8.1. Реакції горіння

Горіння - швидкопротікаюча хімічна реакція з'єднання горючих компонентів з киснем, що супроводжується інтенсивним виділенням теплоти та різким підвищенням температури продуктів згоряння.

Реакції горіння описуються т.зв. стехіометричними рівняннями, що характеризують якісно і кількісно вступають у реакцію та утворюються в результаті її речовини. Загальне рівняння реакції горіння будь-якого вуглеводню

Q — тепловий ефект реакції або теплота згоряння.

Реакції горіння деяких газів наведено у табл. 8.1. Ці рівняння є балансовими, і з них не можна судити про швидкість реакцій, ні механізм хімічних перетворень.

Тепловий ефект (теплота згоряння) Q — кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні 1 кмоля, 1 кг або 1 м3 газу за нормальних фізичних умов. Розрізняють високу Qв і нижчу Qн теплоту згоряння: вища теплота згоряння включає теплоту конденсації водяної пари в процесі горіння (в реальності при спалюванні газу водяні пари не конденсуються, а видаляються разом з іншими продуктами згоряння). Зазвичай технічні розрахунки зазвичай ведуть за нижчою теплотою згоряння, не враховуючи теплоти конденсації водяної пари (близько 2400 кДж/кг).

ККД, розрахований за нижчою теплотою згоряння, формально вище, але теплота конденсації водяної пари досить велика, і її використання більш ніж доцільно. Підтвердженням цього є активне застосування в опалювальній техніці контактних теплообмінників, дуже різноманітних по конструкції.

Для суміші горючих газів найвища (і нижча) теплота згоряння газів визначається за співвідношенням

де r1, r2, …, rn - об'ємні (молярні, масові) частки компонентів, що входять до суміші;
Q1, Q2, …, Qn – теплота згоряння компонентів

Скориставшись табл. 8.1, вищу та нижчу теплоту згоряння, кДж/м3, складного газу можна визначати за такими формулами:

Qв = 127,5 Н2 + 126,4 СО + 398 СН4 + 703 С2Н6 + 1012 С8Н8 + 1338 C4H10 +
+1329 C4H10 + 1693 С5Н12 + 630 С2Н4 + 919 С3Н6 +1214 C4H8 (8.3)
Qн = 107,9 H2 + 126,4 CO + 358,8 CH4 + 643 C2H6 + 931,8 C8H8 + 1235 C4H10 +
+ 1227 C4H10 + 1566 C5H12 + 595 C2H4 + 884 C8H6 + 1138 C4H8 (8.4)

де H2, CO, CH4 тощо. буд. - Утримання окремих складових у газовому паливі, про. %.

Процес горіння протікає набагато складніше, ніж за формулою (8.1), так як поряд з розгалуженням ланцюгів відбувається їх обрив за рахунок утворення проміжних стабільних сполук, які за високої температури зазнають подальших перетворень. При достатній концентрації кисню утворюються кінцеві продукти: водяна пара Н2О та двоокис вуглецю СО2. При нестачі окислювача, а також при охолодженні зони реакції проміжні сполуки можуть стабілізуватися і потрапляти в навколишнє середовище.

Інтенсивність тепловиділення та зростання температури призводять до збільшення в системі активних частинок, що реагує. Такий взаємозв'язок ланцюгового реагування та температури, властивий практично всім процесам горіння, привів до введення поняття ланцюжково-теплового вибуху — самі хімічні реакції горіння мають ланцюговий характер, а їх прискорення відбувається за рахунок виділення теплоти та зростання температури в системі, що реагує.

Швидкість хімічної реакції в однорідній суміші пропорційна добутку концентрацій реагуючих речовин:

де С1 і С2 - концентрації компонентів, що реагують, кмоль/м3;
k-константа швидкості реакції, яка залежить від природи реагуючих речовин і температури.

При спалюванні газу концентрації реагують речовин можна умовно вважати незмінними, оскільки у зоні горіння відбувається безперервний приплив нових компонентів однозначного складу.

Константа швидкості реакції (за рівнянням Арреніуса):

де К0 - передекспоненційний множник, який приймається для біометричних гомогенних сумішей, ≈1,0;
Е – енергія активації, кДж/кмоль;
R-універсальна газова постійна, Дж/(кг•К);
Т - абсолютна температура, К (° С);
е - основа натуральних логарифмів.

Передекспоненційний множник К0 можна витлумачити як константу, що відображає повноту зіткнення молекул, а Е як мінімальну енергію розриву зв'язків молекул і утворення активних частинок, що забезпечують ефективність зіткнень. Для поширених горючих сумішей вона укладається в межах (80÷150)•103 кДж/кмоль.

Рівняння (8.6) показує, що швидкість хімічних реакцій різко зростає зі збільшенням температури: наприклад, підвищення температури з 500 до 1000 К спричиняє підвищення швидкості реакції горіння в 2•104÷5•108 разів (залежно від енергії активації).

