За счет чего происходит горение

Горение

Что такое горение

Горение – это совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма. В основе горения лежит взаимодействие горючего вещества с окислителем, преимущественно с кислородом воздуха.

Однако горения может осуществляться без доступа воздуха (кислорода), если в состав горючей массы (среды) входит окислитель в виде примеси или составной части молекулы. В производственных условиях или ракетной технике горения может осуществляться в атмосфере таких окисляющих газов, как фтор, хлор, окислы азота и другие.

Некоторые вещества (порошкообразные титан и цирконий) способны гореть в атмосфере азота, двуокиси углерода, не относящимся к традиционным окислителям.

Виды горения

В зависимости от способа подвода окислителя различают:

При пожаре отмечается смешанный тип горения. В зависимости от скорости горение может быть медленным (тление), нормальным (дефлаграция) и взрывообразным (взрыв), переходящим в детонационное (детонация).

По внешнему проявлению горение может быть пламенным или беспламенным.

Беспламенное горение может возникнуть в результате дефицита окислителя (тление) или при низком давлении насыщенных паров горючего вещества (горение тугоплавких металлов и кокса).

По механизму развития горение может быть тепловым, при котором причиной самоускорения реакций окисления является повышение температуры, и автокаталитическим (цепным), когда ускорение процесса достигается накоплением промежуточных катализирующих продуктов (активных центров). Автокаталитическое горение осуществляется при сравнительно низких температурах. При достижении определенных концентраций промежуточных каталитических продуктов автокаталитическое горение может переходить в тепловое. При этом температура горения резко возрастает.

Горение может возникать и развиваться спонтанно, стихийно (пожар), но может быть специально организованным, целесообразным: энергетическое горение (в целях получения тепловой или электрической энергии) и технологическое горение (доменный процесс, металлотермия, синтез тугоплавких неорганических соединений и т.д.).

Характеристики горения

Горение характеризуется такими величинами, как: температура, скорость, полнота, состав продуктов. Располагая данными о механизме горения и его характерных особенностях, можно увеличивать скорость и температуру горения (промотирование горения) или снижать их вплоть до прекращения горения (ингибирование горения).

Источники: Основные характеристики горения. Мальцев В.М., Мальцев М.И., Кашпоров Л.Я. —М., 1977; Процессы горения в химической технологии и металлургии. Мержанов А.Г. —Черноголовка, 1975; Физика горения и взрыва. Хитрин Л.Н. —М., 1957.

Источник

ГОРЕНИЕ

ГОРЕНИЕ — совокупность одновременно протекающих физических процессов (плавление, испарение, ионизация) и химических реакций окисления горючего вещества и материала, сопровождающееся, как правило, световым и тепловым излучением и выделением дыма (см. ДЫМ ) [1].

ГОРЕНИЕ — сложный физико-химический процесс взаимодействия горючего вещества и окислителя, характеризующийся самоускоряющимися превращениями исходных компонентов реакционноспособной смеси в продукты горения и сопровождающийся выделением большого количества тепла, дыма и света. Выделение тепла происходит непосредственно в зоне химической реакции превращения исходных компонентов горючей смеси в продукты горения [2].

Зона протекания химической реакции обычно локализована в сравнительно небольшой части пространства. Она может быть неподвижна, а может перемещаться в пространстве в зависимости от условий протекания процесса горения.

Горение происходит в два этапа:

1. Создание молекулярного контакта между молекулами горючего и окислителя (физический процесс).

2. Взаимодействие молекул с образованием продуктов реакции (химический процесс).

При этом второй этап наступает только при выполнении некоторых дополнительных условий. Молекулы должны находиться в особом энергетически или химически возбужденном состоянии и определенном количественном соотношении.

Горение является неравновесным процессом. При горении обязательно возникают неоднородности в составе молекул, их концентрации, неравномерности поля температур и скоростей потоков. В основе процесса горения лежат химические реакции окисления, то есть соединения исходных горючих веществ с кислородом.

При горении на пожарах (см. ПОЖАР) в качестве окислителя чаще всего выступает кислород воздуха, окружающий зону протекания химических реакций. В этом случае интенсивность горения определяется не скоростью протекания самих химических реакций, а скоростью поступления кислорода из окружающего пространства в зону горения, то есть непосредственно в зону протекания химических реакций.

