Химия процессов горения. Учебное пособие

31

6.Что такое октановое число и его влияние на качество топлива?

7.Рассчитать НКПР и ВКПР для первых четырех членов ряда алканов по аппроксимационной формуле.

8.Составить генетическую цепочку: гексан → бензол, указать условия и назвать продукты. Записать пожарную опасность и средства тушения бензола.

9.Написать уравнение реакции горения толуола в воздухе, рассчитать количество молей, участвующих в этом процессе и тепловой эффект реакции.

Распределение учебного времени по изучению темы 3.

Лекций – 2 часа.

Практических занятий – 6 часов.

Лабораторных работ – 4 часа.

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего по теме: 22 часа.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1- 4]

Дополнительная:[1,2,3]

Нормативно-правовые акты:[1,3].

Тема 4. Пожароопасные свойства кислородосодержащих органических соединений

Вопросы, рассматриваемые на теме 4.

Физико-химические, пожароопасные свойства и применение спиртов,

альдегидов, кетонов, карбоновых кислот, простых и сложных эфиров.

32

Перекисные соединения. Строение, способы получения, физические, химические и пожароопасные свойства. Применение органических перекисей, их опасности при использовании.

Высшие жирные кислоты, мыла.

Простые эфиры. Изомерия, номенклатура, способы получения, физические,

химические и пожароопасные свойства.

Сравнительная характеристика пожароопасных свойств кислородсодержащих органических соединений. Генетическая связь между классами веществ.

По теме 4 необходимо изучить:

1.Физико-химические и пожароопасные свойства основных классов кислородсодержащих органических веществ.

2.Расчет по уравнениям реакций горения кислородсодержащих органических соединений.

3.Генетическая связь между классами органических веществ, связь строения и свойств.

4.Расчет характера свечения пламени органических веществ.

Теоретическая часть

Спиртами называются органические соединения, молекулы которых содержат одну или несколько гидроксильных групп (–ОН), соединенных с углеводородными радикалами.

Общая формула одноатомных спиртов СnН2n+1ОН.

Предельные спирты, содержащие С1 – С12 представляют собой жидкости, С13 –

С20 – маслообразные (мазеобразные вещества), > С21 – твердые вещества.

Низшие спирты С1 – С3 имеют специфический алкогольный запах, С4 – С5 –

сладкий удушливый запах, > С6 – запаха не имеют.

33

В воде хорошо растворяются метиловый, этиловый и пропиловый спирты. С

увеличением молекулярной массы растворимость спиртов в воде падает.

Существенно более высокая температура кипения спиртов по сравнению с углеводородами, содержащими такое же число атомов углерода (например, tкипения (СН4) = – 1610С, а tкипения (СН3ОН) = 64,70С) связана со способностью спиртов образовывать водородные связи, а следовательно, и способностью молекул к ассоциации.

Способы получения спиртов:

Гидролиз сложных эфиров.

Гидратация алкенов.

Восстановление альдегидов и кетонов.

Восстановление сложных эфиров.

Этанол – брожением глюкозы.

Метанол – из синтез-газа.

Простыми эфирами называются органические соединения, в которых два углеводородных радикала связаны между собой атомом кислорода. Простые эфиры можно рассматривать как продукты замещения атома водорода в гидроксиле спирта радикалом:

R – O – H R – O – R/

Общая формула простых эфиров СnH2n+2O

Пероксидные соединения – это органические соединения, молекулы которых содержат кислородный мостик – О – О –.

Перекисные соединения можно рассматривать как производные перекиси водорода Н – О – О – Н, в которой один или оба атома водорода замещены на углеводородные радикалы.

При замене одного водорода на радикал R – О – О – Н образуются

органические гидроперекиси.

34

Продукты замещения двух атомов водорода типа R – О – О – R (R/) называются

органическими перекисями. Радикалы могут быть как одинаковые, так и различные.

Органические перекиси представляют собой жидкости с резким запахом и низкими температурами кипения (пероксид метила СН3 – О – О – СН3 кипит при 13,50С, а пероксид этила С2Н5 – О – О – С2Н5 при 640С).

При контакте с сильными окислителями (KMnO4, CrO3, галогены) диэтиловый эфир самовозгорается.

Следует всегда помнить о нестабильности этих соединений. Они способны к взрывчатому разложению при нагревании, механических воздействиях. Причем твердые органические перекиси более чувствительны к механическим воздействиям

(удару, трению), чем жидкие. Чувствительность к удару для некоторых пероксидов даже выше, чем взрывчатых веществ.