На швидкість реакцій горіння впливає їх ланцюговий характер. Спочатку генерується реакцією атоми і радикали вступають у сполуки з вихідними речовинами і між собою, утворюючи кінцеві продукти і нові частинки, що повторюють той самий ланцюг реакцій. Зростання генерування таких частинок призводить до «розгону» хімічних реакцій - фактично вибуху всієї суміші.

Високотемпературне горіння вуглеводнів має дуже складний характер і пов'язане з утворенням активних частинок у вигляді атомів та радикалів, а також проміжних молекулярних сполук.Як приклад наводяться реакції горіння найпростішого вуглеводню - метану:

СН4 + ВІН -> СН3 + Н2О
СН4 + О -> СН2 + Н2О
2 СН3 + О2 -> НСНО + ВІН
СН2 + О2 -> НСНО + О
3 НСНО + ВІН -> НСО + Н2О
НСНО + О -> СО + Н2О
НСО + О2 -> СО + О + ВІН
4 СО + О -> СО2
СО + ВІН -> СО2 + Н
Підсумок одиничного циклу:
2СН4 + 4О2 -> 2СО2 + 4Н2О

Процес горіння. Практична робота №2/Демонстрація «Порівняння реакцій горіння сірки, фосфору, заліза в повітрі та кисні»

Учні отримують оцінку роботи у формі «Достиг чи прагне» з аналізу звіту.

• С. Знаю теорію, вмію застосовувати на практиці
• В. Знаю теорію, відчуваю труднощі з практикою
• А. Погано знаю теорію, не можу застосовувати практично.

(1 хв) Домашнє завдання Прийом «Листонога» Кожен учень отримує конверт із різнорівневим домашнім завданням (рівень А, В, С) Рівень А: 1. Підручник § 9, стор. 58 №8 2. «Хімічний лабіринт» Рівень В: Розв'язання логічних завдань Рівень С: Написати напишіть есе про користь та шкоду для природи та людини

Аркуші відповідей Шкала оцінювання ДОДАТОК 5

ДОДАТОК 3 Карта-інструкція Практична робота №2 «Порівняння реакцій горіння сірки, фосфору, заліза в повітрі та кисні»

Мета роботи: Порівняти реакції горіння металів та неметалів у повітрі та кисні. Гіпотеза: Якщо припустити, що речовини горять на повітрі повільно, то в кисні процес горіння відбуватиметься швидко. Чи це так?

Необхідне обладнання та реактиви Обладнання: ложки для спалювання речовин, шпатель, спиртування, сірники, колби об'ємом 1 літр, пробки для колб, пісок на дні колби для спалювання заліза. Реактиви: кисень, сірка, фосфор, залізо. Хід роботи: Досвід 1. Горіння сірки: - Насипте в залізну ложечку трохи сірки за допомогою шпателя; - підпаліть сірку над полум'ям спиртування та запишіть спостереження; - опустіть ложечку з сіркою, що горить, в кисень, закрийте пробкою колбу; - Запишіть спостереження та рівняння реакції в таблицю результатів. - Зробіть висновок. Досвід 2. Горіння фосфору: - Насипте в залізну ложечку трохи червоного фосфору за допомогою шпателя; - підпаліть фосфор над полум'ям спиртування та запишіть спостереження; - опустіть ложечку з фосфором, що горить, в кисень, закрийте колбу пробкою; - запишіть спостереження та рівняння реакції в таблицю результатів; - Зробіть висновок. Досвід 3. Горіння заліза: - піднесіть до полум'я спиртування спіраль із залізного дроту на тривалий час; - Запишіть спостереження; Опустіть нагріту спіраль із залізного дроту у кисень, закрийте колбу. - запишіть спостереження та рівняння реакції в таблицю результатів; - Зробіть висновок.

Дескриптор Хто навчається - правильно ставить мету та визначає гіпотезу; - оформляє таблицю, де вказує: опис досвіду, спостереження, висновок; - записує рівняння реакції горіння сірки, фосфору та заліза; - Вказує продукти реакції горіння.

ВИКОНАННЯ РОБОТИ Завантажте по черзі три наступні відео-досліди та уважно спостерігайте за експериментом:
1. Горіння сірки 2. Горіння фосфору 3. Горіння заліза Оформіть звіт про виконану роботу

ДОДАТОК 4 ЛИСТИ-ЗАВАННЯ Завдання А: Вставте пропущені слова. Кисень взаємодіє як із простими речовинами (з ___________________ і _________________________), так і зі складними. Реакції взаємодії речовин із киснем називаються реакціями _____________________. Для того, щоб ці реакції почалися у багатьох випадках необхідно ____________________. Ознаками більшості хімічних реакцій із киснем є _________________________________. Такі реакції називаються реакціями _____________________. Через війну даних реакцій утворюються досить міцні хімічні сполуки, звані______________________. Завдання В: Робота пожежників зводиться до усунення окремих умов горіння. Визначте для кожного з наведених на малюнку випадків (стрілкою вказано, який фактор треба усунути) спосіб запобігання або гасіння вогню:
1) вуглекислим газом; 2) водою; 3) піском; 4) з допомогою вогнестійких перегородок.

