Методичка по ТГВ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Уральский государственный университет путей сообщения Кафедра «Техносферная безопасность»

А. Ж. Хворенкова

!"#$%& '#$"(%& % )*$+),

-./0123 45657

по направлению подготовки бакалавров 280700 – «Техносферная безопасность» очной и заочной форм обучения

Екатеринбург Издательство УрГУПС 2014

3

1.*+,-.!! /,+.012

1.1.!"#$%&'( )*%+,&&- .%*,$/0. !%&'-12,$/, "*-1$,$/3 *,-4+/3 .%*,$/0

Горением называется сложный физико-химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и излучением света.

С точки зрения электронной теории горение – это перераспределение валентных электронов между горючим веществом и окислителем.

Горючим веществом называется вещество, атомы (молекулы) которого способны отдавать в процессе реакции свои валентные электроны. Горючее вещество в процессе реакции окисляется, образуя продукты окисления.

Окислителем называется вещество, атомы (молекулы) которого способны присоединять валентные электроны в процессе реакции. Окислитель в ходе реакции восстанавливается.

Реакции окисления и реакции горения имеют одну и ту же сущность – окислительно-восстановительный процесс. Процесс горения отличается от процесса окисления большой скоростью окислительновосстановительных реакций.

Многие процессы управляемого горения, а также горение в условиях пожара чаще всего протекают в воздухе. Воздух состоит из азота, кислорода, окислов азота, углекислого газа, инертных и других газов. Но при проведении теоретических расчетов инертные газы, окислы азота, углекислый газ причисляют к азоту. Поэтому можно принять, что воздух состоит из 21 процента кислорода и 79 процентов азота по объему. На один объем кислорода приходится 3,76 объема азота (79 : 21 = 3,76). Так как равные объемы газов содержат одинаковое число молекул, можно принять, что на одну молекулу кислорода в воздухе приходится 3,76 молекул азота. (О2+ 3,76 N2) – это молекулярный состав воздуха.

Составление уравнений реакций горения веществ в воздухе ничем не отличается от уравнений реакций горения веществ в кислороде.

При составлении уравнений реакций горения следует помнить, что в пожарно-технических расчетах принято все величины относить

4

к 1 молю горючего вещества. Это означает, что в уравнении реакции

горения перед горючим веществом коэффициент всегда равен 1.

Индивидуальные химические соединения – это вещества, состав которых можно выразить химической формулой. Расчет процесса горения в этом случае производится по уравнению реакции горения.

Коэффициенты, стоящие в уравнении реакции перед веществами, называются стехиометрическими коэффициентами и показывают,

сколько молей (кмолей) веществ участвовало в реакции или образо-

валось в результате реакции.

Стехиометрический коэффициент, показывающий число молей кислорода, необходимое для полного сгорания вещества, обозначается буквой β.

Состав продуктов горения зависит от состава исходного вещества.

В реакции горения принимает участие только кислород воздуха. Азот при температуре горения ниже 2000 °С в реакцию не вступает и выделяется из зоны горения вместе с продуктами горения.

Пример 1.1.1. Составление уравнений реакций горения в кислороде

Составить уравнение реакции горения в кислороде пропана С3Н8, ацетона С3Н6О, аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Решение:

Горение пропана в кислороде

1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + О2 = СО2 + Н2О

Уравняем реакцию горения пропана. Это значит, что число атомов каждого элемента в правой части уравнения должно быть равно числу этих атомов в левой части.

5

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + Н2О

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:

С3Н8 + О2 = 3СО2 + 4Н2О

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед кислородом нужно поставить коэффициент 5:

С3Н8 + 5О2 = 3СО2 + 4Н2О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.

Горение ацетона в кислороде

1. Записываем уравнение реакции горения:

С3Н6О + О2 = СО2 + Н2О

2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н6О + О2 = 3СО2 + 3Н2О

3. В правой части уравнения 9 атомов кислорода (3 · 2 + 3 · 1 = 9). В состав молекулы горючего вещества (ацетона) входил один атом кислорода, следовательно, из кислорода в продукты горения перешло восемь (9 – 1 = 8) атомов кислорода, что составит четыре (8 : 2 = 4) молекулы. Таким образом, перед кислородом необходимо поставить

коэффициент 4:

С3Н6О +4О2 = 3СО2 + 3Н2О

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 4.

Горение аммиака в кислороде

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах горения будут вода и молекулярный азот.

6

NH3 + 0,75O2 = 1,5H2O + 0,5N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 0,75.

Обратите внимание, что перед горючим веществом коэффициент 1, авсеостальныекоэффициентывуравнениимогутбытьдробнымичислами.

Горение сероуглерода в кислороде

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и оксид серы (IV).

CS2 + 3O2 = CO2 + 2SO2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 3.

Пример 1.1.2. Составление уравнений реакций горения в воздухе

Составить уравнение реакции горения в воздухе пропана С3Н8, ацетона С3Н6О, аммиака NH3, сероуглерода CS2.

