Химизм реакций горения.
Как Вы уже уяснили, горением называется быстропротекающая хими-ческая реакция, сопровождающаяся выделением тепла и свечением (пламе-нем). Обычно – это экзотермическая окислительная реакция соединения го-рючего вещества с окислителем – кислородом воздуха.
Горючими веществами могут быть и газы, и жидкости, и твердые те-ла. Это Н2, СО, сера, фосфор, металлы, СmHn (углеводороды в виде газов, жидкостей и твердых веществ, т.е. органические вещества. Природными уг-леводородами, например, являются природный газ, нефть, уголь). В принци-пе, горючими могут все вещества, способные к окислению.
Окислителями служат: кислород, озон, галогены (F, Cl, Br, J), закись азота (NO2), аммиачная селитра (NH4NO3) и др. У металлов окислителями могут быть также СО2, Н2О, N2.
В некоторых случаях горение возникает при реакциях разложения ве-ществ, полученных в эндотермических процессах. Например, при распаде ацетилена:
С2Н2 = 2С + Н2.
Экзотермические реакции – это реакции, проходящие с выделением тепла.
Эндотермические реакции – это реакции, проходящие с поглощением тепла.
Например:
2Н2+О2=2Н2О+Q – экзотермическая реакция,
2Н2О+Q=2Н2+О2 – эндотермическая реакция,
где: Q – тепловая энергия.
Таким образом, эндотермические реакции могут протекать только с внесением внешней тепловой энергии, т.е. при нагреве.
В химических реакциях по закону сохранения масс вес веществ до ре-акции равен весу веществ, образованных после реакции. При уравнивании химических уравнений получаются стехиометрические составы.
Например, в реакции
СН4 + 2О2 = СО2 + 2Н2О
имеем 1 моль СН4 + 2 моля О2 = 1 моль СО2 + 2 моля Н2О.
Количество молей перед формулами веществ называется стехиометри-ческими коэффициентами.
Учитывая понятия «молярный объем», «молярная концентрация», «парциальное давление», получаем, что для полного реагирования метана надо смешать 1 моль СН4 с 2 молями О2, или 1/3= 33,3% СН4 и 2/3=66,7% О2. Такой состав и называется стехиометрическим.
Если рассмотреть горение СН4 в воздухе, т.е. в смеси 21% О2+79% N2 или О2+79/21N2 или О2+3,76N2, то реакция запишется так:
СН4+2О2+2×3,76N2=СО2+2Н2О+2×3,76N2.
1 моль СН4+2 моля О2+7,52 моля N2 = 10,52 моля смеси О2, N2 и СН4.
Тогда стехиометрический состав смеси будет:
(1/10,52)*100%=9,5% СН4; (2/10,52)*100%=19,0% О2;
(7,52/10,52)*100%=71,5% N2.
Значит в наиболее горючей смеси вместо 100% (СН4+О2) в реакции с кислородом будет 24% (СН4+О2) в реакции с воздухом, т.е. тепла выделится значительно меньше.
Та же картина получится, если смешивать произвольные, нестехиомет-рические составы.
Например, в реакции 2СН4+2О2=СО2+2Н2О+СН4 1 моль СН4 не про-реагирует.
В реакции СН4+4О2=СО2+2Н2О+2О2 2 моля О2 не участвует в реак-ции, а играют роль балласта, требующие на свой нагрев какое-то количество тепла.
Таким образом, если сравнить реакции горения метана в кислороде и воздухе или в избытке СН4 и О2, то ясно, что количество выделяемого тепла в первой реакции будет больше, чем в остальных, так как в них:
- меньше концентраций реагирующих веществ в общей смеси;
- часть тепла уйдет на нагрев балласта: азота, кислорода или метана.
Зададимся вопросами:
- Какая же энергия может выделиться при реакции?
- Отчего зависит количество теплоты, т.е. тепловой эффект ре-
акции?
- Сколько нужно добавить тепловой энергии, чтобы протекла
эндотермическая реакция?
Для этого введено понятие теплосодержание вещества.