Разновидности 

Пламя состоит из 3 частей зон. Практическая работа "Приёмы обращения с лабораторным оборудованием

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

Сегодня нам предстоит выполнить первую практическую работу «Лабораторное оборудование и приёмы работы с ним. Правила техники безопасности при работе в кабинете химии»

Инструкция (план) выполнения работы:

В этой работе вам будет необходимо:

1.Изучить содержание лекции;

2.Познакомиться с правилами техники безопасности при работе в химической лаборатории;

3.Изучить основные виды образцов лабораторной посуды и оборудования, а также их назначение;

4.Изучить устройство спиртовки и строение пламени, а также правила обращения со спиртовкой;

5. Поработать с тренажёрами.

6.Оформить и отправить учителю электронный отчёт о проделанной работе.

I. Правила техники безопасности:

Вещества бывают разные:

Едкие и взрывоопасные

Бывает, что они сами воспламеняются

А есть, такие, которыми отравляются.

Если ты не хочешь получить ожог

Или надышаться ртутными парами,

Эти правила безопасности внимательно прочитай

И в химическом кабинете их никогда не забывай!

1.

При работе с веществами не берите их руками

И не пробуйте на вкус,

Реактивы не арбуз:

Слезет кожа с языка

И отвалится рука

2.

Задавай себе вопрос,

Но не суй в пробирку нос:

Будешь плакать и чихать,

Слёзы градом проливать.

Помаши рукой ты к носу –

Вот ответ на все вопросы

3.

С веществами неизвестными

Не проводи смешивания неуместные:

Незнакомые растворы ты друг с другом не сливай

Не ссыпай в одну посуду, не мешай, не поджигай!

4.

Если ты работаешь с твёрдым веществом,

Не бери его лопатой и не вздумай брать ковшом.

Ты возьми его немножко –

Одну восьмую чайной ложки.

При работе с жидкостью каждый должен знать:

Мерить надо в каплях, ведром не наливать.

5.

Если на руку тебе кислота или щёлочь попала,

Руку быстро промой водой из-под крана

И, чтоб осложнений себе не доставить,

Не забудь учителя в известность поставить.

6.

В кислоту не лей ты воду, а совсем наоборот

Тонкой струйкой подливая,

Осторожненько мешая,

Лей в водичку кислоту –

Так отвадишь ты беду.

II. "Лабораторное оборудование и посуда"


Образец

Название


ПРОБИРКОДЕРЖАТЕЛЬ

Необходим для безопасного нагревания пробирки при проведении химической реакции

ФАРФОРОВАЯ ЧАШКА

Для выпаривания (кристаллизации)


КОЛБЫ

Для приготовления растворов, проведения реакций


ШТАТИВ ЛАБОРАТОРНЫЙ



МЕРНЫЙ ЦИЛИНДР


ПРОБИРКА


АСБЕСТОВАЯ СЕТКА

Используется для равномерного распределения тепла на дно стеклянной посуды

Образец

Название


ШТАТИВ ДЛЯ ПРОБИРОК

СПИРТОВКА


ХИМИЧЕСКИЙ СТАКАН

ФАРФОРОВАЯ СТУПКА С ПЕСТИКОМ

Для измельчения твердых веществ

ВОРОНКА

ДЕЛИТЕЛЬНАЯ ВОРОНКА

Разделение смесей жидкостей с разными плотностям

III. Правила работы со спиртовкой



  1. Зажигать только спичкой, запрещается зажигать от другой спиртовкой.
  2. Перед тем, как зажечь, нужно расправить фитиль, а диск должен плотно прилегать к горлышку.
  3. Нельзя переносить спиртовку во время работы в зажжённом виде с одного стола на другой.
  4. Тушить только колпачком – не дуть!

Это должен каждый знать:
Спирт в спиртовке поджигать
Спичкой только можно
И очень осторожно.
Чтобы пламя погасить
Спиртовку следует закрыть.
И для этого, дружок,
У неё есть колпачок.

