märgitakse 1 mooli aine moodustumise standardsoojust rõhul 101,3 kPa ja temperatuuril 298 K.

Teatmeteosed annavad lihtainetest ühendite tekkesoojused.

Näiteks:

CO 2 juures \u003d - 393,5 kJ / mol

U H 2 O gaas \u003d - 241,8 kJ / mol

Kuid ainete puhul, mis moodustuvad endotermiliste protsesside käigus, näiteks atsetüleen C 2 H 2 \u003d + 226,8 kJ / mol, vesinikuaatomi H + moodustumisel vastavalt reaktsioonile H 2 \u003d H + + H + \u003d + 217,9 kJ/mol.

Puhaste ainete puhul, mis koosnevad ühest stabiilsel kujul olevast keemilisest elemendist (H 2 , O 2 , C, Na jne), võetakse DH tinglikult võrdseks nulliga.

Kui aga arutleda ainete makroskoopiliste omaduste üle, siis eristatakse mitmeid energia vorme: kineetiline, potentsiaalne, keemiline, elektriline, soojus-, tuumaenergia ja mehaaniline töö. Ja kui käsitleda küsimust molekulaarsel tasandil, siis saab neid energiavorme seletada ainult kahe vormi – liikumise kineetilise energia ning aatomite ja molekulide potentsiaalse puhkeenergia – põhjal.

Keemilistes reaktsioonides muutuvad ainult molekulid. Aatomid jäävad muutumatuks. Molekuli energia on selle aatomite sidumisenergia, mis on kogunenud molekuli. Selle määravad aatomite üksteise külgetõmbejõud. Lisaks on olemas potentsiaalne energia Molekulide üksteise külgetõmbejõud. Gaasides on see väike, vedelikes kõrgem ja tahketes ainetes veelgi suurem.

Igal aatomil on energiat, millest osa on seotud elektronidega ja osa tuumaga. Elektronidel on kineetiline pöörlemisenergia ümber tuuma ja potentsiaal elektrienergia tõmbejõud üksteise vastu ja tõrjumine üksteisest.

Nende molekulaarenergia vormide summa on molekuli soojussisaldus.

Kui summeerida aine 6,02×10 23 molekuli soojussisaldus, saame selle aine molaarse soojussisalduse.

Miks võetakse üheelemendiliste ainete (ühe elemendi molekulide) soojussisaldus nulliks, saab seletada järgmiselt.

Keemilise elemendi DH, see tähendab selle moodustumise energia, on seotud tuumasiseste protsessidega. Tuumaenergia on seotud tuumasiseste osakeste vastasmõju jõududega ja tuumareaktsioonide käigus ühe keemilise elemendi muundumisega teiseks. Näiteks uraani lagunemisreaktsioon:

või lihtsamalt: U+n®Ba+Kr+3n.

kus: n ’ o on neutronosake massiga 1 ja laenguga null.

Uraan püüab kinni neutroni, mille tulemusena see jaguneb (laguneb) kaheks uueks elemendiks - baariumiks ja krüptoniks - 3 neutroni moodustumisega ning tuumaenergia vabaneb.

Tuleb öelda, et koos tuumareaktsioonid on seotud miljoneid kordi suuremate energiamuutustega kui keemiliste reaktsioonide korral. Seega on uraani lagunemisenergia 4,5×10 9 kcal/mol×uraan. Seda on 10 miljonit korda rohkem kui ühe mool kivisöe põletamisel.

Keemilistes reaktsioonides aatomid ei muutu, küll aga molekulid. Seetõttu ei võeta arvesse keemikute poolt aatomite moodustumise energiat ning üheelemendiliste gaasimolekulide ja puhaste ainete aatomite DH on võrdne nulliga.

Ülaltoodud uraani lagunemisreaktsioon on klassikaline näide ahelreaktsioon. teooria keti mehhanism Põlemisreaktsioone käsitleme hiljem. Aga kust neutron pärineb ja mis paneb selle uraaniga reageerima - see on tingitud nn aktiveerimisenergiast, mida käsitleme veidi hiljem.

3.3. Reaktsiooni termiline mõju.

Asjaolu, et iga aine sisaldab teatud kogust energiat, selgitab keemiliste reaktsioonide termilisi mõjusid.

Hessi seaduse kohaselt: Keemilise reaktsiooni termiline efekt sõltub ainult alg- ja lõppproduktide olemusest ega sõltu ühest olekust teise ülemineku vahereaktsioonide arvust.

