Хімія: Класифікація вибухів по щільності речовини, за типами хімічних реакцій, Реферат

Горіння - з дитинства і назавжди вражає нашу уяву феномен природи - безсумнівно один з найважливіших для природи і людської практики фізико-хімічних процесів. Грецький міф про Прометея, що викрав вогонь у богів і віддав його людям, культ вогню в інших стародавніх міфологіях - своєрідна "поетична данину ролі вогню в виникненні цивілізації.

Наукове дослідження горіння почалося в XVIII в, маєте зі стрімкий розпиванням хімії. Па початковому етапі горіння визначалося як з'єднання з киснем горючих речовин (п першу чергу містять водень і вуглець). Узагальнюючи цю точку зору, хіміки формулюють в той час широко відомий вислів: "Життя - це повільне горіння"; цей вислів залишається першим і понині, оскільки саме з'єднання з киснем накопиченого рослинами пального служить джерелом енергії людини і взагалі живих істот.

З'ясування хімічної суті горіння на цьому ранньому етапі розвитку павуки підготувало базу для розвитку енергетики і термодинаміки, оскільки горіння - сонорної постачальник газів високої температури і енергії, В кінці XIX в. інтенсивно займаються важливі дослідженні хіміко-термодинамічних рівноваг і системі Н3-Нао - СО-СО, С-О ,, що визначають в першому наближенні температуру, що досягається при горінні вуглеводневих палив, і склад продуктів горіння газон, твердих і рідких, речовин.

Етап вивчення горіння і вибухів, що почався в кінці XIX в. і триває до теперішнього часу, був пов'язаний з появою двигунів внутрішнього згоряння, розвитком внутрішньої балістики артилерійських знаряддя і вибухової справи, а в останні десятиліття - з широким впровадженням в техніку реактивних двигунів. Це багато в чому стимулювало швидкий розвиток науки про горіння.

На сучасному етапі досліджень процесу горіння н центрі уваги стоїть питання про швидкість хімічного перетворення. Сьогодні горінням і вибухом ми називаємо швидке протікання реакції в речовині, яке в початковому стані інертно. При цьому вирішальним виявляється виділення тепла і / або активних центрів при самій реакції. У сучасному поминании з поняттями горінні, вибуху, полум'я, детонації і т, д. Зв'язується характер протікання реакції, а не їв хімічний вміст: ми говоримо, наприклад, про полум'я розкладання озоне 203 - * 30й, хоча в цій реакції виділяється, а не споживається кисень. Зрозуміло> повністю навчити характер проникнення реакції молкні, лише знаючи її елементарні акти, механізм і кінетику хімічного перетворення. Розвиток теорії горіння виявилося, таким чином, тісно пов'язаним - і логічно і історично - з працями академіка М.М. Семенова і його школи. Заснований Н. Н, Семеновим Інститут хімічної, фізики АН СРСР зберігає провідне становище і сьогодні, коли збільшилася кількість і розширилася географія установ, що працюють в області горіння і вибухів. Відзначимо імена пішли із життя чудових учених. На стику хімічної кінетики і науки про горіння плідно працювали В.В. Воєводський, А.В. Загулін, А.А. Ковальський, В. Н, Кондратьєв.

Поруч з радянською школою хімічної кінетики виникла і радянська школа сучасної науки про горіння,

Розвиток теорії горіння призвело до формування деяких специфічних, асимптотических за своєю природою понять і математичних методів. Справа в тому, що для теорії горіння типова вельми сильна залежність швидкості хімічної реакції від температури. Якщо підходити до справи з точки зору чисельного рішення виходять рівнянь, це викликає труднощі. Але це ж обставина обумовлює плідність асимптотических підходів. Саме основне поняття в теорії горіння - поняття полум'я, що поширюється з постійною швидкістю, що не залежить від умов підпалювання і визначається тільки властивостями і станом горючої суміші, - являє собою продукт асимптотичного підходу.

Сильна залежність швидкості хімічної реакції від температури обумовлює також специфічне для теорії горіння велика відмінність режимів протікання реакції: існування займання, різноманітних критичних умов зміни режимів, для яких характерна сильна, в межі стрибкоподібна залежність режиму від параметрів задачі.