IV. Устройство спиртовки


1 - стеклянный резервуар, заполнен на 3/4 спиртом;

2 - металлическая трубка с диском, удерживает фитиль, предохраняет от испарения и воспламенения спирта.

3 - фитиль;

4 - колпачок.


V. Строение пламени

Проведите небольшой домашний эксперимент, с помощью которого изучим строение пламени.

Зажгите свечу и внимательно рассмотрите пламя. Вы заметите, что оно неоднородно по цвету. Пламя имеет три зоны (рис.)

Темная зона 1 находится в нижней части пламени. Это самая холодная зона по сравнению с другими. Темную зону окаймляет самая яркая часть пламени 2. Температура здесь выше, чем в темной зоне, но наиболее высокая температура – в верхней части пламени 3.

Чтобы убедиться, что различные зоны пламени имеют разную температуру, можно провести такой опыт. Поместите спичку в пламя так, чтобы она пересекала все три зоны. Вы увидите, что лучинка сильнее обуглилась там, где она попала в зоны 2 и 3. Значит, пламя там более горячее.

Несмотря на то, что язычки пламени в каждом случае отличаются формой, размерами и даже окраской, все они имеют одинаковое строение – те же три зоны: внутреннюю темную (самую холодную), среднюю светящуюся (горячую) и внешнюю бесцветную (самую горячую).

Следовательно, выводом из проведенного эксперимента может быть утверждение о том, что строение любого пламени одинаково. Практическое значение этого вывода состоит в следующем: для того чтобы нагреть в пламени какой-либо предмет, его надо вносить в самую горячую, т.е. в верхнюю, часть пламени.

Цель : научиться описывать результаты наблюдений.

Реактивы и оборудование : парафиновая свеча, известковая вода; лучинка, стеклянная трубка с оттянутым концом, химический стакан, мерный цилиндр, спички, фарфоровый предмет (фарфоровая чашка для выпаривания), тигельные щипцы, пробиркодержатель, стеклянные банки объемом 0,5, 0.8, 1, 2, 3, 5 л, секундомер.

Задание 1. Наблюдение за горящей свечой.

Свои наблюдения оформите в виде небольшого сочинения. Нарисуйте пламя свечи.

Свеча состоит из парафина, имеет специфический запах. В середине находится фитиль.
При горении фитиля свеча плавится. Слышен небольшой трекс, выделяется тепло.

Задание 2. Исследование различных частей пламени.

1. Пламя, как вы уже знаете, имеет три зоны. Какие? При исследовании нижнйе части пламени вынесите в него при помощи тигельных щипцов конец стеклянной трубки, держа под углом 45-50 гр. К другому концу трубки поднесите горящую лучину. Что наблюдаете?

Горение, выделяется тепло.

2. С целью изучения средней части пламени, самой яркой, внесите в нее (с помощью тигельных щипцов) на 2-3 с фарфоровую чашу. Что обнаружили?

Почернение.

3. Для исследования состава верхнйе части пламени внесите в нее на 2-3 с опрокинутый, смоченный известковой водой химический стакан так, чтобы пламы оказалось в середине стакана. Что наблюдаете?

Образование твердого осадка.

4. Для установления разницы температуры в разных частях пламени внесите на 2-3 с лучинку в нижнюю часть пламени (что она пересекла все его ачсти по горизонтали). Что вы наблюдаете?

Верхняя часть сгорает быстрее.

5. Оформите отчет, заполнив таблицу 4.

№ ХОД РАБОТЫ НАБЛЮДЕНИЯ ВЫВОДЫ
1 исследование внутренней части пламени выходит белое газообразное вещество, лучинка загорается внутренная часть пламени представляет собой газообразный парафин
2 исследование средней части пламени дно чашки покрывается копотью средняя часть содержит углерод, образовавшийся в реакции
3 исследование верхней части пламени мутнеет известковая вода Сa(OH)2+CO2 -> CaCl3+Н2O при горении выделяется СО2, который осаждает Сa(OH)
4 исследование разницы температуры лучинка обугливается в средней и верхней части температура выше в средней части, чем в нижней. Самая высокая температура в верхней части

Задание 3. Изучение скорости расходования кислорода во время горения.

