О пламени и его свойствах

Наиболее значительное открытие, связанное с изучением пламени было сделано в 1774 г., когда Антуан Лоран Лавуазье обнаружил, что представление об исчезновении вещества при горении ошибочно, и показал, что в действительности компонент воздуха (который он позднее назвал кислородом) химически реагирует с веществом при высокой температуре, причем выделяется тепло и образуется рад продуктов сгорания. В настоящее время именно по этому признаку определяют топливо как вещество, способное вступать в экзотермическую реакцию с кислородом.

Значение науки о горении в последние годы возросло в связи с угрозой истощения в будущем природных источников относительно недорогого жидкого топлива и с вредным влиянием некоторых продуктов сгорания на окружающую среду и здоровье человека.

В результате у химиков появилось представление о пламени как о сложной системе молекулярных реакций. Практическая цель этих исследований осталась неизменной с доисторических времен: научиться использовать самое доступное топливо по возможности наиболее эффективно. Практическая цель этих исследований осталась неизменной с доисторических времен: научиться использовать самое доступное топливо по возможности наиболее эффективно.

Исследования процесса горения

Первые химики, изучавшие горение, были уверены в том, что явления воспламенения и распространения пламени зависят только от изменения температуры. Они утверждали, что химические реакции, происходящие при горении, протекают и при нормальных температурах, но очень медленно.

Однако, если горючая смесь в какой-либо точке нагреется до температуры воспламенения, то скорость экзотермической реакции становится достаточной для того, чтобы нагреть ее до этой температуры и в примыкающих к зоне горения областях. При таком подходе горение сводится к единственному процессу, идущему с выделением тепла со скоростью, которая зависит от температуры.

Режим горения

Режим горения зависит как от топлива, так и от окислителя. Температуры, соответствующие химическим реакциям в данной таблице, относятся к пламенам, горящим при атмосферном давлении. При более высоких давлениях диссоциация продуктов сгорания подавляется и температура пламени возрастает.

Приведенные величины энергии, освобождающейся при реакциях, рассчитаны для 1 г смеси топлива и окислителя (включая инертные компоненты в случае воздуха) после охлаждения продуктов сгорания до
комнатной температуры. Пламена водорода и циана играют большую роль при высокотемпературных спектральных исследованиях.

Генераторный газ представляет собой относительно дешевую горючую смесь, получаемую из каменного угля и воды. Метил гидразин в сочетании с тетроксидом азота в качестве окислителя используется как топливо двигателях системы ориентации космических кораблей. В отличие от большинства пар топливо — окислитель эти два вещества немедленно воспламеняются при контакте.

Стадии горения

Молекулы большинства топлив содержат слишком много атомов для того, чтобы горение протекало в одну
стадию. Вообразите путаницу, которая должна возникнуть, если восемь атомов углерода и восемнадцать атомов водорода, входящих в молекулу октана (С8Н18), отсоединятся друг от друга и сразу соединятся с окружающими двухатомными молекулами кислорода (02), образуя диоксид углерода (С02) и воду (Н20). Ни одно топливо так не горит.

В действительности расщепление молекул топлива и образование продуктов сгорания происходят последовательно, шаг за шагом. На каждой стадии происходит лишь небольшая перестройка химических связей.

Каждую стадию такого типа называют элементарной реакцией. Различные соединения, образующиеся по ходу процесса, называют промежуточными, а набор всех элементарных реакций, приводящий к суммарному химическому превращению, — механизмом реакции.

Уравнение, описывающее суммарную химическую реакцию, проходящую в пламени, не дает никакого представления о реакциях отдельных молекул. Лишь уравнения, описывающие элементарные реакции, отражают реальные химические превращения на молекулярном уровне. Только в том случае, если все основные элементарные реакции известны, исследователь может точно описать путь превращения топлива в продукты сгорания в виде ряда перегруппировок атомов в молекулах.

Открытие элементарных реакций дало ключ к пониманию процесса горения. Однако, чтобы практически использовать этот ключ, недостаточно идентифицировать конкретные элементарные реакции как возможные химические превращения. Необходимо знать также, насколько велика вероятность того, что участвующие в процессе молекулы действительно прореагируют при столкновении, поскольку большинство таких столкновений к реакции не приводит.

Оказывается, эта вероятность зависит от скорости, с которой молекулы движутся по отношению друг к другу при столкновении. Обычно, чем выше скорость, тем больше вероятность того, что столкновение приведет к химической реакции. Поскольку частота и скорость столкновений молекул зависят от температуры газа, то при повышении температуры вероятность осуществления реакции возрастает, и часто очень резко.

Исследования вероятности осуществления реакций и ее зависимости от температуры относятся к химической кинетике, одной из областей химии, в которой такие зависимости принято выражать через коэффициенты пропорциональности, называемые константами скорости реакций. Скорость реакции равна константе скорости, умноженной на концентрацию каждого из реагирующих компонентов.

Поскольку для большинства происходящих в пламени реакций константы скорости для интервала температур, существующих в пламени, ранее не измерялись, то обычно приходится прибегать к экстраполяции. Однако теория констант скорости реакций хорошо проверена и с минимальными поправками достаточно надежна для выполнения точной экстраполяции.

 

Жми «Нравится» и получай только лучшие посты в Facebook ↓

О пламени и его свойствах