Järeldus 1 Selle seaduse punkt: Keemilise reaktsiooni termiline efekt on võrdne lõppsaaduste moodustumise soojuste summa ja lähteainete moodustumise soojuste summa vahega, võttes arvesse valemite koefitsiente. need ained reaktsioonivõrrandis.

Näiteks reaktsioonis 2H 2 +O 2 \u003d 2H 2 O ± DH.

; ; .

Lõpuks üldvõrrand reaktsioonid näevad välja järgmised:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O - 582 kJ / mol.

Ja kui DH on märgistatud (-), on reaktsioon eksotermiline.

Tagajärg 2. Lavoisier-Laplace'i seaduse järgi on keemilise ühendi lagunemisel tekkiv soojusefekt võrdne ja vastupidise märgiga selle tekke termilisele efektile.

Siis on vee lagunemise reaktsioon järgmine:

2H 2 O = 2H 2 + O 2 +582 kJ / mol, s.o. see reaktsioon on endotermiline.

Näide keerulisemast reaktsioonist:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O.

Seejärel kirjutatakse reaktsioon järgmiselt:

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O - 742,3 kJ / mol, mis tähendab, et reaktsioon on eksotermiline.

3.4. Gaasireaktsioonide kineetilised alused.

Massi toime seaduse kohaselt on reaktsiooni kiirus konstantsel temperatuuril võrdeline reageerivate ainete kontsentratsiooniga või, nagu öeldakse, "toimivate massidega".

Keemilise reaktsiooni kiirus ( υ ) on tavaks arvestada aine kogust, mis reageerib ajaühikus ( dt) mahuühiku kohta ( dV).

Vaatleme reaktsiooni kulgemist võrrandi järgi:

A + B = C + D.

Kuna reaktsioonikiirus iseloomustab reagentide kontsentratsiooni vähenemist aja jooksul ja reaktsioonisaaduste kontsentratsiooni suurenemist, võime kirjutada:

, (3.1)

kus miinused tuletistes näitavad komponentide kontsentratsiooni muutumise suunda ja komponentide kontsentratsioonid on näidatud nurksulgudes.

Seejärel toimub otsene pöördumatu reaktsioon T \u003d const kiirusega:

, (3.2)

kus: k on keemilise reaktsiooni kiiruskonstant. See ei sõltu komponentide kontsentratsioonist, vaid muutub ainult temperatuuriga.

Vastavalt massimõju seadusele kaasatakse reaktsioonikomponentide kontsentratsioonid kineetilisesse võrrandisse määral, mis on võrdne selle komponendi stöhhiomeetrilise koefitsiendiga.

Nii et reaktsiooni jaoks

aA + bB = cC + dD

Kineetilisel võrrandil on järgmine kuju:

Eksponente a, b, c, d nimetatakse tavaliselt reaktsiooni järkudeks komponentides A, B, C, D ja eksponentide summaks on üldine kord reaktsioonid.

Näiteks reaktsioonid nagu

A ® bB + cC - tellin,

2A \u003d bB + cC - II järjekord,

A + B \u003d cC + dD - III järjekord.

Kuna kõigi reageerivate komponentide kontsentratsioonid on omavahel seotud stöhhiomeetriliste võrranditega, siis on esimest järku kõige lihtsamad kineetilised võrrandid esimest järku diferentsiaalvõrrandid ühe sõltumatu muutujaga – kontsentratsiooniga – ja neid saab integreerida.

kõige lihtsam kineetiline võrrand on tüübi esimest järku võrrand

milleks . (3.4)

Tähistame komponendi A kontsentratsiooniga enne reaktsiooni algust ja integreerides võrrandi piirtingimuse t=0, [A]=[A 0 ] alla, saame:

Või [A] = × e - kt . (3.5)

Seega on reaktsioonikiiruse sõltuvus ainete kontsentratsioonist eksponentsiaalne.

Kineetiline energia gas seletab seda nii. Arrheniuse hüpoteesi kohaselt toimub molekulidevaheline reaktsioon ainult siis, kui need on aktiivsed, s.t. neil on üleliigne energia, mis on piisav aatomitevaheliste sidemete katkestamiseks, nn aktiveerimisenergia E A.

Need. keemilise reaktsiooni kiirus ei sõltu mitte kõikide molekulide, vaid ainult aktiveeritud molekulide kokkupõrgete arvust.