1. Зажгите свечу и накройте ее банкой объемом 0,5 л. Определите время, в течение которого горит свеча.

Проведите подобные действия, используя банки других объемов.

Заполните таблицу 5.

Продолжительность горения свечи в зависимости от объема воздуха.

2. Изобразите график зависимости продолжительности горения свечи от объема банки (вздуха). Определите по нему время, через которое погаснет свеча, накрытая банкой объемом 10 л.

3. Рассчитайте время, в течение которого будет гореть свеча в закрытом школьном кабинете.

Длина школьного кабинета химии (а) равна 5 м, ширина (б) равна 5 м, высота (в) - 3 м.
Объем школьного кабинета химии равен 75 куб.м. или 75000 л. Время, в течние которого будет гореть свеча с учетом того, что в помещение не поступает вохдух и весь кислород расходуется на горение свечи, 2700000 с или 750 ч.

Задание 4. Знакомство с устройством спиртовки.

1. Рассмотрите рисунок 2 и напишите название каждой части спиртовки. Необходимую информацию вы найдете на с.23 учебного пособия.

1. Спирт
2. Фитиль
3. Держатель фитиля
4. Колпачок

а) Почему при зажигаии спиртовки спичку подносят сбоку?

Чтобы не получить ожег.

б) Почему нельзя зажигать спиртовку от другой горящей спиртовки?

Спирт может пролиться и вспыхнуть.

2. Пользуясь имеющимся на вашем столе оборудованием, вскипятите воду в пробирке.

На рисунке показано, сколько воды должно быть в пробирке, как правильно закрепить ее в держателе или в лапке штатива и в какую часть пламени нужно внести пробирку.

а) Сколько воды необходиом налить в пробирку?

2/3 пробирки.

б) Как деражть пробирку над пламенем спиртовки?

Под углом от себя.

Виды топлива . Горение топлива - один из наиболее распространённых источников энергии, используемой человеком.

Различают несколько видов топлива по агрегатному состоянию: твёрдое топливо, жидкое топливо и газообразное топливо. Соответственно можно привести примеры: твёрдое топливо - это кокс, уголь, жидкое - нефть и продукты её переработки (керосин, бензин, масло, мазуты, газообразное топливо - это газы (метан, пропан, бутан и т.д.)

Фаза сгорания с пламенем обеспечивает вдвое больше тепла, чем прецессивная фаза скобок. Сегодня есть продукты, которые делают тепловую эмиссию очень однородной и регулярной во времени! Благодаря техническим исследованиям и экспериментам понятно, что остаточные пары, образующиеся в результате сжигания древесины, могут быть рекомбинантными, создавая еще хорошее количество тепла. В дополнение к их дожиганию образуются менее загрязняющие пары, и достигается значительное уменьшение количества выделяемого угарного газа.

Эти печи также оснащены пирометром для контроля тенденции сжигания. Это измерительный прибор, это «термометр температуры сгорания». Может быть полезно настроить и сохранить температуру горения. Часто пирометр применяется к курительному каналу. Мы обычно отвечаем в течение нескольких часов! Сгорание представляет собой химическую реакцию, которая включает окисление топлива двигателем внутреннего сгорания с выделением тепла и электромагнитным излучением, часто включающим свечение.

Важным параметром каждого вида топлива является его теплотворная способность , которая, во многих случаях и определяет направление использования топлива.

Теплотворная способность - это такое количество теплоты, которое выделяется при сгорании 1 кг (или 1 м 3) топлива при давлении 101,325 кПа и 0 0 C, то есть при нормальных условиях. Выражается теплотворная способность в единицах кДж/кг (килоджоуль на кг). Естественно, у разных видов топлива различные теплотворные способности:

«Кольцо огня» состоит из трех элементов, которые необходимы для возникновения реакции горения. Частичное возбуждение - это кислород в воздухе, но другие вещества также могут действовать как окислители; триггер: реакция между топливом и кумулятором не является спонтанной, но она связана с внешним триггером. Триггер - это энергия активации, необходимая для того, чтобы молекулы реагентов начали реакцию и должны быть предусмотрены снаружи. Тогда энергия, выделяемая самой реакцией, позволяет самоподдерживаться без дополнительных внешних энергетических затрат.

