- •Федеральное агентство по образованию
- •В.А. Яблоков теория горения и взрывов
- •Содержание
- •Глава 1. Теоретические основы процесса горения 3
- •Глава 2. Особенности горения газов, жидкостей и твердых веществ 11
- •Глава 3. Механизм горения 21
- •Глава 4. Взрывчатые вещества 29
- •Глава 5. Топливо 33
- •Глава 6. Экологические проблемы 50
- •Глава 1
- •1.1. Некоторые понятия и определения
- •1.2. Вспышка и воспламенение гомогенных и гетерогенных систем
- •1.3. Пламя
- •1.4. Кинетическая и диффузионная области горения
- •Глава 2
- •2.1. Особенности горения газов
- •2.2. Особенности горения жидкостей
- •2.3. Теория теплового воспламенения
- •2.4. Основы теории цепных реакций
- •Глава 3
- •3.1. Механизм горения водорода в кислороде
- •3.2. Механизм горения оксида углерода (II)
- •3.3. Механизм горения метана
- •3.4. Механизм горения углерода
- •Глава 4
- •4.1. Характеристика процессов протекающих при взрыве
- •4.2. Практическое использование взрывов
- •Глава 5
- •Классификация топлива
- •5.1. Важнейшие свойства топлива
- •5.2. Важнейшие компоненты топлива
- •5.3. Теплотворная способность топлива
- •5.4. Твердое топливо
- •5.5. Жидкое топливо
- •5.6. Мировые запасы нефти
- •5.7. Переработка нефти
- •Дизельное топливо
- •Глава 6
- •6.1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ
- •6.2. Предельно допустимые концентрации (пдк) примесей
- •Пдк некоторых вредных примесей в атмосфере на территории России
- •Твердые частицы
- •6.3. Кислотные дожди
- •6.4. Канцерогенные вещества
- •6.5. Образование оксидов азота при сжигании топлива
2.4. Основы теории цепных реакций
Многие специфические особенности реакций горения и взрыва объясняются особым – цепным механизмом этих процессов. В обычных - не цепных реакциях - взаимодействие происходит путем столкновения между реагирующими молекулами. При столкновении молекулы сдвигаются до такого расстояния, при котором электроны и атомы одной молекулы попадают в сферу действия электрических сил другой молекулы. При столкновении происходят переходы электронов от одного атома к другому и перегруппировки атомов, в результате которых образуются новые молекулы. Чтобы эти процессы произошли, требуется минимально необходимый запас энергии у сталкивающихся молекул. Далеко не каждое столкновение приводит к реакции. Обычно их доля от общего числа столкновений составляет величину от 10-15 до 10-20. Столкновения, приводящие к реакции, называются активными столкновениями, а молекулы – активными молекулами.
В некоторых реакциях, к которым относятся реакции горения и взрыва, большую роль играют различные свободных радикалов (осколков молекул) и атомов с ненасыщенной валентностью, получающихся по тем или иным причинам. Такие образования, называющиеся промежуточными активными частицами, имеют неспаренные электроны и обладают очень высокой реакционной способностью. Они стремятся любым способом присоединить к себе другие атомы или активные частицы, чтобы реализовать свои валентные возможности. Часто их реакции с обычными молекулами имеют очень низкую энергию активации, поэтому доля эффективных столкновений очень высока (близка к 1). Поэтому при первых же столкновениях с другими молекулами они вызывают протекание химических реакций между собой. Время жизни таких молекул очень мало. Если учесть, что в газе при давлении 1 атм. каждая молекула претерпевает около 1*1010 столкновений, то время жизни активных частиц составляет ~10-10 с. Ниже вы познакомитесь с механизмами некоторых цепных реакций горения, в которых реакции активных частиц имеют достаточно высокую энергию активации (десятки кДж/моль). Для них доля эффективных столкновений на несколько порядков меньше 1 и далеко не каждое столкновение заканчивается результативно. Например, при температуре 300К доля эффективных столкновений для реакций с энергией активации 5, 10, 15, 20 и 50 кДж/моль приблизительно равна соответственно 10-1, 10-2, 10-3, 10-4 и 10-9.
Особенностью взаимодействия свободных радикалов или атомов заключается в том, что при их взаимодействии с обычными молекулами всегда образуются новые активные частицы. Активные частицы не могут исчезнуть путем столкновения и взаимодействия с насыщенными частицами. Поэтому пока существует свободный радикал или атом, происходит непрерывный процесс создания новых активных частиц. Исчезнуть активные частицы могут либо путем столкновения с другой активной частицей либо со стенкой сосуда.
Цепными называются реакции, в которых появление одной активной частицы вызывает большое число превращений неактивных частиц вследствие регенерации активной частицы в каждом элементарном акте реакции.
В создании теории цепных реакций основную роль сыграл советский ученый академик Н.Н Семенов. Он показал, что цепные реакции являются весьма распространенными и играют важную роль во многих практически важных процессах органической химии, например, при горении топлива, при крекинге, полимеризации, бромировании, хлорировании, реакциях термораспада и др.