Саме ці асимптотичні поняття і підходи мають значення, що виходить далеко за межі теорії горіння. Свідченням цього є, наприклад, проблеми механіки полімерів, руйнування матеріалів, поширення імпульсів по нервових тканинах; в цих і в багатьох інших проблемах з великим ефектом використовувалися методи теорії горіння.

Цікаві постановки завдань виникають при дифузійному горінні, коли реагують речовини спочатку просторово розділені. В цьому випадку можна вважати в першому наближенні, що швидкість хімічної реакції нескінченна, однак для кількості згорає речовини і для кількості тепла, що виділяється в одиницю часу, виходять кінцеві вирази. При зменшенні швидкості реакції товщина зони зростає, але лише до певної межі, за яким слід зрив, згасання полум'я - один з типових прикладів критичних умов в теорії горіння.

Як приклад парадоксальної ситуації, з якої часто доводиться стикатися в теорії горіння, згадаємо питання про гідродинамічної нестійкості плоского фронту полум'я. Прямий аналіз показує, що тонкий плоский фронт полум'я абсолютно нестійкий до просторових викривлень, який би довжини хвилі вони не були. Цей видатний результат належить чудовому радянському фізику-теоретику Л.Д. Ландау (незалежно і практично одночасно він отриманий також французьким вченим Дарині (С. Вагпеів)). І тим цікавіше було з'ясування фізико-хімічних і гідродинамічних факторів, що забезпечують стабільність вогню, яка спостерігається в експериментах.

Теорія горіння, як частина математичної фізики, включає і використовує досягнення багатьох споріднених наук - теорії тепло - і масообміну, газодинаміки реагуючих потоків, хімічної кінетики, турбулентного руху газу і ін. Відбираючи матеріал для книги, пропонованої увазі читача, автори прагнули включити в неї питання , найбільш повно характеризують специфіку теорії горіння як з позиції нових цікавих фізико-хімічних і гідродинамічних ефектів, так в с точки зору розроблених в теорії нових математичних методів, кіт орие можуть бути корисні читачеві при вирішенні різноманітних завдань, навіть дуже далеких від теорії горіння. Саме на ці методи ми хотіли звернути увагу читача, і назва книги підкреслює цю її особливість: до "теорії горіння" додано визначення "математична". Підкреслимо ще раз, що основний математичний факт теорії горіння укладений в наступному: вихідні диференціальні рівняння молекулярних і макроскопічних процесів і хімічної кінетики мають безперервні рішення, безперервним чином залежать від параметрів, початкових і граничних умов. Але при виділенні асимптотик виникає стрибкуватість рішень, їх критичність до малому зміни параметрів, тобто характер рішення різко змінюється.

Вибухи найчастіше відбуваються на пожежо- та вибухонебезпечних об'єктах, де можуть виникнути умови для освіти газо-пароповітряних сумішей, пилоповітряних сумішей, де у великих кількостях застосовуються вуглеводневі гази (метан, етан, пропан). Можливі вибухи котлів в котельнях, газової апаратури, продукції і напівфабрикатів хімічних заводів, парів бензину та інших компонентів, борошна на млинах, пилу на елеваторах, цукрової пудри на цукрових заводах, деревного пилу на деревообробних підприємствах.

Можуть бути вибухи в житлових приміщеннях, коли люди забувають вимкнути газ. Вибухи відбуваються на газопроводах при поганому контролі за їх станом і недотриманні вимог техніки безпеки під час їх експлуатації. До тяжких наслідків призводять вибухи рудникового газу в шахтах.

ТАБЛИЦЯ 10.2. Продукти розкладання ТНТ

Продукт CO CO2 H2O N2 NH3 CH3OH HCN C Кількість моль / кг 0,6 10,0 0,8 6,0 0,4 4,7 1 14,9

З "дефіцитом кисню", і тому одним з основних продуктів його розпаду є вуглець. При вибухах ТНТ утворюється, таким чином, дуже багато диму. Більшість бризантних ВВ (за винятком нітрогліцерину) - речовини з дефіцитом кисню, тобто в їх молекулах недостатньо атомів кисню, щоб утворився 1 моль СО2 на кожен атом вуглецю, присутній в молекулі, і 1 моль Н2О на кожні два атома водню. Ряд промислово важливих речовин, що не класифікуються як ВВ, поводиться подібним чином. Вони перераховані в [ECD. 1982]; в багатьох випадках вони є органічними пероксидами.

