Вопрос 12. Основы химии сгорания

В состав газовых топлив входят простые (водород, азот) и сложные (углеводороды, окись углерода) вещества. Вещества, молекулы которых состоят из атомов только одного вида, называют простыми веществами. Молекулы сложных веществ состоят из атомов различного вида, сложные вещества часто называют химическими соединениями.

Атомы и молекулы имеют различные размеры и массу. Атомной массой называют относительную величину, показывающую, во сколько раз масса атома данного элемента больше 1/16 массы атома кислорода, или скольким кислородным единицам она соответствует. Молекулярная масса µ, или относительная масса молекулы, равна сумме атомных масс всех атомов, входящих в структуру данной молекулы.

Молекулы сокращенно записывают обозначениями всех входящих в их состав атомов. Такую сокращенную запись называют химической формулой данного вещества или соединения.

Количество вещества, масса которого выражена в килограммах и численно равна молекулярной массе этого вещества, называют килограмм-молекулой (киломолем) данного вещества.

Закон Авогадро: в равных объемах разных газов при одинаковых температуре и давлении содержится равное число молекул. Значит, один киломоль любого газа при одних и тех же температуре и давлении занимает один и тот же объем, т. е. при нормальных физических условиях этот объем равен 22,4 м³. Тогда плотность любого газа при н. ф. у. будет равна: ρ = M/22,4, кг/м³.

По молекулярным массам и объемным соотношениям газообразных веществ, участвующих в химических реакциях, можно определить и их весовые соотношения или рассчитать, сколько необходимо исходных веществ, чтобы получить определенное количество продуктов реакции.

Горение топлива – это процесс окисления, т.е. процесс соединения горючего вещества с кислородом. Окисление сопровождается выделением тепла.

Реакцию горения метана можно выразить следующим уравнением:

СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2 Н₂О

Из уравнения видно, что 1 киломоль (12+4=16 кг) метана, реагируя с 2 киломолями кислорода (2×32=64 кг), дает 1 киломоль (12+32=44 кг) углекислоты и 2 киломоля ((2+16)×2=36 кг) водяного пара. Каждый киломоль любого газа занимает одинаковый объем, который при н. ф. у. равен 22,4 м³. Поэтому в объемном исчислении уравнение горения метана можно записать:

22,4 м³ СН₄ + 2×22,4 м³ О₂=22,4 м³ СО₂ + 2×22,4 м³ Н₂О

Для полного сгорания 1 м³ метана необходимо израсходовать 2 м³ кислорода, а в продуктах сгорания получим 1 м³ углекислоты и 2 м³ водяного пара.

На практике газовое топливо сжигают в смеси с воздухом, а не с кислородом. Воздух содержит по объему около 21% кислорода и около 79% азота. Азот воздуха не участвует в реакции горения и переходит в продукты сгорания в количестве 79/21=3,76 на каждый объем кислорода.

Тогда уравнение полного сгорания метана в воздухе примет вид:

СН₄+2 О₂+2×3,76 N₂=СО₂+2 Н₂О+2×3,76 N₂

На основании уравнений реакций горения можно определить весовое количество продуктов сгорания, например количество водяного пара. При сгорании 1 м³ метана образуется 2 м³ водяного пара. Плотность водяного пара при нормальных физических условиях равна 0,8 кг/м³. Два кубических метра водяного пара будут весить 1,6 кг.