Химия процессов горения. Учебное пособие

11

7.На какие группы подразделяются горючие вещества при расчете материального баланса процесса горения?

8.Определить % состав и количество продуктов горения 100 м3 генераторного газа,

состоящего из 25% СО2, 5% Н2, 2% СН4, 8% СО, 60% N2.Условия стандартные.

Коэффициент избытка воздуха равен 1,2.

9.Напишите уравнение реакции горения в воздухе этилбензола С6Н5С2Н5 и укажите стехиометрические коэффициенты. Напишите выражение для теплового эффекта этой реакции и рассчитайте его, используя энтальпии образования веществ.

Распределение учебного времени по изучению темы 1.

Лекций – 6 часов.

Практических занятий – 8 часов.

Лабораторных работ – 4 часа.

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего по теме: 28 часов.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1- 4]

Дополнительная:[1-3]

Нормативно-правовые акты:[1,3,4].

Тема 2. Пожарная опасность неорганических веществ

Вопросы, рассматриваемые на теме 2.

Общая характеристика физико-химических и пожароопасных свойств элементов главных подгрупп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева и их соединений.

Простые вещества – металлы, неметаллы.

12

Сложные: оксиды, гидроксиды, кислоты, соли и их пожарная опасность.

Простые вещества и химические соединения. Металлы, получение, свойства,

сплавы, применение в технике, их пожарная опасность. Неметаллы, свойства,

применение, важнейшие соединения - оксиды, нитриды, бориды, карбиды, их пожарная опасность. Пожарная опасность простых веществ, способы совместного хранения.

По теме 2 необходимо изучить:

1.Физико-химические и пожароопасные свойства элементов главных подгрупп и их соединений.

2.Основные свойства химически опасных простых неорганических веществ,

самовоспламенение и горение неорганических веществ.

3.Относительная плотность паров и газов, их пожарная опасность.

4.Особенности горения щелочных и щелочноземельных металлов и средства их тушения.

5.Методы получения металлов и сплавов, электролиз алюминия, пожарная опасность процесса, профилактические меры пожарной безопасности.

Теоретическая часть

Большая часть простых веществ (металлов и неметаллов) является горючими веществами.

Негорючими, но представляющими пожарную опасность являются простые вещества: кислород О2, озон О3, галогены: CI2 Br2 F2 I2 , негорючими являются азот

N2 и инертные газы: He , Ar, He.

Оксиды: бинарные соединения, один из элементов является кислород.

Гидроксиды: соединения, которые при диссоциации образуют ион ОН.

Кислоты: соединения, при диссоциации которых образуются ионы Н+.

13

Однако, значительное число негорючих веществ относится к веществам,

представляющим высокую пожарную опасность.

Это гидриды: NaH, KH, CaH2.

Силициды: Mg2Si, Ca2Si.

Кислоты: HNO3 , H2SO4 , HCIO4.

Соли: соединения, которые диссоциируют на ион металла и ион кислотного остатка.

Большинство сложных веществ является негорючими, исключение: H2S NH3

CO, FeS соли некоторых кислот.

Самая высокая температура пламени у С4N2 субнитрита углерода = 5261оС.

Некоторые соли являются помощниками – это так называемые антипирены.

Антипиренами (соли) называют вещества, которые усиливают действия замедлителя горения древесины и полимерных материалов.

Антипирены – огнестойкие покрытия и пропитки, изготавливаются из фосфатов и буры.

При горении (NH4)2HPO4 выделяет негорючий газ аммиак и окислы фосфора,

которые покрывают дерево защитной пленкой.

Металлы представляют пожарную опасность в случаях:

-если они сами по себе горючи;

-если они находятся в тонкоизмельченном виде;

-если они разлагают воду с выделением Н2;

-если при растворении в кислотах выделяют Н2.

Опасные металлы при взаимодействии с водой.

Щелочные металлы: калий, натрий, рубидий, цезий – эти металлы не должны соприкасаться с водой, растворами, влажными веществами, туманом и паром. Тушат их с помощью порошковых составов, инертными огнетушащими веществами.

14

Некоторые химические вещества способны самовозгораться либо в воздухе,

либо при соприкосновении друг с другом. Эти вещества при хранении,

транспортировке, их получении, обращении с ними могут вызвать пожар или взрыв.

Примером может служить самовозгорание сурьмы в хлоре:

2S + 3Cl2 = 2SbCl2

Точно также происходит самовозгорание медной фольги в хлоре:

Cu + Cl2 = CuCl2

Калий, натрий, железо, цинк, магний, алюминий (в виде проволоки)

самовозгораются в хлоре, если они немного нагреты.

Наличие у таких веществ общих свойств позволяет их объединить в отдельные группы.

