21 отражает ли суммарное уравнение реакции горения действительно происходящие процессы

Влияние различных факторов на скорость химических реакций при горении

Зависимость скорости реакции горения от концентрации реагирующих веществ можно представить выражением

где: k – константа скорости реакции,

Сгор — концентрация горючего вещества, кмоль/м 3 ,

Сок – концентрация окислителя, кмоль/м 3 ,

x,y – порядки реакции по горючему и окислителю соответственно.

Суммарное уравнение реакции, как правило, не отражает истинного механизма протекания реакции горения, которая является многостадийной и, зачастую цепной, поэтому порядки реакции в уравнении далеко не всегда совпадают с величиной стехиометрических коэффициентов в уравнении.

Скорость реакции горения зависит от температуры:

,

А – фактор эффективности соударений;

е – основание натурального логарифма;

Еа – энергия активации, кДж/кмоль;

R – универсальная газовая постоянная, R=8,314 кДж/(К.кмоль);

Т – температура, К.

Это уравнение является выражением закона Аррениуса о зависимости скорости химических реакций от температуры. В упрощенном виде для узкого интервала температур можно пользоваться правилом Вант-Гоффа:

скорость химической реакции возрастает в 2-4 раза при повышении температуры на каждые 10 0

Таким образом, скорость химической реакции окисления горючего вещества при горении резко возрастает с повышением температуры, причем тем больше, чем ниже энергия активации.

Основными факторами, влияющими на скорость химической реакции при горении являются:

· Концентрация реагирующих веществ (максимальная при стехиометрической концентрации)

· Температура (чем выше температура, тем выше скорость реакции)

· Давление (с увеличением давления – скорость увеличивается)

· Наличие катализаторов или ингибиторов

Как отмечалось выше, химические реакции окисления высокоэкзотермичны, поэтому горение сопровождается выделением большого количества теплоты и следовательно протекает при высокой температуре. Например, температура горения древесины 700-800 0 С, нефтепродуктов – еще выше – 1300-1500 0 С.

При низких давлениях могут возникать так называемые холодные пламена. Самоускорение цепной химической реакции горения при этом происходит в изотермическом режиме. Это происходит при определенном составе горючей смеси и определенном состоянии среды. Изотермическое самоускорение характерно для смесей с достаточно высокой концентрацией активных, но достаточно стабильных промежуточных продуктов, что приводит к уменьшению разветвления цепей, а следовательно и к уменьшению выделения теплоты, которая за счет теплоотвода рассеивается в окружающую среду и частично затрачивается на нагрев стабильных промежуточных продуктов. Возникает свечение, представляющее собой хемилюминесценцию, а не тепловое излучение нагретых продуктов горения, которое имеет место в горячих пламенах.

Кроме того, на возникновение холодных пламен большое влияние оказывают стенки сосуда, в котором происходит горение. Они оказывают каталитическое влияние на процесс уничтожения активных центров, т.е. происходит гетерогенный обрыв цепи. Интенсивность этого процесса определяется скоростью диффузии активных центров к стенкам сосуда. Понижение давления способствует этому процессу. Понижение давления может не только привести к образованию холодных пламен вместо горячих, но в определенных условиях (например, в узких сосудах) даже к полному прекращению горения.

Как отмечалось выше, химические превращения в процессе горения приводят к возникновению различных физических процессов: переносу тепла за счет конвекции, теплопроводности и излучения, переноса реагирующих веществ и др.

Таким образом, горение можно характеризовать как сложный самоподдерживающийся физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла и излучение (в том числе чаще всего и световое, т.е. в видимой части спектра).

8.1. Реакции горения

Реакции горения описываются т.н. стехиометрическими уравнениями, характеризующими качественно и количественно вступающие в реакцию и образующиеся в результате ее вещества. Общее уравнение реакции горения любого углеводорода

Q — тепловой эффект реакции, или теплота сгорания.

Реакции горения некоторых газов приведены в табл. 8.1. Эти уравнения являются балансовыми, и по ним нельзя судить ни о скорости реакций, ни о механизме химических превращений.