При хранении перекисных соединений необходимо соблюдать правила безопасности. Эти вещества горючи и сами являются сильными окислителями. В

присутствии других горючих веществ они способны образовывать пожароопасные смеси. Поэтому такие вещества должны храниться раздельно.

Для снижения взрывоопасности этих соединений добавляют флегматизаторы или разбавители (воду, силиконовые жидкости, оксид алюминия).

Для предупреждения образования пероксидных продуктов самоокисления эфиров к ним добавляют ингибиторы (амины, фенолы).

Для устранения образовавшихся продуктов самоокисления используют специальную обработку (раствором сульфата железа FeSO4, раствором щелочи NaOH, 50 %-ным раствором серной кислоты H2SO4).

Альдегиды и кетоны – производные углеводородов, в молекулах которых содержится одна или более карбонильных групп С = O.

Общая формула карбонильных соединений СnН2nО

Первым представителем альдегидов является метаналь СН2О. А кетонов – С3Н6О

– ацетон (диметилкетон).

35

Карбоновыми кислотами называются производные углеводородов, которые содержат одну или несколько карбоксильных групп – С = О.

ОН

Общая формула предельных одноосновных карбоновых кислот СnH2n+1COOH.

Задания, рассматриваемые на теме 4.

1.Спирты, альдегиды, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, их физико-

химические и пожароопасные свойства.

2.Уравнения горения кислородсодержащих органических соединений и расчет пожарно-технических характеристик.

3.Генетическая связь между классами углеводородов.

Пример решения задач по т.4.

Задача 1. Какой объем м3 воздуха необходим для полного сгорания 10 кг диэтилового эфира С2Н5ОС2Н5? Температура 10оС и давление 1,2 атм.

Решение

Записываем уравнение реакции горения:

Записываем в уравнении известные и неизвестные величины с указанием размерности.

Молярная масса Mr диэтилового эфира 74 кг/кмоль. Записываем эту величину под формулой эфира.

Рассчитываем какой объем занимает 1 кмоль воздуха при данных условиях:

36

Vм =1*22,4 *283/273*1,2 = 19,35 м3/кмоль

Записываем эту величину под формулой воздуха, умножив ее на коэффициент

6*4,76.

По уравнению реакции найдем объем воздуха, необходимый для полного сгорания 10 кг диэтилового эфира:

Х = 0*6*4,76*19,35/ 74 = 74,7 м3.

Ответ: для полного сгорания 10 кг диэтилового эфира необходимо

74,7 м3 воздуха.

Задача 2. Определить характер свечения пламени C6H5COOH и C2H5OH

Решение:

1. Массовая доля С% и О% в C6H5COOH – бензойной кислоты:

Мб.к.= 12*7+1*6+2*16 = 84+6+32 = 122 а.е.м.

Ответ: массовая доля С > 50%, а 0 < 30 % из табличных данных (С%) (О%)

пламя яркое не коптящее.

Таблица Характер свечения пламени в зависимости от ω(С) и ω(О) в%.

Расчет по этанолу:

37

C2H5OH; рассчитываем молярную массу Mr (C2H5OH) = 46 а.е.м.

По таблице данных устанавливаем, что пламя C2H5OH голубоватое, яркое.

Задача 3. Осуществить цепочку превращений:

Согласно схеме. Приведите уравнения химических реакций:

Предельные У.В. ↔ Галогенпроизводные У.В. ⁄⁄ ↓↑Непредельные У.В ↔ Спирты

Решение

СН3 – СН3 + CI2 → CH3 – CH2CI +HCI

2C2H5CI + 2 Na →C4H10 + 2NaCI

2CH4 → C2H4 + 4H2

C2H4 + H2 → C2H6

CH2 = CH2 + HCI → CH3 - CH2CI

CH3 – CH2CI + KOH → CH2=CH2 + KCI + H2O

CH2 = CH2 + HOH → CH3-CH2OH

C2H5OH → C2H4 + H2O

Задача 4. Вычислить какой практический объем воздуха потребуется для сгорания 50 кг C3H8O3 при t = 27 oC и P = 95 кПа, = 1,3.

Решение

Записываем уравнение:

C3H8O3 + 3,5 * ( O2+ 3,76 N2) = 3CO2 + 4H2O + 3.76N2

Определяем молярную массу:

M(C3H8O3) = 92 а.е.м.

