МЧС России
	Санкт-Петербургский университет Государственной противопожарной службы
	Методическая разработка
СМК-УМК-4.4.2-40-2013	Управление документацией

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры ФХОПГиТ

майор внутренней службы

________________М.Е. Шкитронов

«___»_____________ 2013 г.

Лекция по учебной дисциплине "химия процессов горения" для специальности 280705.65 – пожарная безопасность

Тема 3: Пожароопасные свойства углеводородов

3.1.: Пожароопасные свойства углеводородов

СМК-УМК 4.4.2-40-2013

	Должность	Фамилия/ Подпись	Дата
Разработал	Проф.каф.ФХОПГиТ , к.х.н., доц.	Коробейникова Е.Г.
Проверил	Зам. начальника каф. ФХОПГиТ, к.т.н	Кожевин Д.Ф.

I. Цели занятия

Учебная: ознакомить с закономерностями изменения физико-химических и пожароопасных свойства углеводородов в зависимости от строения; практическим использованием углеводородов

Воспитательная: воспитывать у обучаемых ответственность за подготовку к практической деятельности.

II. Расчет учебного времени

Содержание и порядок проведения занятия	Время, мин
ВВОДНАЯ ЧАСТЬ	3
ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ	85
Учебные вопросы
1. Сравнительная характеристика физико-химических свойств и показателей пожарной опасности углеводородов.	40
2. Практическое использование углеводородов.	45
ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ	2

III. Литература основная

1. Глинка Н.Л. Общая химия. – Учебное пособие для вузов/ Под ред. В.А. Рабинович. – изд.30-е, перераб. – М.:Интеграл-Пресс, 2007. – 728 с.

2. Е.Г. Коробейникова, А.П. Чуприян, В.Р. Малинин, Г.К. Ивахнюк, Н.Ю. Кожевникова. Химия. Курс лекций. Учебное пособие по спец. 280104.65 – Пожарная безопасность. /Под ред. Проф. В.С.Артамонова СПб.: СПб ГПС МЧС России, 2011 г. – 425 с.

3. Малинин В.Р., Климкин В.И., Аникеев С.В., Коробейникова Е.Г., Винокурова Н.Г., Кожевникова Н.Ю., Мельник А.А., Родионов В.А. Теория горения и взрыва. Учебник для вузов МЧС России по специальности 280104.65 – пожарная безопасность. /Под ред. Проф. В.С.Артамонова СПб.: СПб ГПС МЧС России, 2007 г. – 325 с.

Дополнительная нормативно-правовые документы

1. Федеральный закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности » (ред. от 22.07.2008).

IV. Учебно-материальное обеспечение

1. Технические средства обучения:мультимедийная техника, компьютерная техника, интерактивная доска.

2. Периодическая система элементов Д.И. Менделеева, демонстрационные плакаты, схемы.

V. Текст лекции

Тема 3. Пожарная опасность углеводородов

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ (3 мин.)

Преподаватель проверяет наличие слушателей (курсантов), объявляет тему, учебные цели и вопросы занятия.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ ( 85 мин)

Вопрос № 1. Сравнительная характеристика физико-химических свойств и показателей пожарной опасности углеводородов (40 мин.)

Углеводороды (УВ) – наиболее простые органические соединения, в состав которых входят только углерод и водород.

Основные классы органических соединений – углеводородов – представлены в таблице.

УГЛЕВОДОРОДЫ

Ациклические (алифатические)				Циклические
Предельные	Непредельные			Непредельные	Предельные
aлканы СnH2n+2	aлкены СnH2n	aлкины СnH2n-2	aлкадиены СnH2n-2	aрены СnH2n-6	циклоалканы СnH2n

Сравнение углеводородов мы будем проводить по агрегатному состоянию, физическим и химическим свойствам и характеристикам пожарной опасности – показателям пожарной опасности ППО.

Введем определения некоторых показателей пожарной опасности.

Температура вспышки - это наименьшая температура конденсированного вещества, при которой в условиях специальных испытаний над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания; устойчивое горение при этом не возникает.

