23. Горение металлов.
На поверхности металлов в процессе окисления образуются твердые оксиды, пленка которых препятствует прямому контакту с кислородом воздуха. На способность металлов возгораться и гореть большое влияние оказывают физико-химические свойства как самих металлов, так и их оксидов. Главными из этих свойств являются температуры плавления и кипения металлов и их оксидов. По этим физическим свойствам металлы подразделяются на летучие и нелетучие. Все летучие металлы (К, Na, Li, Mg, Ca) имеют низкую температуру плавления и при горении находятся в жидком состоянии. Температура кипения их (кроме калия) ниже температуры плавления оксидов. Поэтому на жидком металле могут находиться твердые оксиды. При контакте металла с пламенем – он нагревается и окисляется. Дальнейший нагрев металла приводит к его испарению. Пары металла диффундируют сквозь пористый твердый оксид в воздух. При достаточной концентрации паров начинается горение, и большая часть теплоты горения передается металлу, – в результате он вновь нагревается до температуры кипения, – происходит разрыв корки оксида и более интенсивное горение. Пары оксидов конденсируются в воздухе и превращаются в мельчайшие твердые частицы – дым. Образование белого плотного дыма является од-
ним из признаков горения металлов. Нелетучие металлы имеют свои особенности горения (температура
плавления оксидов часто ниже температуры кипения металлов, поэтому они могут находиться на поверхности металлов в жидком состоянии) – Al, Si, Ti, Zr. Горение этих металлов происходит энергичнее в состоянии порошков, аэрозолей и стружки без образования дыма. Титан способен образовывать твердый раствор оксида в металле, поэтому у него отсутствует четкая поверхность раздела между оксидом и ме-
таллом. Кислород воздуха имеет возможность диффундировать через оксид, в результате горение может продолжаться, если титан покрыт слоем твердого оксида. Температура горения титана около 3000 С, т. е. ниже, чем температура кипения его оксида. В связи с этим в зоне горения оксид титана находится в жидком состоянии и образования плотного белого дыма не происходит.
24 Факторы, влияющие на скорость химической реакции.
Скорость химической реакции зависит от природы реагирующих веществ и условий протекания реакции: концентрации с, температуры t , присутствия катализаторов, а также от некоторых других факторов (например, от давления - для газовых реакций, от измельчения - для твердых веществ, от радиоактивного облучения).
Влияние концентраций реагирующих веществ. Чтобы осуществлялось химическое взаимодействие веществ А и В, их молекулы (частицы) должны столкнуться. Чем больше столкновений, тем быстрее протекает реакция. Число же столкновений тем больше, чем выше концентрация реагирующих веществ. Отсюда на основе обширного экспериментального материала сформулирован основной закон химической кинетики, устанавливающий зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ:
Cкорость химической реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ.
Для реакции ( I ) этот закон выразится уравнением
v = kcA cB , (1)
где сА и сВ - концентрации веществ А и В, моль/л; k - коэффициент пропорциональности, называемый константой скорости реакции. Основной закон химической кинетики часто называют законом действующих масс.
Из уравнения (1) нетрудно установить физический смысл константы скорости k : она численно равна скорости реакции, когда концентрации каждого из реагирующих веществ составляют 1 моль/л или когда их произведение равно единице.
Константа скорости реакции k зависит от природы реагирующих веществ и от температуры, но не зависит от их концентраций.
Уравнение (1), связывающее скорость реакции с концентрацией реагирующих веществ, называется кинетическим уравнением реакции. Если опытным путем определено кинетическое уравнение реакции, то с его помощью можно вычислять скорости при других концентрациях тех же реагирующих веществ.
Влияние температуры .
Зависимость скорости реакции от температуры определяется правилом Вант-Гоффа:
При повышении температуры на каждые 10о скорость большинства реакций увеличивается в 2-4 раза.
Математически эта зависимость выражается соотношением
vt 2 = vt 1 γ ,
где vt 1 , vt 2 - скорости реакции соответственно при начальной ( t 1 ) и конечной ( t 2 ) температурах, а γ - температурный коэффициент скорости реакции, который показывает, во сколько раз увеличивается скорость реакции с повышением температуры реагирующих веществ на 10°.