Скорость протекания химических реакций горения значительно превосходит скорость таких физических процессов, как диффузия недостающих компонентов в зону реакции и передача тепла из зоны горения горючим веществам для подготовки их к химическому взаимодействию. Эти два процесса — диффузия и теплопередача — являются лимитирующими. Они определяют суммарную скорость горения, а, следовательно, и интенсивность процесса тепловыделения и образования продуктов горения. Поэтому считают, что процессы горения на пожаре развиваются в чисто диффузионной области и рассматривать их следует лишь с физической стороны.

ГЕТЕРОГЕННОЕ ГОРЕНИЕ — горение материалов в конденсированном (твердом или жидком) состоянии, когда реакции, определяющие развитие процесса горения, протекают в газовой фазе, а горючие компоненты поступают в эту фазу в результате испарения и разложения веществ и материалов.

ДИФФУЗИОННОЕ ГОРЕНИЕ — горение неперемешанных газо-, паровоздушных смесей с воздухом. Оно свойственно конденсированным горючим веществам — жидкостям и твердым материалам. Для диффузионного горения характерно наличие светящегося пламени. В зависимости от диаметра трубопровода, а также давления, при котором происходит истечение газов, диффузионное горение может быть ламинарным и турбулентным.

ЛАМИНАРНОЕ ГОРЕНИЕ — вид горения, характеризуемый газодинамически невозмущенным фронтом пламени, а также скоростью распространения пламени, не превышающей нескольких метров в секунду. Ламинарное горение зависит от теплообмена и других макрокинетических факторов. Процесс ламинарного горения заключается в передаче в свежую горючую смесь тепла и активных частиц, обеспечивающих распространение пламени. Скорость распространения пламени относительно свежей смеси, измеренная по нормали к фронту, называется нормальной скоростью распространения пламени [3].

ТУРБУЛЕНТНОЕ ГОРЕНИЕ — горение в турбулентных потоках смеси горючего с воздухом (кислородом), характеризующееся неупорядоченным, пульсирующим движением малых объемов таких смесей. Смешение компонентов при турбулентном горении происходит более интенсивно, чем при ламинарном горении, вследствие чего скорость турбулентного горения превышает скорость ламинарного горения.

Турбулентное горение, то есть горение смеси, течение которой является турбулентным, — это наиболее часто встречающийся в практических устройствах режим горения и одновременно наиболее сложный для изучения.

Турбулентное горение может быть вызвано автотурбулизацией пламени, заключающейся в том, что искривления фронта пламени самопроизвольно возрастают, плоская зона нормального горения перестает существовать, уступая место турбулентному пламени.

Различают турбулентнодиффузионное горение и турбулентное горение однородной горючей смеси. Первое — реализуется при сжигании предварительно не перемешанных газов в турбулентном потоке и широко используется в различных технически устройствах (промышленных печах, горелках, камерах сгорания газотурбинных двигателей и т. д.). Второе — реализуется при сжигании предварительно перемешанных газов или газовзвесей (смесей горючей пыли с газообразным окислителем) в турбулентном потоке и встречается в ряде технических устройств (двигателях внутреннего сгорания, форсажных камерах газотурбинных двигателей и т. д.) [4].

ВРЕМЯ ГОРЕНИЯ — длительность протекания процесса горения с момента зажигания горючего вещества (материала) до окончания пламенного горения или тления. Время горения регистрируется при испытаниях электрических изделий на пожарную опасность, служит в качестве показателя при определении предела огнестойкости строительных конструкций, а также критерием оценки допустимости изготовления различных изделий и их эксплуатации [5].

ВРЕМЯ ВЫГОРАНИЯ — время, в течение которого прекращается горение вещества (материала) в заданных условиях. Время выгорания зависит от:

— физико-химических свойств (теплоты сгорания, давления насыщенных паров, агрегатного состояния и пр.) вещества (материала) и его горючести;

— вида горения (гомогенного или гетерогенного) и скорости распространения пламени [5].

1. И.Н. Зверев, Н. Н. Смирнов. Газодинамика горения. — М.: Изд-во Моск. ун-та., 1987. — С. 165. — 307 с.

2. Теория горения и взрыва: конспект лекций / сост. П.П. Воднев. — Ульяновск: УВАУ ГА(И), 2010. — 180 с.

3. Теория горения и взрыва / Под ред. Ю.В. Фролова. М., 1981 г.

4. Баратов А.Н. Горение — Пожар — Взрыв — Безопасность. — М., 2003 г.