Завдання С: Які засоби гасіння пожежі потрібно використовувати у таких випадках: 1) спалахнув одяг на людині; 2) спалахнув бензин; 3) виникла пожежа на складі лісоматеріалів; 4) спалахнула нафта на поверхні води.
Завдання D: Сміттєві кури будують гніздо зі сміття та гниючих залишків рослин. У нього певну глибину вони відкладають яйця. Самець час від часу частково розкидає купу зверху або, навпаки, робить її вищою. Який процес іде у гнізді? Поясніть поведінку птахів.

ДОДАТОК 5 ЛИСТ- ВІДПОВІДЕЙ Завдання А: Вставте пропущені слова. Кисень взаємодіє як із простими речовинами (з вугіллям, сіркою, фосфором, залізом) , і зі складними. Реакції взаємодії речовин із киснем називаються реакціями окиснення. Для того щоб ці реакції почалися в багатьох випадках необхідно довести речовину до температури займання. Ознаками більшості хімічних реакцій із киснем є виділення теплоти та світла Такі реакції називаються реакціями горіння. В результаті даних реакцій утворюються досить міцні хімічні сполуки оксидами. Завдання В: Робота пожежників зводиться до усунення окремих умов горіння. Визначте для кожного з наведених на малюнку випадків (стрілкою вказано, який фактор треба усунути) спосіб запобігання або гасіння вогню:
1) вуглекислим газом; 2) водою; 3) піском; 4) з допомогою вогнестійких перегородок. Відповідь: а-2; б-1; 3 в-4

Завдання С: Які засоби гасіння пожежі потрібно використовувати у таких випадках: 1) спалахнув одяг на людині; 2) спалахнув бензин; 3) виникла пожежа на складі лісоматеріалів; 4) спалахнула нафта на поверхні води. Відповідь: Для виникнення горіння потрібне нагрівання до певної температури та забезпечення вільного доступу повітря. Для припинення горіння необхідно охолодити речовину нижче за температури запалення або припинити доступ повітря. а) При загорянні одягу на людині необхідно накрити його ковдрою або чимось подібним - при цьому припиняється доступ повітря. б) При загорянні бензину потрібно користуватися вогнегасником: оксид вуглецю (IV), що міститься в ньому, не підтримує горіння і ускладнює доступ повітря. в) Для гасіння лісоматеріалів застосовують воду. Вона і охолоджує предмети, що горять, і ускладнює доступ до них повітря. г) Для гасіння нафти на поверхні води застосовують спеціальну піну, яка покриває нафту, що горить, і припиняє доступ до неї повітря.Гасити нафту водою не можна, оскільки нафту з водою не поєднується.
Завдання D: Сміттєві кури будують гніздо зі сміття та гниючих залишків рослин. У нього певну глибину вони відкладають яйця. Самець час від часу частково розкидає купу зверху або, навпаки, робить її вищою. Який процес іде у гнізді? Поясніть поведінку птахів. Відповідь: Якщо речовина повільно взаємодіє із киснем, то теплота виділяється поступово. Такий процес називається повільним окисненням. У процесі окиснення сміття виділяється теплота.

ДОДАТОК 6 ЛИСТ САМООЦІНЮВАННЯ

ДОДАТОК 7 Домашнє завдання на тему: Процес горіння
Завдання Рівень С (Знаю теорію, вмію застосовувати на практиці) Уважно прочитайте ключові слова та напишіть есе про користь та шкоду для природи та людини Ключові слова: варити, рух транспорту, сталь, їжу, друг, ворог, Вічний вогонь, опалення, пожежа, вибух, Прометей, Зевс, ліс, поля , люди, Олімпійські ігри, забруднення.
Завдання Рівень В (Знаю теорію, відчуваю труднощі з практикою)
Вологе зерно не можна зберігати у великих купах: може статися обвуглювання чи самозаймання.Поясніть, чому це відбувається. Щоб зберегти зерно, його перелопачують, тобто. перекидають із місця на місце. Поясніть, чому це потрібно робити.

Завдання Рівень А (Погано знаю теорію, не можу застосовувати на практиці)
Завдання 1: Підручник § 9, стор. 58 №8 Завдання 2: «Хімічний лабіринт» Щоб дістатися фінішу, почніть проходження лабіринту з лівої верхньої клітини. Якщо судження, вписане в цю клітинку, правильно, то продовжуйте шлях за стрілкою з позначенням "так", якщо помилково, то за стрілкою "ні".