  • Топливо: это вещество, которое окисляется в процессе горения.
  • Триггер может быть, например, источником тепла или искры.
Если отсутствует один из элементов треугольника, огонь не развивается и не гаснет.

Уголь бурый - 25550 Уголь каменный - 33920 Торф - 23900

  • керосин - 35000
  • дерево - 18850
  • бензин - 46000
  • метан - 50000

Видно, что метан из выше перечисленных видов топлива имеет самую высокую теплотворную способность.

Выключение огня на самом деле возможно путем вычитания топлива, удушением или охлаждением или. Как мы уже указывали, для сжигания необходимо одновременное присутствие топлива, кумулята и температуры выше определенного порога. Однако необходимо, чтобы отношение топлива к сжиганию находилось в определенных пределах, известных как пределы воспламеняемости. Пределы воспламеняемости в случае газообразного топлива выражаются в процентах по объему топлива в горючей воздушной смеси. Они отличаются нижним пределом и верхним пределом воспламеняемости.

Для того, чтобы получить тепло, содержащееся в топливе, его нужно нагреть до температуры воспламенения и, конечно же, при наличии достаточного количество кислорода. В процессе химической реакции - горения - выделяется большое количество теплоты.

Как горит уголь. Уголь нагревается, раскаляется под действием кислорода, образуя при этом оксид углерода (IV), то есть CO 2 (или углекислый газ). Затем CO 2 в верхнем слое раскалённых углей снова реагирует с углём, в результате чего образуется новое химическое соединение - оксид углерода (II) или CO - угарный газ. Но это вещество очень активное и как только в воздухе появляется достаточное количества кислорода, то вещество CO сгорает голубым пламенем с образованием того же углекислого газа.

Нижний предел воспламеняемости - это минимальная концентрация топлива в смеси горючего воздуха, которая позволяет последнему реагировать, если срабатывает, что приводит к возникновению пламени, которое может распространяться по всей смеси. Верхним пределом воспламеняемости является максимальная концентрация топлива, при которой сгорание, то есть воздух, является недостаточным для образования пламени, которое может распространяться по всей смеси.

Если воспламеняющийся газ или пар разбавляется избыточным воздухом, тепло, выделяемое при воспламенении, недостаточно для повышения температуры смежных смежных слоев до точки воспламенения. Пламя не может распространяться по всей смеси, но гасит. Если в смеси присутствует избыточное количество топлива, это будет работать в качестве разбавителя, уменьшая количество тепла, доступного для смежных слоев слоя, чтобы предотвратить распространение пламени.

Наверное, когда-нибудь задавали себе вопрос, какова температура пламени ?! Всем известно, что, например, для проведения некоторых химических реакций требуется произвести нагрев реагентов. Для таких целей в лабораториях используют газовую горелку, работающую на природном газе, имеющем прекрасную теплотворную способность . При горении топлива - газа химическая энергия горения превращается в тепловую энергию. Для газовой горелки пламя можно изобразить так:

Для ускорения горения может использоваться турбулентность, которая увеличивает сгорание между сгоранием и сгоранием, ускоряя горение. Скорость горения также может быть увеличена путем распыления топлива и смешивания его с воздухом, чтобы увеличить контактную поверхность между сгоранием и сжиганием; где требуется очень быстрое развитие энергии, например, в двигателе ракеты, комбатант должен быть включен непосредственно в топливо во время его подготовки.

Спонтанное горение - это спонтанное воспаление вещества, которое происходит без применения внешних источников тепла. Самопроизвольное сжигание может произойти, когда большие количества легковоспламеняющихся материалов, таких как уголь или сено, хранятся в районе, где циркуляция воздуха незначительна. В этой ситуации могут развиться химические реакции , такие как окисление и ферментация, которые вырабатывают тепло.