5. Кузнецов В.Р, Сабельников В.А. Турбулентность и горение. — М., 1986 г.

Источник

Характеристика процесса горения

Всем нам практически ежедневно приходится сталкиваться с тем или иным проявлением процессом горения. В нашей статье мы хотим более подробно рассказать какие особенности включает в себя данный процесс с научной точки зрения.

Горение является основной составляющим процессом на пожаре. Пожар начинается с возникновения горения, его интенсивность развития как правило путь пройденный огнем, то есть скорость горения, а тушение заканчивается прекращением горения.

Под горением обычно понимают экзотермическую реакцию между горючим и окислителем, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из трех следующих факторов: пламенем, свечением, дымообразованием. Из-за сложности процесса горения указанное определение не является исчерпывающим. В нем не учтены такие важнейшие особенности горения, как быстрое протекание лежащей в его основе экзотермической реакции, ее самоподдерживающийся характер и способность к самораспространению процесса по горючей смеси.

Различие между медленной экзотермической окислительно-восстановительной реакцией (коррозия железа, гниение) и горением заключается в том, что последняя протекает настолько быстро, что теплота производится быстрее, чем рассеивается. Это приводит к по­вышению температуры в зоне реакции на сотни и даже тысячи гра­дусов, к видимому свечению и образованию пламени. По сути так образуется пламенное горение.Если происходит выделение тепла но пламя при это отсутствует, то этот процесс называется тлением.И в том и в другом процессе происходит образование дыма – аэрозоля полного или неполного сгорания ве­ществ. Стоит отметить, что при горении некоторых веществ пламени не видно, а также отсутствует и выделение дыма, к таким веществам относится водород. Слишком быстрые реакции (взрывчатое пре­вращение) также не входят в понятие горения.

Необходимым условием для возникновения горения является на­личие горючего вещества, окислителя (при пожаре его роль выполняет кислород воздуха) и источника зажигания. Для непосредственно­го возгорания необходимо наличие критических условий по составу горючей смеси, геометрии и температуре горючего материала, давлению и др. После возникновения горения в качестве источника зажигания выступает уже само пламя или зона реакции.

Типичная модель горения построена на реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха. Множество физических и химических процессов сопровождают горение. Физика это перенос тепла в систему. Окислительные и восстановительные реакции это составляющая природы горения со стороны химии. Отсюда из понятия горение вытекают самые разные химические превращения, включая разложение исходных соединений, диссоциации и ионизации продуктов.

Совокупность горючего вещества или материала с окислителем представляет собой горючую среду. В результате разложения горю­чих веществ под воздействием источника зажигания происходит об­разование газопаровоздушной реакционной смеси. Горючие смеси, которые по составу (соотношению компонентов горючего и окисли­теля) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Они наиболее опасны в пожарном от­ношении: легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, в результате чего выделяют максимальное количество теплоты.

Рис. 1. Формы диффузионных пламен

а – горение реактивной струи, б – горение разлитой жидкости, в – горение лесной подстилки

По соотношению количества горючего материала и объема окислителя различают бедные и богатые смеси: бедные содержат в изобилии окислитель, богатые — горючий материал. Минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания единицы массы (объема) того или иного горю­чего вещества, определяется по уравнению химической реакции. При горении с участием кислорода требуемый (удельный) расход воздуха для большинства горючих веществ находится в пределах 4-15 м 3 /кг. Горение веществ и материалов возможно только при обусловленном содержании в воздухе их паров или газообразных продуктов, а также при концентрации кислорода не ниже заданного предела.

Так, для картона и хлопка самопотухание наступает уже при 14 об. % кислорода, а полиэфирной ваты — при 16 об. %. В процессе горения, как и в других химических процессах, обязательны два этапа: создание молекулярного контакта между реагентами и само взаимодействие молекул горючего с окислителем с об­разованием продуктов реакции. Если скорость превращения исход­ных реагентов определяется диффузионными процессами, т.е. скоростью переноса (пары горючих газов и кислорода переносятся в зону реакции за счет градиента концентраций в соответствии с зако­нами диффузии Фика), то такой режим горения называется диффузионным. На рис. 1 приведены различные формы диффузионных пламен. При диффузионном режиме зона горения размыта, и в ней образуется значительное количество продуктов неполного сгорания. Если же скорость горения зависит только от скорости химической реакции, которая значительно выше скорости диффузии, то режим горения называется кинетическим. Ему свойственны более высокие скорости и полнота сгорания и как следствие высокие ско­рости тепловыделения и температура пламени. Этот режим имеет место в предварительно перемешанных смесях горючего и окисли­теля. Отсюда, если реагенты в зоне химической реакции находятся в одинаковой (обычно газовой) фазе, то такое горение называют гомогенным, при нахождении горючего и окислителя в зоне реакции в разных фазах — гетерогенным. Гомогенным является горение не только газов, но и жидкостей, а также большинства твердых ве­ществ и материалов. Объясняется это тем, что в зоне реакции горят не сами материалы, а их пары и газообразные продукты разложе­ния. Наличие пламени является отличительным признаком гомоген­ного горения.