Тепловой эффект (теплотой сгорания) Q — количество теплоты, выделяющееся при полном сгорании 1 кмоля, 1 кг или 1 м3 газа при нормальных физических условиях. Различают высшую Qв и низшую Qн теплоту сгорания: высшая теплота сгорания включает в себя теплоту конденсации водяных паров в процессе горения (в реальности при сжигании газа водяные пары не конденсируются, а удаляются вместе с другими продуктами сгорания). Обычно технические расчеты обычно ведут по низшей теплоте сгорания, без учета теплоты конденсации водяных паров (около 2400 кДж/кг).

КПД, рассчитанный по низшей теплоте сгорания, формально выше, но теплота конденсации водяных паров достаточно велика, и ее использование более чем целесообразно. Подтверждение этому — активное применение в отопительной технике контактных теплообменников, весьма разнообразных по конструкции.

Для смеси горючих газов высшая (и низшая) теплота сгорания газов определяется по соотношению

где r1, r2, …, rn — объемные (молярные, массовые) доли компонентов, входящих в смесь;
Q1, Q2, …, Qn — теплота сгорания компонентов

Воспользовавшись табл. 8.1, высшую и низшую теплоту сгорания, кДж/м3, сложного газа можно определять по следующим формулам:

где H2, CO, CH4 и т. д. — содержание отдельных составляющих в газовом топливе, об. %.

Интенсивность тепловыделения и рост температуры приводят к увеличению в реагирующей системе активных частиц. Такая взаимосвязь цепного реагирования и температуры, свойственная практически всем процессам горения, привела к введению понятия цепочечно-теплового взрыва — сами химические реакции горения имеют цепной характер, а их ускорение происходит за счет выделения теплоты и роста температуры в реагирующей системе.

Скорость химической реакции в однородной смеси пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ:

где С1 и С2 — концентрации реагирующих компонентов, кмоль/м3;
k —константа скорости реакции, зависящая от природы реагирующих веществ и температуры.

При сжигании газа концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зоне горения происходит непрерывный приток свежих компонентов однозначного состава.

Константа скорости реакции (по уравнению Аррениуса):

где К0 — предэкспоненциальный множитель, принимаемый для биометрических гомогенных смесей, ≈1,0;
Е — энергия активации, кДж/кмоль;
R— универсальная газовая постоянная, Дж/(кг•К);
Т — абсолютная температура, К (°С);
е — основание натуральных логарифмов.

Уравнение (8.6) показывает, что скорость химических реакций резко возрастает с увеличением температуры: например, повышение температуры с 500 до 1000 К влечет повышение скорости реакции горения в 2•104÷5•108 раз (в зависимости от энергии активации).

На скорость реакций горения влияет их цепной характер. Первоначально генерируемый реакцией атомы и радикалы вступают в соединения с исходными веществами и между собой, образуя конечные продукты и новые частицы, повторяющие ту же цепь реакций. Нарастающее генерирование таких частиц приводит к «разгону» химических реакций — фактически взрыву всей смеси.

Высокотемпературное горение углеводородов имеет весьма сложный характер и связано с образованием активных частиц в виде атомов и радикалов, а также промежуточных молекулярных соединений. В качестве примера приводятся реакции горения простейшего углеводорода — метана:

5Можно ли представить химическими уравнениями процессы происходящие

5Можно ли представить химическими уравнениями процессы, происходящие: а) при перегонке нефти; б) при крекинге нефти. Дайте обоснованный ответ.
А) При перегонке нефти нельзя представить химические процессы , так как при нагревании нефти до определенной температуры все подлежащие перегонке продукты, содержащиеся в нефти, переходят в парообразное состояние и отделяются от жидкого нелетучего остатка. Иными словами химических процессов не происходит, происходят физические процессы, при которых состав вещества НЕ меняется, а меняется только агрегатное состояние.
Б) При крекинге нефти происходит изменении состава веществ, Поэтому этот процесс можно описать химическими уравнениями.
Крекинг – это расщепление крупных молекул на менее крупные под дествием температуры, катализатора:
Общая формула: алкан ———-> алкан + алкен
С20Н42 —————-> C10H22 + С10Н20
Эйкозан декан децен ( децилен)
25Какие методы определения молекулярной массы вы знаете? Охарактеризуйте их.
Зная молярную массу – легко находим относительную молекулярную массу.
Так как M (г/моль) = Mr ( а.е.м)
Некоторые методы определения молекулярных массЗакон Авогадро открывает путь для определения молекулярных масс газов и веществ, переходящих в газообразное состояние без разложения. Пусть число молекул в заданном объёме сравниваемых газов составляет N. Если массу молекулы первого газа m1, а массу молекулы второго газа — m2, то массы заданных объёмов, т. к. объёмы принимаются равными будут относиться, как молекулярные массы.Отношение массы данного объёма газа к массе такого же объёма другого газа называется плотностью одного газа по второму и обозначается буквой D:D = m1/m2Принимая во внимание, что молярная масса пропорциональна молекулярной:M = 6,021023*mполучаем: D = M1/M2.Плотность D газа показывает, во сколько раз один газ тяжелее другого. Если известны плотность D первого газа по второму и молярная масса M2 последнего, можно вычислить молярную массу M1 первого газа.Обычно плотность газа определяют по водороду или по воздуху, вводя соответственно обозначение DH или Dвозд..Если известна плотность газа по водороду, то M1 = DHM(H2), а так как молярная масса водорода округленно равна 2, то М1 = 2 DH.Если известна плотность газа по воздуху, средняя молярная масса которого принимается равной 29, то искомая молярная масса газа M1 = 29 Dвозд..Пример. Вычислить молярную массу бутана, если его плотность по воздуху равна 2. М(С4Н10) = 2*29 = 58 г/моль.Для определения молярной массы газа можно использовать представление о его молярном объёме. Моль любого газа про нормальных условиях занимает объём 22,4 л. Следовательно, если известна масса m некоторого объёма V газа при нормальных условиях, то M можно вычислить по пропорции:V л газа имеют массу m г22,4 л -”- х гx = 22,4*mV ; M = x г/моль Примеры. Вычислить молярную массу этана 5,6 л которого при нормальных условиях имеют массу 7,5 г.5,6 л этана имеют массу 7,5 г,а 22,4 л -”- х г х = 22,4*7,55,6 = 30 г.
Зная молярную массу газа легко вычислить его плотность по водороду, воздуху или любому другому газу, молярная масса которого известна.Измерения объёмов газов обычно проводят при условиях, отличных от нормальных. Для приведения объёма газа к нормальным условиям используют уравнение объединенного газового закона Бойля-Мариотта и Гей-Люссака:
Po*VoTo = P*VT В этом уравнении V — объём данной массы газа при заданных давлении p и температуре T (в Кельвинах); Vо — объём этой же массы газа при нормальных условиях (при давлении 101325 Па, или 760 мм рт. ст. и температуре 273 К).Если Vо означает объём, занимаемый при нормальных условиях 1 молем газа, т. е. 22,4 л, то для всех газов соотношение Po*VoTo будет постоянной величиной. Эта величина называется универсальной газовой постоянной, обозначается буквой R, имеет размерность единица энергии/(Кельвин моль). Численное значение R зависит от единиц, в которых выражается объём и давление газа.В Международной системе единиц (СИ) давление выражается в паскалях (Па, 1 Па = 1 Н/м2), объём в кубических метрах (м3), следовательно значение универсальной газовой постоянной определяется значением:R = 101325*22,4* 103273 = 8,314 Дж/(Кмоль).Подставим в уравнение постоянную R и получим уравнение для 1 моля газа: pV = RТДля n молей газа это уравнение приобретает следующий вид: pV = RТЭто уравнение получило название уравнение КлапейронаМенделеева. Учитывая, что число молей газа n равно отношению массы газа в граммах к его мольной массе, т. е. = m/M, уравнение КлапейронаМенделеева часто применяют в виде: рV = mMRТУравнение КлапейронаМенделеева позволяет рассчитать молярную массу, а следовательно и молекулярную массу любого вещества, находящегося в газообразном состоянии:M = m*R*TP*V .Рассмотрим еще другой метод:
Осмотический метод – используется уравнение Вант –Гоффа
= mM * RT => M= mRTπ
45 Вычислите элементный состав ( % по массе) предельных углеводородов, плотность паров которых по водороду равна 36.
У нас даны предельные углеводороды ( алканы). Общая формула CnH2n+2
Относительная плотность по водороду выражается формулой:
DH2(CnH2n+2) = Mr(алкана)Mr(водорода) , где
DH2(CnH2n+2) относительная плотность паров по водороду
Mr (CnH2n+2) – относительная молекулярная масса алкана
Mr(H2) – относительная молекулярная масса водорода
Из этой формулы мы можем вывести расчетную формулу вычисления Mr алкана
Mrалкана= DH2(CnH2n+2) * Mr(Н2) Mrалкана= 36 * 2 =72
Теперь найдем молекулярную формулу алкана , используя его относительную молекулярную массу.
Mr (CnH2n+2) =72
12n + 2n + 2 =72
14n =70
n=5 значит формула алкана С5Н12 ( пентан)
Рассчитаем массовые доли элементов , используя формулу:
ω (хим.элемента) = n*Ar (элемента)Mr (формулы) * 100% где
ω (хим.элемента) – массовая доля элемента
n- индекс ( показывает число атомов в молекуле)
Ar ( элемента)- атомная масса элемента ( по таблице Менделеева)
Mr ( формулы) – относительная молекулярная масса алкана
ω (С) = 5*1272 * 100% = 83,33% ω (Н) = 12*172 * 100% = 16,67%
65Составьте уравнения реакций: а) гидрирования циклобутана;
б) гидрогалогенирования циклопропана; в) галогенирования циклопропана;
г) полного окисления циклопентана
А) гидрирование( присоединение водорода) циклобутана
СН2 ─ СН2 t0C, катализатор
| | + Н2 → СН3 – СН2 – СН2 –СН3
СН2 ─ СН2
Циклобутан бутан
Или
С4Н8 + Н2 —-> C4H10
Б) гидрогалогенирование ( присоединение галогеноводорода) циклопропана
СН2
/ + HCl ——–> СН3 – СН2 – СН2 Cl
CH2 ─ CH2 1-хлопропан
Или
С3Н6 + Н2 —-> C3H5Cl
В) галогенирование ( присоединение галогенов) циклопропана
СН2
/ + Cl2 ——–> СН2Cl – СН2 – СН2 Cl
CH2 ─ CH2 1,3-дихлопропан
Г) полное окисление пентана.
При полном окислении алканов получается соответствующая кислота
СН3 – СН2 – СН2 – СН2 –СН3 + 1,5О2 -> СН3 – СН2 – СН2 – СН2 –СOOH + H2O
Пентан пентановая кислота
85 Смесь метана и этилена объемом 400 мл (н.у.) обесцветила бромную воду с массовой долей брома 3,2% массой 40 г. Определите объемную долю этилена в смеси
Метан ( алкан) не обесцвечивает бромную воду, поэтому даная реакция произойдет только с этиленом (алкен). И бром будет расходоваться только по этой реакции
СН2 = СН2 + Br2 —————————> CH2Br – CH2Br
1 моль 1 моль