Самая верхняя точка пламени - одно из самых горячих мест пламени. Температура в этой точке около 1540 0 C - 1550 0 C

Чуть ниже (около 1/4 части) - в середине пламени - самая горячая зона 1560 0 C

В процессе горения образуется пламя, строение которого обусловлено реагирующими веществами. Его структура поделена на области в зависимости от температурных показателей.

Захваченная теплота увеличивает скорость, с которой развиваются новые химические реакции, с дальнейшим выделением тепла, что позволяет, таким образом, нагревать легковоспламеняющийся материал для создания спонтанного пламени. Продукты горения зависят от природы топлива и условий реакции.

Твердое топливо: древесина в частности

Двуокись углерода: это газ, образующийся при сжигании, который при концентрациях до 10% удушающий и смертелен, если дышать более чем на несколько минут; оксид углерода: является токсичным газом, который образуется во время горения, в закрытых средах концентрация в 1% достаточна, чтобы вызвать обморок и смерть через несколько минут. Твердые виды топлива являются наиболее распространенными и те, которые используются больше времени. Они относятся к самым старым и наиболее известным среди топлива: древесине.

Определение

Пламенем называют газы в раскаленном виде, в которых присутствуют составляющие плазмы или вещества в твердой дисперсной форме. В них осуществляются преобразования физического и химического типа , сопровождающиеся свечением, выделением тепловой энергии и разогревом.

Наличие же в газообразной среде ионных и радикальных частичек характеризует его электрическую проводимость и особое поведение в электромагнитном поле.

Древесина состоит из целлюлозы, лигнина, сахаров, смол, смол и различных минеральных веществ, которые в конце сгорания приводят к образованию пепла. В тех же характеристиках присутствуют все вещества, полученные из древесины, такие как бумага, лен, джут, пенька, хлопок и т.д.

Степень горючести всех этих веществ может быть изменена из-за особых обработок. Древесина может гореть более или менее пламенем или даже пламенем или карбонизироваться в зависимости от условий, при которых происходит сжигание. Важной особенностью древесины является кусок, определяемый как соотношение между объемом древесины и ее внешней поверхностью. Если топливо имеет большую массу , это означает, что его поверхности контакта с воздухом относительно плохи, а также имеет большую массу, чтобы рассеять тепло, которое оно дало.

Что такое языки пламени

Обычно так называют процессы, связанные с горением. По сравнению с воздухом, газовая плотность меньше, но высокие температурные показатели обуславливают поднятие газа. Так и образуются языки пламени, которые бывают длинными и короткими. Часто происходит и плавный переход одних форм в другие.

Пламя: строение и структура

Для определения внешнего вида описываемого явления достаточно зажечь Появившееся несветящееся пламя нельзя назвать однородным. Визуально можно выделить три его основные области. Кстати, изучение строения пламени показывает, что различные вещества горят с образованием различного типа факела.

На практике небольшой кусок дерева также легко срабатывает с относительно низкотемпературными источниками, в то время как достаточно большой кусок дерева загорается намного сложнее. В общем, как для твердого топлива , так и для жидкого топлива, когда топливо подразделяется на мелкие частицы, количество вводимого тепла намного меньше, чем частицы меньшего размера, когда, естественно, температура достигается зажигания. Поэтому древесина, которая в больших размерах может считаться едва пригодным для использования материалом, когда она разделена на опилки или даже пыль, может даже вызвать взрывы.

При горении смеси из газа и воздуха вначале происходит формирование короткого факела, цвет которого имеет голубые и фиолетовые оттенки. В нем просматривается ядро - зелено-голубое, напоминающее конус. Рассмотрим это пламя. Строение его разделяется на три зоны:

  1. Выделяют подготовительную область, в которой происходит нагревание смеси из газа и воздуха при выходе из отверстия горелки.
  2. За ней следует зона, в которой происходит горение. Она занимает верхушку конуса.
  3. Когда имеется недостаток воздушного потока, газ сгорает не полностью. Выделяется углерода двухвалентный оксид и водородные остатки. Их догорание протекает в третьей области, где есть кислородный доступ.

Теперь отдельно рассмотрим разные процессы горения.