Температура воспламенения - это наименьшая температура вещества, при которой в условиях специальных испытаний вещество выделяет горючие газы и пары с такой скоростью, что при воздействии источника зажигания наблюдается воспламенение жидкости.

Температура самовоспламенения - это наименьшая температура окружающей среды, при которой в условиях специальных испытаний происходит резкое увеличение скорости экзотермических реакций, заканчивающихся пламенным горением (самовоспламенение вещества).

Температура самовоспламенения применяется для оценки безопасной температуры нагрева неизолированных поверхностей оборудования, при разработке мер пожарной безопасности для технологических процессов.

Нижний и верхний концентрационные пределы распространения пламени – минимальное и максимальное содержание горючего в смеси, при которой возможно распространение пламени по смеси на любое расстояние от источника зажигания.

Нижним (НТПР) или верхним (ВТПР) температурным пределом распространения пламени называется температура жидкости, при которой концентрация паров над ее поверхностью равна соответствующему концентрационному пределу.

Температурные пределы распространения пламени (воспламенения) применяются при расчете пожаровзрывобезопасных температурных режимов работы технологического оборудования, (включаются в стандарты и технические условия на горючие жидкости), при оценке пожарной опасности оборудования и технологических процессов, аварийных ситуаций, связанных с разливом горючих жидкостей и для расчета КПР.

АЛКАНЫ

Алканы – предельные углеводороды, атомы углерода в которых связаны между собой одинарными -связями.

Физические свойства алканов

Предельные углеводороды с числом атомов от 1 до 4 при обычных условиях представляют собой газы; углеводороды с числом атомов от 5 до 15 – жидкости; углеводороды с числом атомов более 16 представляют собой твердые вещества.

Температура плавления и кипения углеводородов повышается с укрупнением молекул.

Предельные углеводороды очень плохо растворяются в воде, в большинстве органических растворителей они растворяются.

Первые представители ряда предельных углеводородов – метан и этан – не обладают запахом. Легко летучие низшие углеводороды обладают запахом бензина. Высшие представители алканов, входящие в состав нефтяных масел и парафина, также не имеют запаха, обладая очень малой летучестью.

Физические свойства и некоторые показатели

пожарной опасности предельных углеводородов

Углеводороды	Агрегатное состояние	Плотность кг/м3	tкип 0С	tсамовоспл 0С	Теплота сгорания, кДж/кг	НКПР %	ВКПР %
Метан СН4	газ	0,415	– 161,6	537	49560	5	15
Этан С2Н6	газ	0,546	– 88,6	472	47460	2,9	15
Пропан С3Н8	газ	0,582	– 42,1	466	46620	2,1	9,5
Бутан С4Н10	газ	0,600	– 0,5	405	45780	1,9	9,1
Пентан С5Н12	жидкость	626	36,1	309	45360	1,4	7,8
Гексан С6Н14	жидкость	659	68,7	247	44940	1,2	7,5
Гексадекан С16Н34	твердый	773	286,9	207	44398	–	–
Эйкозан С20Н42	твердый	790	344	232	44290	–	–

У алканов реализуется изомерия углеродной цепи.

Физические свойства и показатели пожарной опасности изомерных алканов существенно зависят от их строения. Для примера приведем некоторые величины, характеризующие пожароопасные свойства изомеров пентана. Изомеры пентана можно представить следующим образом (приведем только углеродную цепь):

С



С – С – С – С – С С – С – С – С С – С – С

 

С С

н-пентан 2-метилбутан 2,2-диметилпропан

Физические свойства и некоторые показатели

пожарной опасности изомеров пентана

Изомеры пентана	Агрегатное состояние	Плотность кг/м3	tкип 0С	tвспыш 0С	tсамовос 0С	НКПР %	ВКПР %	НТПР 0С	ВТПР 0С
н-пентан	жидкость	621,4	36,4	– 44	286	1,47	7,7	– 48	– 23
2-метил-бутан	жидкость	619,6	27,9	– 52	432	1,36	9,0	– 56	– 30
2,2-диметил-пропан	газ	3,216 (в жидк. 613,0	9,5		450	1,38	7,3

Приведенные данные свидетельствуют о том, что изомеры с более разветвленной цепью имеют меньшие значения температуры кипения и температуры вспышки, и, следовательно, легче испаряются. Температура самовоспламенения имеет обратную зависимость. Эти данные необходимо учитывать при анализе пожарной опасности производств, где обращаются данные вещества.

