1.2 Процесс горения

Процесс возникновения горения подразделяется на несколько видов. Вспышка – быстрое сгорание горючей смеси, не сопровождающееся образованием сжатых газов. Температура вспышки - это наименьшая температура вещества смеси, при которой над его поверхностью образуются пары и газы, способные вспыхивать от источника зажигания, но скорость их образования еще недостаточна для возникновения устойчивого горения.

Возгорание - возникновение горения под воздействием источника зажигания.

Воспламенение - возгорание, сопровождающееся появлением пламени. Температура воспламенения – температура горючего вещества, при которой оно выделяет пары и газы с такой скоростью, что после воспламенения их от источника зажигания возникает устойчивое горение.

Самовозгорание – явление резкого увеличения скорости экзотермических реакций, приводящее к возникновению горения вещества (материала, смеси) при отсутствии источника зажигания. Самовозгорание может быть результатом воздействия внешнего нагрева вещества, а также происходит под влиянием биохимических, химических и физических процессов.

Самовоспламенение – самовозгорание, сопровождающееся появлением пламени.

При составлении уравнений химических реакций горения веществ в воздухе поступают следующим образом: го­рючее вещество и участвующий в горении воздух записывают в левой части, после знака равенства пишут образующие­ся продукты реакции. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчетов при­нимают, что воздух состоит из кислорода (21 %) и азота (79 %), т. е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21=3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О₂ + 3,76 N₂. Тогда левая часть уравнения будет иметь вид:

СН₄ + О₂ + 3,76 N₂ =

Какие будут получаться продукты? Ориентироваться необходимо на состав горючего вещества. Углерод горю­чего всегда при полном сгорании превращается в дву­окись углерода (CO₂), водород - в воду (Н₂О). Так как в данном горючем веществе нет других элементов, то в продуктах сгорания будет двуокись углерода и вода. Азот воздуха (3,76 N₂) в процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким образом, правая часть уравнения реакции сгорания мета­на будет следующей:

= СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

Написав левую и правую части, необходимо уравнять коэффициенты перед формулами. Известно, что суммар­ная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции. Это означает, что число атомов одного и того же элемента в правой и левой части уравнения должно быть одинаковым, независимо от того, в состав какого вещества этот элемент входит. Сначала уравнивают число атомов углерода, затем водорода, потом кислорода. Множитель перед коэффициентом (3,76), поставленный у молекулы азота, всегда будет равен коэффициенту перед кислородом. Уравнение реакции будет иметь вид:

СН₄ + 2 О₂ + 2  3,76 N₂ = CO₂ + 2 Н₂О + 2  3,76 N₂

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м³ горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. В связи с этим в некоторых уравнениях реакций горения могут появить­ся перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты; например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид:

С₂Н₂ + 2,5 О₂ + 2,5 3,76 N₂ = 2 СО₂ + Н₂О + 2,5 3,76 N₂

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде (N₂), например, при горении пиридина:

C₂H₅N + 6,25 О₂ + 6,25  3,76 N₂ = 5 СО₂ + 2,5 Н₂О + 6,25  3,76 N₂ + 0,5 N₂

Если в состав горючего вещества входит хлор, то он при горении обычно выделяется в виде хлористого водо­рода, например, при горении хлористого винила:

С₂Н₃С1 + 2,5О₂ + 2,5  3,76 N₂ = 2СО₂ + Н₂О + 2,5  3,76 N₂ + НС1

Сера, входящая в состав горючего вещества, выде­ляется в виде SO₂.

Содержащийся в горючем веществе кислород выде­ляется в виде соединений с другими элементами горю­чего, например СО₂ или Н₂О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание ве­ществ может происходить также за счет кислорода, на­ходящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота (HNO₃), бертоллетова соль (КСlOз), селитры (КNОз, NаNОз, NН₄NОз), перманганат калия (KМnO₄), перекись бария (ВаО₂) и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примерами та­ких смесей могут служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т. п.

Для возникновения горения необходимы определен­ные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника воспламенения. Горючее ве­щество и окислитель должны быть нагреты до опреде­ленной температуры источником тепла (источником вос­пламенения): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реак­ции или механической работе. В установившемся про­цессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т. е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для возникновения и протекания горения горючее вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном со­отношении. Так, при горении в воздухе концентрация кислорода должна быть не ниже определенной величины (от 16 до 18 %).

Сгорание веществ может быть полным и неполным. В процессе полного сгорания образуются продукты, не способ­ные к дальнейшему горению (CO₂, H₂O, HC1). При неполном сгорании получающиеся продукты способны к дальней­шему горению (СО, H₂S, HCN, NH₃, альдегиды и т. п.). В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.

Однако, как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления - восстановления ос­нована на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстанови­телем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность вос­становления состоит в присоединении восстанавливаю­щимся веществом (окислителем) электронов восстанови­теля, который, отдавая электроны, окисляется.

В результате передачи электронов изменяется струк­тура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом стремится перейти в наиболее устойчивое в данных условиях валентное состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. При этом образуется ионное соединение. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному элек­трону атомам хлора. При этом атом натрия создает восьмиэлектронную структуру и, получив положитель­ный заряд, превращается в положительно заряженный ион.