Для его твердого топлива его подразделение имеет важное значение. Большое лезвие имеет низкий риск пожара, но с небольшим кусочком тот же материал очень опасен. Следует отметить, что в случае крупномасштабных материалов не только факт, что источник тепла имеет высокую температуру, но также время воздействия источника тепла.

Низкая проводимость древесины приводит к снижению скорости горения. Как видно, древесина сохраняет свои свойства топлива, даже если она предназначена для других целей, и это необходимо учитывать при разработке мер по борьбе с пожарами для зданий. Жидкие топлива относятся к числу топлива, которые имеют самую высокую теплотворную способность на единицу объема. Они используются как в двигателях, так и в системах отопления. Сжигание внутри двигателей особенно важно при смешивании с воздухом, который принимает название карбюратора.

Горение свечи

Горение свечи подобно горению спички или зажигалки. А строение пламени свечи напоминает раскаленный газовый поток, который вытягивается вверх за счет выталкивающих сил. Процесс начинается с нагревания фитиля, за которым следует испарение парафина.

Самую нижнюю зону, находящуюся внутри и прилегающую к нити, называют первой областью. Она обладает небольшим свечением синего цвета из-за большого количества топлива, но малого объема кислородной смеси. Здесь осуществляется процесс неполного сгорания веществ с выделением который в дальнейшем окисляется.

Топливо, смешанное с воздухом, может быть в виде крошечных капель жидкости или в виде пара. Как правило, все жидкие топлива находятся в равновесии со своими парами, которые развиваются по-разному в зависимости от условий давления и температуры, на поверхности, разделяющей жидкость и среду, которые перекрывают ее.

В легковоспламеняющихся жидкостях сгорание происходит, когда жидкие пары, смешанные с воздушным кислородом в концентрациях в диапазоне воспламеняемости, соответствующим образом запускаются на указанной поверхности. Поэтому для сжигания в присутствии триггера легковоспламеняющаяся жидкость должна переходить из состояния жидкости в состояние пара.

Первую зону окружает светящаяся вторая оболочка, характеризующая строение пламени свечи. В нее поступает больший кислородный объем, что обуславливает продолжение окислительной реакции с участием топливных молекул. Температурные показатели здесь будут выше, чем в темной зоне, но недостаточные для конечного разложения. Именно в первых двух областях при сильном нагревании капелек несгоревшего топлива и угольных частичек появляется светящийся эффект.

Показатель большей или меньшей воспламеняемости жидкости обеспечивается температурой воспламеняемости, в соответствии с которой катализируется жидкое топливо. Другими параметрами, характеризующими жидкое топливо, являются воспламенение и воспламеняемость, пределы воспламеняемости, вязкость и плотность пара.

Чем ниже температура воспламеняемости, тем больше вероятность образования паров в таких количествах, чтобы они воспламенились. Особенно опасны те жидкости, которые имеют температуру воспламеняемости ниже температуры окружающей среды, так как даже без нагрева они могут вызвать пожар.

Вторая зона окружена слабозаметной оболочкой с высокими температурными значениями. В нее заходит много кислородных молекул, что способствует полному догоранию топливных частичек. После окисления веществ, в третьей зоне светящийся эффект не наблюдается.

Схематическое изображение

Для наглядности представляем вашему вниманию изображение горения свечи. Схема пламени включает:

Однако между двумя легковоспламеняющимися жидкостями, как с температурой воспламеняемости ниже, чем температура окружающей среды, предпочтительно использовать более высокую температуру воспламеняемости, поскольку при температуре окружающей среды она будет выделять меньшее количество легковоспламеняющихся паров, что уменьшает возможность образования воздушно-паровой смеси в диапазон воспламеняемости.

Дальнейшие негативные элементы, касающиеся пожарной опасности , представлены. Низкая температура воспламенения топлива, что влечет за собой меньшую энергию активации для начала сгорания; так как диапазон смешивания пара и воздуха больше, для чего возможен запуск и распространение огня. Следует в последнее время рассмотреть плотность легковоспламеняющихся паров, определяемую как масса на единицу объема топливного пара.