Vastavalt Boltzmanni seadusele aktiivsete molekulide arv

n A \u003d n o * e - E / RT, (3.6)

kus: E on aktiveerimisenergia,

T on gaasisegu temperatuur,

n o - koguarv molekulid.

Siis on efektiivsete kokkupõrgete arv, mis langeb kokku reaktsioonikiirusega:

υ p \u003d Z eff \u003d Z 0 * e - E / RT, (3.7)

kus: Z 0 on molekulaarsete kokkupõrgete koguarv.

1) reaktsioonikiirus on võrdeline aktiivsete molekulide kontsentratsiooniga, mille arv sõltub temperatuurist ja rõhust segus, kuna rõhk on molekulide arv, mis põrkuvad mis tahes pinnaga;

2) reaktsioon on võimalik ainult siis, kui interakteeruvad molekulid saavad teatud koguse energiat, mis on piisav aatomitevaheliste sidemete katkestamiseks või nõrgendamiseks. Aktiveerimine seisneb molekulide üleminekus olekusse, milles on võimalik keemiline muundamine.

Enamasti toimub aktiveerimisprotsess vahepealsete, ebastabiilsete, kuid väga aktiivsete aatomiühendite moodustumisega.

Seega on mitte ainult endotermiliste protsesside jaoks vaja välist energiavarustust, vaid ka eksotermiliste protsesside jaoks. Eksotermilise reaktsiooni toimumiseks tuleb sellele anda teatud soojusenergia impulss. Näiteks selleks, et vesiniku ja hapniku segus toimuks põlemisreaktsioon, tuleb see süüdata.

Minimaalset soojusenergia kogust, mis on vajalik keemilise reaktsiooni "käivitamiseks", nimetatakse aktiveerimisenergiaks.

3.5. Reaktsiooni aktiveerimise energia.

Selle nähtuse selgitamiseks kasutatakse sageli järgmist näidet (joonis 9):

Platvormil on pall. Koht asub mäe ees. Seetõttu võiks pall ise alla veereda, kui mitte liug. Kuid spontaanseks laskumiseks tuleb see mäe tippu tõsta. Sel juhul ei vabane mitte ainult mäest üles minemise energia, vaid ka alla minemise energia.

Riis. 9. Reaktsiooni aktiveerimise skeem.

Mõelge kahele reaktsioonile:

1) H 2 + O 2 \u003d H 2 O-

2) H 2 O \u003d H 2 + O 2 +

Nagu jooniselt näha, E 2 =+E 1;

Üldiselt iga reaktsiooni jaoks

.

Ja soojusefekti märk sõltub E 1 ja E 2 erinevusest, mis on alati positiivsed.

Seega on aktiveerimisenergia energia, mis on vajalik reageerivate ainete olekusse muutmiseks aktiivne kompleks(aatomitevaheliste sidemete katkemine, molekulide lähenemine, energia akumuleerumine molekulis...).

Gaaside temperatuuri tõusuga suureneb järsult aktiivsete molekulide osakaal (e - E / RT) ja seega ka reaktsioonikiirus vastavalt eksponentsiaalsele sõltuvusele. Seda sõltuvust saab illustreerida järgmiselt:

Riis. 10. Reaktsiooni kiiruse sõltuvus temperatuurist: 1 - 1. reaktsiooni kiirus, 2 - 2. reaktsiooni kiirus.

Nagu on näha jooniselt 10, on esimese reaktsiooni kiirus väiksem kui teise reaktsiooni kiirus ja 1. reaktsiooni aktiveerimisenergia on suurem kui teise reaktsiooni kiirus. Ja samal temperatuuril T 2 υ 2 > υ 1 . Mida suurem on aktiveerimisenergia, seda kõrgemat temperatuuri on vaja antud reaktsioonikiiruse saavutamiseks.

Selle põhjuseks on asjaolu, et kui E on suurem, on olemasolevad aatomitevahelised sidemed reageerivate komponentide molekulides tugevamad ja nende jõudude ületamiseks on vaja rohkem energiat. Sel juhul on aktiivsete molekulide osakaal vastavalt väiksem.

Eeltoodust on näha, et aktiveerimisenergia suurus on keemilise protsessi kõige olulisem omadus. See määrab energiabarjääri kõrguse, mille ületamine on reaktsiooni kulgemise tingimus. Teisest küljest iseloomustab see reaktsioonikiirust temperatuuri funktsioonina, st. mida suurem on aktiveerimisenergia, seda kõrgem on temperatuur antud reaktsiooni saavutamiseks.