Правило Вант-Гоффа является приближенным и применимо лишь для ориентировочной оценки влияния температуры на скорость реакции. Температура влияет на скорость химической реакции, увеличивая константу скорости.
25. Взрыв – внезапное изменение физического или химического состояния вещества, сопровождающееся крайне быстрым превращением (выделением) энергии.
Толковый словарь дает следующее определение взрыва: явление, сопровождающееся:
1) резким грохотом;
2) быстрой химической или ядерной реакцией с выделением тепла и
стремительным расширением газов;
3) разрушающим действием за счет повышенного давления в области
взрыва.
Быстрое выделение энергии, как правило, приводит к разогреву, движению и сжатию продуктов взрыва и окружающей среды, возникновению интенсивного скачка давления, разрушению и разбрасыванию. В окружающей среде образуется и распространяется особого рода возмущение – ударная волна. Полное количество выделившейся при взрыве энергии определяет масштаб явления, объемы и площади, охваченные разрушением. Концентрация энергии (энергии в единице объема) определяет интенсивность разрушений в очаге взрыва. При взрыве исходная потенциальная энергия, как правило, вначале
превращается в энергию нагретых сжатых газов, которая, в свою очередь, при расширении газов переходит в энергию движения, сжатия, разогрева среды. Часть энергии остается в виде внутренней (тепловой) энергии расширившихся газов [9–11].
Взрыв и его разновидности
Основные виды исходной энергии взрыва:
1) химическая энергия;
2) атомная энергия (ядерная энергия) – удельная энергия (энергия на единицу веса) при ядерных взрывах в 107–108 раз выше удельной химической энергии;
3) электрическая энергия – взрыв может возникнуть при искровом разряде или быстром разряде через тонкую проволоку; молния является примером подобного рода взрыва в природе;
4) кинетическая энергия движущихся тел – при соударениях тел, движущихся с большими скоростями, может внезапно выделиться тепловая энергия, достаточная для превращения части вещества в нагретый сжатый газ, что приводит к взрыву. Подобного рода взрывы возникают при падении крупных метеоритов;
5) энергия сжатых газов – взрывы баллонов со сжатыми газами, паровых котлов – примерами являются вулканические взрывы;
6) внезапный переход потенциальной энергии упругих деформаций в энергию движения среды представляет собой своеобразный взрыв, протекающий без какого-либо участия сжатых газов. Большинство землетрясений являются взрывами такого типа.
Наиболее изученными и имеющими важнейшее практическое значение являются взрывы, связанные с внезапным выделением химической энергии, возникающие при весьма быстром химическом превращении с выделением теплоты и образованием нагретых сжатых газов. Возникновение взрыва. В химических системах взрыв может возникнуть цепным или тепловым путем, от удара и трения, от взрыва другого заряда (в частности, от капсюля-детонатора). Сущность теплового взрыва вскрыта акад. Н.Н. Семеновым и заключается в том, что при определенных условиях в веществе нарушается тепловое равновесие: приход тепла реакции становится больше теплоотдачи. В результате в системе начинается
лавинообразное нарастание скорости реакции и температуры вплоть до появления пламени и возникновения взрыва. Возникновение взрыва при ударе связано с появлением местных микроскопических разогревов, приводящих к развитию микро очагов горения. В химических системах взрыв
обычно возникает в некоторой части системы и затем распространяется на всю систему. При поджигании взрывчатого вещества сначала возникает медленное горение взрывчатого вещества. На открытом воздухе процесс может полностью пройти в виде медленного горения, без развития местного повышения давления, без развития взрыва. Если же горение происходит в условиях замкнутого или полузамкнутого объема, то возникшее повышение давления может привести к существенному ускорению горения и
развитию взрыва. Кроме повышения давления, являющегося основным фактором перехода горения во взрыв, существенным также является предварительный разогрев горящей системы. При сильном ударе по взрывчатому веществу одновременно возникают очаги разогрева и весьма высокое давление, что способствует возникновению взрыва. Если местное повышение давления станет большим, то образуется ударная волна, способная передавать разложение от слоя к слою, возникает детонация – явление распространения по взрывчатому веществу экзотермической химической реакции, возбуждаемой ударной волной. Скорость распространения детонационной волны (скорость детонации) составляет несколько тысяч метров в секунду.