  1. Первую или темную область.
  2. Вторую светящуюся зону.
  3. Третью прозрачную оболочку.

Нить свечи не подвергается горению, а только происходит обугливание загнутого конца.


Горение спиртовки

Для химических экспериментов часто используют небольшие резервуары со спиртом. Их называют спиртовками. Фитиль горелки пропитывается залитым через отверстие жидким топливом. Этому способствует давление капиллярное. При достижении свободной верхушки фитиля, спирт начинает испаряться. В парообразном состоянии он поджигается и горит при температуре не более 900 °C.

Наиболее опасные виды топлива - самый тяжелый воздух в воздухе, потому что в отсутствие или нехватке вентиляции они имеют тенденцию накапливаться и застаиваться на низких участках окружающей среды, что делает легковоспламеняющиеся смеси более легкими.

Искусственное жидкое топливо мало и мало важно, но гораздо важнее класс натуральных жидких топлив , которым принадлежит нефть. Масло - это не одно вещество, а смесь, образованная преимущественно большим количеством углеводородов с очень разными химическими и физическими свойствами. Различные типы масла могут также присутствовать в веществах, отличных от углеводородов, таких как соединения серы, которые являются одной из основных причин загрязнения двуокиси серы в крупных городах.

Пламя спиртовки имеет обычную форму, оно практически бесцветное, с небольшим оттенком голубого. Его зоны не так четко видны, как у свечки.

У названной в честь ученого Бартеля, начало огня располагается над калильной сеткой горелки. Такое заглубление пламени приводит к уменьшению внутреннего темного конуса, а из отверстия выходит средний участок, который считается самым горячим.


Цветовая характеристика

Излучения различных цветов пламени, вызывается электронными переходами. Их еще называют тепловыми. Так, в результате горения углеводородного компонента в воздушной среде, синее пламя обусловлено выделением соединения H-C . А при излучении частичек C-C, факел окрашивается в оранжево-красный цвет.

Трудно рассмотреть строение пламени, химия которого включает соединения воды, углекислого и угарного газа, связь OH. Его языки практически бесцветны, так как вышеуказанные частички при горении выделяют излучения ультрафиолетового и инфракрасного спектра.

Окраска пламени взаимосвязана с температурными показателями, с наличием в нем ионных частиц, которые относятся к определенному эмиссионному или оптическому спектру. Так, горение некоторых элементов приводит к изменению в горелке. Отличия в окрашивании факела связаны с расположением элементов в разных группах системы периодической.

Огонь на наличие излучений, относящихся к видимому спектру, изучают спектроскопом. При этом было установлено, что простые вещества из общей подгруппы оказывают и подобное окрашивание пламени. Для наглядности используют горение натрия в качестве теста на данный металл. При внесении его в пламя, языки становятся ярко-желтыми. На основании цветовых характеристик выделяют натриевую линию в эмиссионном спектре.

Для характерно свойство быстрого возбуждения светового излучения атомарных частиц. При внесении труднолетучих соединений таких элементов в огонь горелки Бунзена происходит его окрашивание.

Спектроскопическое исследование показывает характерные линии в области, видимой для глаза человека. Быстрота возбуждения светового излучения и простое спектральное строение тесно взаимосвязаны с высокой электроположительной характеристикой данных металлов.

Характеристика

В основе классификации пламени лежат следующие характеристики:

  • состояние агрегатное сгорающих соединений. Они бывают газообразной, аэродисперсной, твердой и жидкой формы;
  • тип излучения, которое может быть бесцветным, светящимся и окрашенным;
  • распределительная скорость. Существует быстрое и медленное распространение;
  • высота пламени. Строение может быть коротким и длинным;
  • характер передвижения реагирующих смесей. Выделяют пульсирующее, ламинарное, турбулентное перемещение;
  • визуальное восприятие. Вещества горят с выделением коптящего, цветного или прозрачного пламени;
  • температурный показатель. Пламя может быть низкотемпературным, холодным и высокотемпературным.
  • состояние фазы топливо - окисляющий реагент.