Примерами гетерогенного горения служат горение углерода, углистых остатков древесины, нелетучих металлов, которые даже при высоких температурах остаются в твердом состоянии. Химическая реакция горения в этом случае будет происходить на поверхности раздела фаз (твердой и газообразной). Отметим, что конечными про­дуктами горения могут быть не только оксиды, но и фториды, хлориды, нитриды, сульфиды, карбиды и др.

Характеристики процесса горения разнообразны. Их можно подразделить на следующие группы: форма, размер и структура пламени; температура пламени, его излучательная способность; тепловыделение и теплота сгорания; скорость горения и концентрационные пределы устойчивого горения и др.

Всем известно, что при горении образуется свечение которое сопровождает пламя продукта горения.

Рассмотрим две системы:

В первом случае при возникновении горения весь процесс будет происходить в пламени, во втором же случае часть реакций будет происходить в самом материале, либо его поверхности. Как упоминалось выше существуют газы которые могут гореть без пламени, но если рассматривать твердые вещества существуют также группы металлов которые также способны гореть без проявления пламени.

Часть пламени с максимальным значением, где происходят интенсивные превращения, называется фронтом пламени.

Теплообменные процессы и диффузия активных частиц из зоны горения которые являются ключевыми механизмами движения фронта пламени по горючей смеси.

Скорость распространения пламени принято разделять на:

Рис. 2. Ламинарное диффузионное пламя

В зависимости от характера скорости движения газового потока, создающего пламя, различают ламинар­ные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массообмена происходят путем мо­лекулярной диффузии и конвекции. В турбулентных пламенах про­цессы тепло-, массообмена осуществляются в основном за счет макроскопического вихревого движения. Пламя свечи — пример лами­нарного диффузионного пламени (рис. 2). Любое пламя высотой более 30 см будет уже обладать случайной газовой механической не­устойчивостью, которая проявляется видимыми завихрениями дыма и пламени.

Рис. 3. Переход ламинарного потока в турбулентный

Очень наглядным примером перехода ламинарного потока в турбулентный является струйка сигаретного дыма (рис. 3), которая, поднявшись на высоту около 30 см, приобретает турбулентность.

При пожарах пламена имеют диффузионный турбулентный ха­рактер. Присутствие турбулентности в пламени усиливает перенос тепла, а смешивание влияет на химические процессы. В турбулентном пламени выше также скорости горения. Это явление делает затруднительным перенос поведения мелкомасштабных пламен на крупномасштабные, имеющих большую глубину и высоту.

Экспериментально доказано, что температура горения веществ в воздухе гораздо ниже температуры горения в атмосферной кислородной среде

В воздухе температура будет колебаться от 650 до 3100 °С, а в кислородной показатели температуры возрастут на 500-800 °С.

Источник

Химия пламени

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.

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 KClO₃); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель — азотная кислота HNO₃: 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 N₂O₄ — 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 H₂ + Cl₂ = 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 + H₂ → HCl + H,
H + Cl₂ → 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 → Cl₂. Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

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 + О₂ = О₃, 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 С₄N₂ (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 2С₈Н₁₈ + 25О₂ = 16СО₂ + 18Н₂О. 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 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О₂, Н₂, О₃, Н₂О₂, Н₂О, активных частиц Н, О, ОН, НО₂. 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 С₈Н₁₈ → С₂Н₅ + С₆Н₁₃. 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 С₂Н₂ + О → СН₂ + СО, СН₂ + О₂ → СО₂ + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С₂Н₂, С₂Н, С₂. Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С₂ и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты — полимеризуются по схеме С₂Н + С₂Н₂ → С₄Н₂ + Н, С₂Н + С₄Н₂ → С₆Н₂ + Н и т. д.

Источник