м3/кмоль Определяем теоретический объем воздуха:

38

Определяем практический объем воздуха:

Ответ: практический объем воздуха Vпр.= 310,7 м3.

Задача 5: Сколько тонн мыла, содержит в массовых долях 0,7 стеарата натрия можно получить из NаOH и 1,5 т. Жира содержит. 0,8 глицерида стеариновой кислоты

Рассчитываем массу глицерида: m(глиц.ст.к.) = 1500 *0,8 = 1200кг Молярная масса М глицерида ст.к. = 890 а.е.м., отсюда:

Количество кмоль: V (глицерида ст.к.) = 1200 / 890 = 1,348 кмоль

Далее: V (C17H35COONa) = 3 V гл.ст.к. = 1,348*3 = 4,044 кмоль Молярная масса стеарата: М(ст.натр.) = 306 у.е.

Рассчитываем массу: m(C17H35COONa) = V * Мст.натр. = 4,044*306 = 1237 кг Выход: mмыла= m ст.н./0,7 = 1767 кг = 1,767 т.

Ответ: mмыла=1,767 тонн.

Задача 6. Составить уравнение реакции горения в воздухе пропанола С3Н7ОН,

угарного газа СО, диметилфосфата (СН3)2НРО4.

Горение пропанола в воздухе

С3Н7ОН + 4,5(О2 + 3,76N2) =3СО2 + 4Н2О +4,5 3,76N2

= 4,5.

В составе горючего есть кислород, поэтому расчет стехиометрического коэффициента коэффициента проводят следующим образом: 10 – 1 = 9; 9 : 2 = 4,5.

Горение угарного газа в воздухе и расчет β:

39

СО + 0,5(О2 + 3,76N2) =СО2 + 0,5 3,76N2

= 0,5

Горение диметилфосфата в воздухе и расчет β:

(СН3)2НР О4 + 3(О2 + 3,76N2) =2СО2 + 3,5Н2О + 0,5Р2О5 + 3 3,76N2

= 3.

Задача № 7. Рассчитать плотность паров по воздуху этиленгликоля C2H6O2

Молярная масса C2H6O2 = 62 г/моль Молярная масса воздуха = 29 г/моль Плотность паров: C2H6O2 по воздуху :

Ответ: D= 2,14, следовательно, пары этиленгликоля тяжелее воздуха.

Вопросы для самоконтроля

1.Привести уравнения реакций по цепочке, назвать все вещества по ИЮПАК,

назвать тип реакций:

С2Н6 → С2Н5CI → C2H5OH →CH3COOH →C7H14O2→C5H11OH

2.Сожгли 4,7 гр. фенола С6Н5ОН. Полученный СО2 пропустили через раствор Са(ОН)2, взятый в избытке. Сколько гр. карбоната кальция образовалось в этой реакции?

3.С помощью исходных веществ (угля С и СаСО3) можно получить сложный эфир.

Записать уравнения реакций этих превращений, назвать все вещества.

4.Напишите реакцию горения в воздухе 2,3-диметилбутановой кислоты:

а) Сколько кмолей продуктов горения образуется при сгорании 1 кмоля этого вещества?

б) Напишите выражение для теплового эффекта этой реакции по 1-му следствию закона Гесса.

5. Осуществите цепочки превращений:

40

a)бутаналь ˂ бутанол–1 ˂ бутен

b)метан ˂ ацетилен ˂ бензол ˂ толуол ˂ бензойная кислота

c)метан ˂ уксусно-этиловый эфир

d)циклопропан ˂ ацетат натрия

6.Напишите качественные реакции на спирты, альдегиды, карбоновые кислоты.

Распределение учебного времени по изучению темы 4.

Лекций – 4часа.

Практических занятий – 6 часов.

Лабораторных работ – 4 часа.

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего по теме: 24 часа.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1- 4].

Дополнительная:[1,2,3].

Тема 5. Органические соединения, содержащие азот и серу

Вопросы, рассматриваемые на теме 5.

1.Алифатические и ароматические амины. Способы получения и свойства. Анилин,

анилиновые красители, взрывчатые вещества. Уравнения реакций горения азот и серусодержащих органических веществ.

2.Характеристика взрывчатых веществ, применение в профессии.

3.Тиоспирты, тиоэфиры, сульфоновые кислоты. Физико -химические свойства,

применение.

4.Характеристика диазосоединений и азосоединений. Цвет и строение вещества.