Решение:

Горение пропана в воздухе

1. Записываем реакцию горения:

С3Н8 + (О2 + 3,76N2) = СО2 + Н2О + 3,76N2

2. В молекуле пропана 3 атома углерода, из них образуется 3 молекулы углекислого газа:

С3Н8 +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + Н2О + 3,76N2

3. Атомов водорода в молекуле пропана 8, из них образуется 4 молекулы воды:

С3Н8 +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 3,76N2

4. Подсчитаем число атомов кислорода в правой части уравнения

3 · 2 + 4 · 1 = 10

5. В левой части уравнения должно быть 10 атомов кислорода. Молекула кислорода состоит из двух атомов, следовательно, перед воз-

7

духом (О2 + 3,76N2) в левой части уравнения и перед азотом (3,76N2) в правой части уравнения нужно поставить коэффициент 5:

С3Н8 + 5(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 4Н2О + 5·3,76N2

Обратите внимание, что стехиометрический коэффициент перед кислородом необходимо поставить и в правой части уравнения перед азотом.

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 5.

Горение ацетона в воздухе

1. Записываем уравнение реакции горения:

С3Н6О + (О2 + 3,76N2) = СО2 + Н2О+ 3,76N2 2. Уравниваем углерод и водород:

С3Н6О +(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 3Н2О + 3,76N2 3. В правой части уравнения 9 атомов кислорода:

3 · 2+3 · 1 = 9.

В состав молекулы горючего вещества (ацетона) входил один атом кислорода, следовательно, из воздуха в продукты горения перешло восемь (9 – 1 = 8) атомов кислорода, что составит четыре (8 : 2 = 4) молекулы. Таким образом, перед воздухом (О2 + 3,76N2) в левой части уравнения и перед азотом (3,76N2) в правой части уравнения нужно поставить коэффициент 4:

С3Н6О +4(О2 + 3,76N2) = 3СО2 + 3Н2О + 4·3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 4.

Горение аммиака в воздухе

Аммиак состоит из водорода и азота, следовательно, в продуктах горения будут вода и молекулярный азот и азот из воздуха (3,76N2):

NH3 + 0,75(О2 + 3,76N2) = 1,5H2O + 0,5N2 + 0,75 · 3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 0,75.

8

Горение сероуглерода в воздухе

Продуктами горения сероуглерода CS2 будут углекислый газ и оксид серы (IV) и азот из воздуха (3,76N2)

CS2 + 3(О2 + 3,76N2) = CO2 + 2SO2+ 3·3,76N2

Вывод:

Стехиометрический коэффициент β = 3.

Примеры:

Горение водорода в воздухе

В состав молекулы горючего вещества входит один атом кислорода, поэтому расчет коэффициента β проводят следующим образом: 10 – 1= 9, 9 : 2 = 4,5

Горение анилина в воздухе

С6Н5NН2 + 7,75(О2 + 3,76N2) = 6СО2 + 3,5Н2О + 0,5N2 +7,75·3,76N2

β = 7,75

В этом уравнении азот в правой части уравнения встречается дважды: азот воздуха и азот из горючего вещества.

(С2Н5)2 S + 7,5(О2 + 3,76N2) = 4СО2 + 5Н2О + SO2 + 7,5 · 3,76N2 β = 7,5

Горение диметилфосфата в воздухе

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

β = 3

9

567689

1.Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих углеводородов: метана, этилена, ацетилена, бензола, толуола, ксилола, октана, гексана (формулы веществ рекомендуется брать в справочнике).

2.Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих кислородосодержащих соединений: метилового спирта, этанола, пропанола, бутанола, диэтилового эфира, уксусного альдегида, уксусной кислоты, этилацетата, амилацетата, стеариновой кислоты, олеиновой кислоты, линоленовой кислоты, фенола.

3.Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих азотосодержащих соединений: нитробензола, диметиламина.

4.Записать уравнения реакций горения в воздухе следующих соединений, содержащих хлор: хлористого этила, фосгена, хлорбензола, гексахлорциклогексана.

5.Записать уравнения реакций горения в воздухе следую-

щих соединений: диэтилтиоэфира [(C2H5)2S], диметилфосфата [(CH3)2HPO4].

1.2. :-&;,' 4%<==/+/,$'- .%*>;,&'/ 1,#,&'1. ?-*-4',* &1,;,$/0 )2-@,$/

Коэффициент горючести К является безразмерным коэффициентом и служит для определения горючести вещества и расчета температуры вспышки вещества, исходя из температуры кипения. Рассчитанный коэффициент горючести может быть использован для приближенного вычисления температуры вспышки вещества, а также величины нижнего концентрационного предела распространения пламени.

Коэффициент горючести рассчитывается по следующей формуле:

К = 4n(C)+ 4n(S)+ n(H)+ n(N)– 2n(O)– 2 n(Cl)– 3n(F)– 5n(Br), (1.1)

где n(C), n(S), n(H), n(N), n(O), n(Cl), n(F), n(Br) – число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора и брома в молекуле вещества.

Если коэффициент горючести К больше единицы (К ≥ 1), то вещество является горючим; при значении К меньше единицы (К < 1) – вещество негорючее.

10