Химические свойства алканов

Алканы (парафины) достаточно инертные соединения, в реакции вступают в жестких условиях.

Основные реакции алканов – реакции замещения водорода, идущие по свободно-радикальному механизму.

Галогенирование

_h

CН₄ + Cl₂  CH₃Cl + HCl

метан хлорметан

_h

CН₃Cl + Cl₂  CH₂Cl₂ + HCl

хлорметан дихлорметан

_h

CН₂Cl₂ + Cl₂  CHCl₃ + HCl

дихлорметан трихлорметан (хлороформ)

_h

CНCl₃ + Cl₂  CCl₄ + HCl

трихлорметан тетрахлорметан (четыреххлористый углерод)

Механизм протекания этого процесса – свободнорадикальное замещение:

_h

Cl₂  Cl + Cl

CH₄ + Cl  CH₃ + HCl

CH₃ + Cl₂  CH₃Cl + Cl и т.д. до обрыва:

CH₃ + Cl  CH₃Cl или Cl + Cl  Cl₂

АЦИКЛИЧЕСКИЕ НЕПРЕДЕЛЬНЫЕ УГЛЕВОДОРОДЫ

Между атомами углерода в непредельных углеводородах имеются двойные, тройные связи или их комбинации.

АЛКЕНЫ	АЛКИНЫ	АЛКАДИЕНЫ
Алкенами (олефинами) называются ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется одна двойная связь между атомами углерода. Алкены называют также “углеводородами ряда этилена”. Простейший представитель алкенов – этилен СН2 = СН2.	Алкинами называются ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется одна тройная связь между атомами углерода. Алкины – углеводороды ряда ацетилена. Простейший представитель алкинов– ацетилен СН  СН.	Алкадиенами (диенами) называются ненасыщенные углеводороды, в молекулах которых имеется две двойные связи между атомами углерода. Простейший представитель сопряженных алкадиенов – бутадиен-1,3 СН2= СН – СН = СН2.
Общие формулы классов соединений
CnH2n	CnH2n-2	CnH2n-2
Физические свойства непредельных соединений
Первые три представителя ряда алкенов при обычных условиях являются газами, начиная с С5Н12, – жидкости; высшие алкены, начиная с С19Н38, - твердые вещества. Плотность, а также температура кипения алкенов выше, чем у соответствующих предельных соединений.	Углеводороды от С2Н2 по С4Н6 представляют собой при обычных условиях газы, начиная с углеводородов с пятью атомами в молекуле – жидкости, а начиная с С16Н30 – твердые вещества. Закономерности изменения температур кипения и плавления в этом ряду те же, что и углеводородов ряда метана и этилена.	Бутадиен является газом, остальные широко используемые диены являются жидкостями.

Формула	Название	t пл., °C	t кип., °С
CН2=CH2	Этилен	-169	-104
СН3СН=СН3	Пропилен	-185	-47
СН3СН3СН=СН2	Бутен-1	-130	-5
СН3-СН=СН-СН3 (цис)	(цис)-Бутен-2	-139	+4
СН3-СН=СН-СН3 (транс)	(транс)-Бутен-2	-105	+1
(СН3)3С=СН2	Изобутилен	-140	-7

Все алкены, как и алканы, практически нерастворимы в воде и хорошо растворимы в других органических растворителях, за исключением метилового спирта; все они имеют меньшую плотность, чем вода.

Формула	Название	t пл., °C	t кип., °С
HC CH CH3C CH HC C- CH2CH3 СН3С CСН3	Ацетилен Пропин Бутин-1 Бутин-2	-82 -105 -137 -33	-84 (возг,-23) 9 27