-находим массу растворенного вещества брома по формуле :
m рас.вещ-ва = m раствора* ω100% m р.в-ва (Br2) = 40 г * 3,2 %100% = 1,28 г
– находим кол-во вещества растворенного брома по формуле:
ν = m р.в-ваM M(Br2) = 2 * 80 = 160 г/моль ν (Br2) = 1,28 г160гмоль = 0,008 моль
– находим по уравнению кол-во вещества этилена.
Так как реакция у нас идет 1:1 .На один моль этилена расходуется один моль брома, значит кол-во вещества этилена тоже равно ν = 0,008 моль
– находим объем этилена по формуле:
V = ν * Vm где Vm – постоянная величина равная 22,4 л/моль
V (CH2=CH2) = 0,008моль * 22,4 л/моль = 0,1792 л = 179,2 мл
– находим объемную долю этилена в смеси по формуле:
φ = V вещества V смеси * 100% φ(CH2=CH2) = 179.2 мл 400 мл * 100% = 44,8 %
105 Чем объясняется высокая химическая активность диеновых углеводородов? В какие реакции они вступают? Приведите примеры
Диеновые углеводороды
Диеновыми называют углеводороды, содержащие две двойные углерод-углеродные связи. Их состав может быть выражен общей формулой СnН2n-2.. Особенности строения и реакционная способность диеновых углеводородов зависят от взаимного расположения двойных связей. Если двойные связи удалены друг от друга (изолированые, или несопряженные), то свойства таких соединений не отличаются от свойств алкенов. Соединения, в которых двойные связи располагаются рядом (кумулированные), называют кумуленами или алленами. (СН2=С=СН2). Центральный атом углерода в алленах участвует в образовании сразу двух двойных связей и находится в sp-гибридном состоянии.Двойные связи лежат во взаимно перпендикулярных плоскостях.Аллены высокореакционно-способные соединения.
Важнейшее значение имеют диены, в которых двойные связи разделены одной у-связью, -сопряженные диены. Особенность строения этих соединений заключается в перераспределении электронной плотности р-орбиталей двух двойных связей с образованием общего электронного облака. Это явление получило название сопряжения, или мезомерии. (СН2=СН-СН= СН2)
Сопряженные диены вступают в реакции, наиболее характерные для алкенов: электрофильное присоединение, полимеризация, окисление.
1)Реакция присоединения
Характерным свойством реакций присоединения является возможность образования продуктов не только 1,2-присоединения по месту двойной связи, как в обычных алкенах, но и 1,4-присоединения (вопреки правилу Марковникова) вследствие эффекта сопряжения, поэтому реакции присоединения могут протекать в двух направлениях:
а) к одной из двойных связей (1,2-присоединение) или
б) в крайние положения сопряженной системы с образованием новой двойной связи в центре системы (1,4-присоединение). Так, присоединение брома к бутадиену может привести к двум продуктам: 1,2 СН2=СН-СН=СН2 + Вr2 → СН2=СН-СНВr-СН2Вrили 1,4 СН2=СН-СН=СН2 + Вr2 → ВrСН2-СН=СН-СН2Вr
и дальнейшее галогенирование приводит уже к образованию 1,2,3,4 продукта
СН2=СН-СНВr-СН2Вr + Вr2 → СН2Br – СНBr-СНВr-СН2Вr
Или
ВrСН2-СН=СН-СН2Вr + Вr2 → СН2Br – СНBr-СНВr-СН2ВrПодбор реагентов и условий реакций позволяет направлять присоединение по любому из двух направлений. По такому же механизму происходит присоединение галогеноводородов, водорода, воды.
2)Реакция полимеризации
Важнейшее свойство диенов — их способность к полимеризации, которая используется для получения синтетических каучуков. При полимеризации бутадиена-1,3, которая протекает как 1,4-присоединение, получают бутадиеновый каучук:nСН2=СН-СН=СН2 → (-СН2-СН=СН-СН2-)n
3)Окисление
Алкадиены легко горят с образованием углекислого газа и воды
2СН2=СН-СН=СН2 + 11О2 → 8CO2 + 6H2O