На основі законів термохімії можна виявити, буде чи ні дане з'єднання здатним до вибуху. Згідно [Stull. 1977], якщо в даній реакції сума теплот утворення продуктів має більш низьке значення, ніж теплота освіти вихідної сполуки, то тоді ця речовина потенційно вибухонебезпечне.

Таким чином, для реакції

А В + С + D

Повинно бути

Де δf - теплота освіти. * Δf має позитивне значення для з'єднань, які поглинають тепло в процесі освіти (ендотермічна реакція), і навпаки, від'ємне значення для з'єднань, які виділяють тепло в процесі освіти (екзотермічна реакція). наприклад:

Для складових частин в їх звичайному молекулярному стані, наприклад О2, N2, Н2 (але не О3), δf вважається рівною нулю.

Слід мати на увазі, що застосування термохіміі може лише вказати на можливість вибухового процесу, тоді як швидкість реакції визначає потужність, тобто силу ефекту. Реакція між воском свічки і киснем - це реакція високоекзотерміческую, але зазвичай не призводить до вибуху.

2) окислювально-ВІДНОВЛЮВАЛЬНІ РЕАКЦІЇ

Окислювально-відновні реакції, в яких повітря або кисень реагує з відновником, дуже звичні і складають основу всіх реакцій горіння. У тих випадках, коли відновник є недіспергірованним твердою речовиною або рідиною, реакції горіння протікають недостатньо швидко, щоб стати вибуховими. Якщо, проте, тверда речовина дрібно роздроблене або рідина знаходиться у вигляді крапельок, то можливий швидкий ріст тиску. Це, взагалі кажучи, може привести в умовах замкнутого обсягу до зростання надлишкового тиску аж до 8 бар.

3) РЕАКЦІЇ ПОЛІМЕРИЗАЦІЇ, ІЗОМЕРИЗАЦІЇ І КОНДЕНСАЦІЇ

Деякі речовини можуть полимеризоваться більш-менш мимоволі, і звичайні реакції полімеризації будуть екзотермічні. Якщо мономер - летючий, як це часто буває, досягається стадія, при якій може статися небезпечне підвищення тиску. Іноді полімеризація може протікати тільки при підвищених температурах, але для деяких речовин, таких, як етиленоксид, полімеризація може початися при кімнатній температурі, особливо коли вихідні з'єднання забруднюються речовинами, які прискорюють полімеризацію. Етиленоксид може також изомеризоваться в ацетальдегід екзотермічним шляхом:

Ця реакція, а також реакція розкладання ацетальдегіду з утворенням двох молей постійних газів обговорюються в роботі:

Реакції конденсації вельми поширені. Вони особливо широко застосовуються у виробництві фарб, лаків і смол, де служать основою процесів в реакторах безперервної дії зі змійовиками для нагрівання або охолодження. Зареєстровано багато прикладів неконтрольованих реакцій, обумовлених тим, що швидкість перенесення тепла в таких судинах є лінійною функцією різниці температур між реакційною масою і охолоджувачем, тоді як швидкість реакції - це експоненціальна функція температури реагенту. Однак завдяки тому, що швидкість виділення тепла, будучи функцією концентрації реагентів, під час протікання реакції зменшується, небажаний ефект до деякої міри компенсується.

4) РЕАКЦІЇ СУМІШЕЙ

Найбільш наочний приклад суміші, яка реагує з вибухом, - це суміш, відома спочатку під назвою "чорний порох", а пізніше - "димний порох".

Типовий склад рушничного пороху такий:

Компонент Зміст, у%

Нітрат калію (селітра)

Деревне вугілля

сірка

75

15

10

У цій суміші багата киснем селітра окисляє вуглець і сірку.

Аналогічні ефекти характерні для детонації сумішей органічних сполук з іншими окислювачами, такими, як перхлорати або хлорати. Деякі органічні речовини, якщо намочити їх в рідкому кисні і відповідним чином ініціювати, вибухають. Деревина, намочена в рідкому кисні, використовується для вибухів в мінному справі.

Цікаво відзначити, що високоекзотермічная реакція

Чи не буде сама по собі приводити до вибуху, тому що не утворюється газоподібних продуктів.