1 гр. Вещества, самовозгорающиеся от воздействия на них воздуха.

К таким веществам относятся: фосфор (белый, желтый), фосфористый водород,

водородистый кремний, цинковая пыль, алюминиевая пудра, карбиды, арсины,

фосфины, стибины.

2 гр. Вещества, вызывающие горение при действии на них воды.

Кэтой группе относятся: щелочные металлы, ка и гидриды и карбиды щелочных

ищелочноземельных металлов, гашеная известь, силаны, гидросульфиты натрия и другие.

3 гр. Вещества, самовозгорающиеся при смешении друг с другом.

Кэтой группе относятся: газообразные, жидкие и твердые окислители (сжатый кислород, хлор, бром, фтор, азотная кислота, перекиси, марганцовокислый калий,

хромовый ангидрид, двуокись свинца, селитры, хлораты, перхлораты, хлорная известь

и др.).

Задания, рассматриваемые на теме 2.

1.Физико-химические и пожароопасные свойства неметаллов, металлов и сплавов.

2.Генетическая связь между классами неорганических соединений.

15

3.Способы получения металлов и сплавов, применение в профессии.

4.Расчет пожарно-технических характеристик неорганических веществ.

Пример решения задач по т.2.

Задача 1.Для получения ацетилена использовали вещества по реакции: СаС2 + 2 Н2О → ? + Са(ОН)2

Вычислить объем взрывоопасного газа и массу гидроксида Са(ОН)2,

полученных в результате полного растворения в воде 32 г карбида кальция при н.у.

Рассчитать относительную плотность ацетилена по воздуху.

Записать пожароопасные свойства карбида.

Решение

Записываем уравнение реакции взаимодействия карбида кальция: СаС2 + 2 Н2О → С2Н2 + Са(ОН)2

Определяем молярные массы веществ:

Мr(СаС2) = 40 + 12*2 = 64 г/моль; М rСа(ОН)2 = 40 + (17*2) = 74 г/моль; МrС2Н2) = 12*2 + 1*2 = 28 г/моль.

Составляем пропорцию и решаем относительно неизвестных величин: 32/64 = Х1/22,4

Х1 = 11,2 л газа ацетилена С2Н2.

32/64 = Х2/74

Х2 = 37 г основания Са(ОН)2.

Рассчитываем относительную плотность ацетилена по воздуху:

28/29 = 0,965

Следовательно, ацетилен немного легче воздуха.

Пожароопасные свойства карбида кальция: твердое кристаллическое вещество,

серого цвета, при взаимодействии с водой выделяется горючий и взрывоопасный газ ацетилен. Не допускать попадания влаги. Тушить порошковыми составами, сухим песком, инертными газами.

16

Задача 2.Рассчитать количество PbO2 в кг, которые взаимодействуют с H2S и O2,

если в помещении 50 м3 образовалось 10% концентрация паров H2O. 2PbO2+2H2S+O2 PbSO4+PbS+2H2O

Решение:

Определяем молярный объем при заданных условиях:

м3

Подставляем в уравнение данные и определяем массу исходного вещества.

Ответ: масса PbO2 равна 65,3 кг.

Задача 3. Какой объем при температуре 27оС и давлении Р =1 атм. занимает газ,

массой 1 г, если его плотность по водороду равна 32.

Решение

Находим молекулярную массу газа: D = Мг./Мвод.

Вычисляем молекулярную массу вещества: Мr = 2*32 = 64 г/моль.

Из уравнения Клайперона-Менделеева РV = mRT / M находим

V = m*RT/PV

V = 1*10-3*8,314*300/101,325*103*64 = 325л

Ответ: 325 л займет газ при данных условиях.

Задача № 4. Определить молярную массу газа, если при нормальных условиях

0,824 г его занимают объем 0,260 л и определить это вещество, указать его пожарную опасность.

Решение

1 моль любого газа при нормальных условиях занимают V = 22,4 л

0,824 г - 0,260л

Х = 22,4*0824/0,260 = 71 г.

Ответ: 71г – молярная масса газа хлора при данных условиях.

Следовательно, это газ хлор. Пожарная опасность хлора: газ, тяжелее воздуха желто-зеленого цвета, плохо растворим в воде.

Хранить хлор нельзя совместно с легковоспламеняющимися жидкостями.

Скипидар самовоспламеняется в хлоре, будучи распределен в каком-либо пористом веществе (бумага, тряпки, ветошь, вата, хлопок).

Задача 5.Охарактеризуйте важнейшие свойства неметаллов, их применение в профессии: углерод С, кремний Si, азот N2, фосфор P, кислород О2,сера S, фторF2, хлор СI2.