125 Какая масса карбида кальция вступила в реакцию с водой, если при этом выделилось 5,6 л ацетилена (н.у.)?
CaC2 + 2H2O ——> CH ≡ CH + Ca(OH)2
1 моль 1 моль
– Находим кол-во вещества ацетилена ( CH ≡ CH ) по формуле:
= VVm ( CH ≡ CH ) = 5,6 л22,4 л/моль = 0,25 моль
По уравнению у нас из 1 моль карбида кальция получается 1 моль ацетилена, значит (CaC2) = 0,25 моль
– находим массу (CaC2) по формуле:
m= * M M(CaC2) = 1*40 + 2*12 = 64 г/моль
m (CaC2)= 0,25 моль *64 г/моль = 16 г
145При сжигании гомолога бензола массой 0,92 г в кислороде получили оксид углерода (IV), который пропустили через избыток раствора гидроксида кальция. При этом образовался осадок массой 7 г. Определите формулу углеводорода и назовите его
Гомолог бензола имеет формулу: СnH2n-6
Реакция горения :
СnH2n-6 + 3n-32 О2 ——> nCO2 + (n-3) H2O
1 моль n моль
Образовавшийся углекислый газ пропустили через гидроксид кальция
CO2 + Ca(OH)2 => CaCO3 + H2O
1 моль 1 моль
– находим кол-во вещества осадка по формуле:
= mМ М(CaCO3) = 40+12+48 = 100 г/моль (CaCO3) = 7 г100 г/моль =0,07 моль
По уравнению кол-во вещества углекислого газа = кол-во вещества осадка , так как из 1 моль CO2 образуется 1 моль CaCO3, значит (CO2) = 0,07 моль.
Находим массу углерода в гомологе бензола .
m(C)= 0,07 *12 = 0,84 г
теперь можем найти массу водорода в вещесте m(H) = 0,92 г- 0,84г =0,08 г
теперь найдем число углеродов и водородов в гомологе
Для этого рассмотрим отношение
m(C)Ar(C) : m(H)Ar(H) 0,8412 : 0,081 => 0,07:0,08 приведем к целым числам 7:8
Значит наша формула гомолога следующая С7Н8
Ее можно представить и так : С6Н5-СН3 метилбензол( толуол)
165 Выпишите из перечисленных формул фенолы: С6Н6О2, С6Н6О3, С6Н12О3, С7Н8О, С8Н10О, С7Н14О, С6Н14О. Напишите формулы строения для фенолов, имеющихся в этом ряду
Фенолы – ароматические соединения, содержащие в своем составе бензольное кольцо и одну или несколько групп ОН.
Общая формула фенолов – СnH2n-6Ox
Из приведенного переченя вещества к фенолам относятся
С6Н6О2, С6Н6О3, С7Н8О, С8Н10О Напишем их структурные формулы с изомерами
С6Н6О2 для этого вещества возможна следующая запись структурных формул
OH OH OH
OH
OH
OH
о-диоксибензол М-диоксибензол п-диоксибензол
С6Н6О3
OH OH OH OH
а) OH б) OH в) г)
OH OH HO OH
OH OH
а) 1,2,3-триоксибензол
б) 1,2,4-триоксибензол
в) 1,3,4-триоксибензол
г) 1,3,5-триоксибензол
С7Н8О
OH OH OH
СН3
СН3
СН3
2-метилфенол 3-метилфенол 4-метилфенол
С8Н10О
а) OH б) OH в) OH г) OH д) OH
С2Н5 СН3 СН3
СН3 СН3 Н3С СН3
СН3 СН3
е) OH ж) OH
С2Н5
С2Н5
а) 2-этилфенол б) 2,3-диметилфенол в) 2,4-диметилфенол
г) 3,4-диметилфенол д) 3,5-диметилфенол e) 3-этилфенол
ж) 4-этилфенол
185Какой объем хлороформа плотностью 1,5 г/мл можно получить из природного газа объемом 60 л (нормальные условия), объемная доля метана в котором составляет 90%. Выход хлороформа равен 70% от теоретически возможного
h
СН4 + 3 Cl2 ——> CHCl3 + 3HCl
1 моль 1 моль
– Находим объем метана в природном газе по формуле:
V (СН4) = φ метана*V природ газа100% *100% V (СН4) = 90%*60 л 100% *100% = 54 л
– находим кол-во вещества метана по формуле:
= VVm ( CH4 ) = 54 л22,4 л/моль = 2,41 моль
– находим по уравнению кол-во вещества хлороформа.
Так как из 1 моль метана получается 1 моль хлороформа,значит
( CHCl3 ) =2,41 моль
-находим массу хлороформа по формуле:
m= * M M(CHCl3) = 1*12 + 1*1 + 3 * 35,5 = 119,5 г/моль
m(CHCl3) = 2,41 моль * 119,5 г/моль = 288 г
-находим объем раствора по формуле:
V = ρ*m V(CHCl3) = 1,5 г/мл * 288 г =432 мл = 0,432 л


источники:

http://www.fas-him.ru/info/spravochnik/gl-8/gl-8_100.html

http://the-students.ru/5mozhno-li-predstavit-himicheskimi-uravneniyami-proczessy-proishodyashhie/