3.6. Katalüüs.

Lisaks ainete temperatuuri ja kontsentratsiooni tõstmisele kasutavad nad keemilise reaktsiooni kiirendamiseks katalüsaatorid, st. ained, mis viiakse reageerivasse segusse, kuid mida reaktsioonis ei kulutata, vaid kiirendavad seda aktiveerimisenergiat alandades.

Reaktsioonikiiruse suurendamise protsessi katalüsaatorite abil nimetatakse katalüüs.

Katalüsaatorid osalevad vahereaktsioonides aktiveeritud kompleksi loomiseks, nõrgendades sidemeid lähteainete molekulides, nende lagunemisel, molekulide adsorptsioonil katalüsaatori pinnal või aktiivsete katalüsaatorosakeste sisseviimisel.

Katalüsaatori osalemise olemust saab seletada järgmise skeemiga:

Reaktsioon ilma katalüsaatorita: A + B = AB.

Katalüsaatoriga X: A + X = AX ® AX + B = AB + X.

Esitame pildi, mis sarnaneb joonisel fig. 9.

Riis. 11. Katalüsaatori toime skeem: E b.cat ja E kassiga on vastavalt ilma katalüsaatorita ja katalüsaatoriga reaktsiooni aktiveerimisenergiad.

Katalüsaatori sisestamisel (joonis 11) võib reaktsioon kulgeda erinevat rada pidi madalama energiabarjääriga. See rada vastab uuele reaktsioonimehhanismile teise aktiveeritud kompleksi moodustumise kaudu. Ja uus madalam energiabarjäär suudab ületada rohkem osakesi, mis suurendab reaktsioonikiirust.

Tuleb märkida, et pöördreaktsiooni aktiveerimisenergia väheneb sama palju kui otsereaktsiooni aktiveerimisenergia, s.o. mõlemad reaktsioonid kiirenevad võrdselt ja katalüsaatorid reaktsiooni ei algata, vaid kiirendavad reaktsiooni, mis võib toimuda ka nende puudumisel, kuid palju aeglasemalt.

Reaktsiooni vaheproduktid võivad muutuda katalüsaatoriteks, siis nimetatakse seda reaktsiooni autokatalüütiliseks. Seega, kui tavaliste reaktsioonide kiirus väheneb reagentide tarbimisel, siis autokatalüüsist tulenev põlemisreaktsioon ise kiireneb ja on autokatalüütiline.

Kõige sagedamini kasutatakse katalüsaatoritena tahkeid aineid, mis adsorbeerivad reagentide molekule. Adsorptsiooni käigus nõrgenevad sidemed reageerivates molekulides ja seeläbi soodustatakse nendevahelist reaktsiooni.

Mis on adsorptsioon?

3.7. Adsorptsioon.

Adsorptsioon- aine pinnaneeldumine gaasilisest keskkonnast või lahusest teise aine pinnakihi poolt - vedeliku või tahke keha.

Näiteks mürgiste gaaside adsorptsioon gaasimaskides kasutatava aktiivsöe pinnal.

Eristage füüsikalist ja keemilist adsorptsiooni.

Kell füüsiline adsorptsiooni korral säilitavad püütud osakesed oma omadused ja millal keemiline– tekivad adsorbaadi keemilised ühendid adsorbendiga.

Adsorptsiooniprotsessiga kaasneb soojuse eraldumine. Füüsikalise adsorptsiooni puhul on see ebaoluline (1-5 kcal/mol), keemilise adsorptsiooni puhul palju suurem (10-100 kcal/mol). Seega saab katalüüsi ajal toimuvaid keemilisi reaktsioone kiirendada.

Põlemis- ja plahvatusprotsesside kohta võib tuua järgmised näited:

1. H 2 + O 2 segu isesüttimistemperatuur on 500 0 C. Pallaadiumikatalüsaatori juuresolekul langeb see 100 0 C-ni.

2. Söe iseenesliku põlemise protsessid saavad alguse hapniku keemilisest adsorptsioonist söeosakeste pinnal.

3. Puhta hapnikuga töötamisel adsorbeerub hapnik riietele hästi (füüsiline adsorptsioon). Ja sädeme või leegi juuresolekul lähevad riided kergesti põlema.

4. Tehniliste õlide poolt hapnik hästi adsorbeerub ja imendub koos plahvatusohtliku segu moodustumisega. Segu plahvatab spontaanselt, ilma süüteallikata (keemiline imendumine).