Решение

- углерод, С проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

2С + Са = СаС2

C + 2H2 = CH4

- углерод проявляет восстановительные свойства в реакциях с активными неметаллами и оксидами металлов:

С + О2 = СО2

C + CuO = CO2 + Cu

Углерод применяется для изготовления сверл и шлифовальных инструментов (в

виде алмаза), для изготовления электродов и замедления нейтронов в атомных реакторах (в виде графита).

- кремний, Si проявляет окислительные свойства в реакциях с активными металлами:

Si + 2Mg = Mg2Si

Восстановительные свойства в реакциях с активными неметаллами и щелочами:

18

Si + 2F2 = SiF4

Si + 2NaOH + H2O = Na2SiO3 + H2

Основное применение кремния – производство интегральных схем для вычислительной техники. Производство сотовых телефонов и другой электроники.

Кремний также применяют для легирования стали.

- азот, N проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и водородом:

3Mg + N2 = Mg3N2

N2 + 3H2 = 2NH3

- восстановительные свойства в реакциях с активными неметаллами:

N2 + O2 =2NO

Азот используется для синтеза аммиака и азотной кислоты. Он активно используется для тушения пожаров в закрытых помещениях.

- фосфор, Р проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами:

3Mg + 2P = Mg3P2

проявляет восстановительные свойства в реакциях с активными неметаллами и сильными окислителями:

4P + 5O2 = 2P2O5

3P + 5HNO3 + H2O = 3H3PO4 + 5NO

Фосфор применяют для получения полупроводников и в производстве спичек.

- кислород, О проявляет окислительные свойства в подавляющем большинстве

реакций:

2Ca + O2 = 2CaO

S + O2 = SO2

4FeS2 + 11O2 = 2Fe2O3 + 8SO2

Кислород применяют для металлургических процессов (продувка), для резки и сварки металлов, медицине, в ракетном топливе.

19

- сера, S проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами и

водородом:

S + Fe = FeS

S+ H2 = H2S

-восстановительные свойства в реакциях с активными неметаллами и сильными

окислителями:

S + 3F2 = SF6

S + 6HNO3 = H2SO4 + 6NO2 + 2H2O

Серу применяют для получения серной кислоты, вулканизация каучука и производстве спичек, а также в медицинских целях.

- фтор, F проявляет только окислительные свойства:

F2 + H2 = 2HF

Cu + F2 = CuF2

2F2 + 2H2O = 4HF + O2

Фтор применяют для производства тефлона, получения плавиковой кислоты, а

также для получения хладонов и фреонов.

- хлор, Cl проявляет окислительные свойства в реакциях с металлами,

неметаллами и сильными восстановителями:

H2 + CI2 = 2HCI 2Fe + 3CI2 = 2FeCI3

CI2 + 2HI = I2 + 2HCI

- с фтором хлор проявляет восстановительные свойства:

3F2 + CI2 = 2CIF3

Хлор применяется в органическом синтезе для получения многих продуктов,

хлорпроизводные углеводородов применят для тушения пожаров (хладоны, фреоны), а

также применяется для обеззараживания воды, получения многих растворителей.

20

Вопросы для самоконтроля

1.Какая масса карбида кальция вступила в реакцию с водой, если в помещении объемом 150 м3 образовалась взрывоопасная концентрация горючего газа? t = - 40С, Р = 1,1 атм.

2.Приведите примеры веществ, представляющих опасность при взаимодействии с водой. Подтвердите это уравнениям реакций.

3.Приведите примеры веществ, представляющих опасность при взаимодействии с кислородом воздуха и друг с другом. Уравнения реакций.

4.Охарактеризуйте пожарную опасность селитр.

5.Составьте генетический ряд кальция, запишите уравнения реакций по цепочке Са

→карбид кальция. Охарактеризуйте вещества, представляющие пожарную опасность.

6.Приведите примеры неорганических веществ, использующихся для тушения пожаров.

7.Какой химический элемент является самым сильным окислителем? Перечислить его физико-химические и пожароопасные свойства, привести уравнения реакций.

8.Запишите уравнение реакции горения сероуглерода в воздухе и рассчитайте количество молей, участвующих в процессе горения.

9.Сколько м3 воздуха потребуется для сгорания 1 кг угарного газа при температуре

27оС, Р=1,1 атм., коэффициент избытка воздуха равен 1.5.

10.Вычислить коэффициент горючести для азотной и фосфорной кислот. Объяснить их опасные свойства и методы ликвидации разливов этих веществ.

11.Рассчитать сколько силана образуется при взаимодействии силицида магния с 10

кг воды (условия нормальные) по реакции:

Mg2Si + 4H2O = SiH4 + 2Mg(OH)2

Распределение учебного времени по изучению темы 2.

Лекций – 2 часов.