Возгорание происходит в результате диффузии или при предварительном перемешивании активных компонентов.

Окислительная и восстановительная область

Процесс окисления протекает в слабозаметной зоне. Она самая горячая и располагается вверху. В ней топливные частицы подвергаются полному сгоранию. А наличие в кислородного избытка и горючего недостатка приводит к интенсивному процессу окисления. Этой особенностью следует пользоваться при нагревании предметов над горелкой. Именно поэтому вещество погружают в верхнюю часть пламени. Такое горение протекает намного быстрее.

Восстановительные реакции проходят в центральной и нижней части пламени. Здесь содержится большой запас горючих веществ и малое количество O 2 молекул, осуществляющих горение. При внесении в эти области кислородсодержащих соединений осуществляется отщепление O элемента.

В качестве примера восстановительного пламени используют процесс расщепления железа двухвалентного сульфата. При попадании FeSO 4 в центральную часть факела горелки, происходит вначале его нагревание, а затем разложение на оксид трехвалентного железа, ангидрид и двуокись серы. В данной реакции наблюдается восстановление S с зарядом от +6 до +4.

Сварочное пламя

Данный вид огня образуется в результате сгорания смеси из газа или пара жидкости с кислородом чистого воздуха.

Примером служит формирование пламени кислородно-ацетиленового. В нем выделяют:

  • зону ядра;
  • среднюю область восстановления;
  • факельную крайнюю зону.

Так горят многие газокислородные смеси. Различия в соотношении ацетилена и окислителя приводят к разному типу пламени. Оно может быть нормального, науглероживающего (ацетиленистого) и окислительного строения.

Теоретически процесс неполного сгорания ацетилена в чистом кислороде можно охарактеризовать следующим уравнением: HCCH + O 2 → H 2 + CO +CO (для реакции необходима одна моль O 2) .

Полученный же молекулярный водород и угарный газ реагируют с воздушным кислородом. Конечными продуктами является вода и оксид четырехвалентного углерода. Уравнение выглядит так: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Для этой реакции необходимо 1,5 моля кислорода. При суммировании O 2 получается, что 2,5 моль затрачивается на 1 моль HCCH. А так как на практике трудно найти идеально чистый кислород (часто он имеет небольшое загрязнение примесями), то соотношение O 2 к HCCH будет 1,10 к 1,20.

Когда значение пропорции кислорода к ацетилену меньше 1,10, возникает науглероживающее пламя. Строение его имеет увеличенное ядро, очертания его становятся расплывчатыми. Из такого огня выделяется копоть, вследствие недостатка кислородных молекул.

Если же соотношение газов больше 1,20, то получается окислительное пламя с кислородным избытком. Лишние его молекулы разрушают атомы железа и другие компоненты стальной горелки. В таком пламени ядерная часть становится короткой и имеет заострения.

Температурные показатели

Каждая зона огня свечи или горелки имеет свои значения, обусловленные поступлением кислородным молекул. Температура открытого пламени в разных его частях колеблется от 300 °C до 1600 °C.

Примером служит пламя диффузионное и ламинарное, которое образовано тремя оболочками. Конус его состоит из темного участка с температурой до 360 °C и недостатком окисляющего вещества. Над ним располагается зона свечения. Ее температурный показатель колеблется от 550 до 850 °C, что способствует разложению термическому горючей смеси и ее горению.

Внешняя область едва заметная. В ней температура пламени доходит до 1560 °C, что обусловлено природными характеристиками топливных молекул и быстротой поступления окисляющего вещества. Здесь горение наиболее энергичное.

Вещества воспламеняются при разных температурных условиях. Так, металлический магний горит только при 2210 °С. Для многих твердых веществ температура пламени около 350 °С. Возгорание спичек и керосина возможно при 800 °С, тогда как древесины - от 850 °С до 950 °С.

Сигарета горит пламенем, температура которого варьируется от 690 до 790 °С, а в пропан-бутановой смеси - от 790 °С до 1960 °С. Бензин воспламеняется при 1350 °С. Пламя горения спирта имеет температуру не более 900 °С.