Глава 5. Топливо 33

5.1. Важнейшие свойства топлива 34

Теплотворная способность

Жаропроизводительность

Содержание балласта

Содержание вредных примесей

Содержание летучих веществ

5.2. Важнейшие компоненты топлива 34

Углерод

Водород

Кислород

Сера

5.3. Теплотворная способность топлива 36

5.4. Твердое топливо 36

Торф. Ископаемые угли

Бурые угли

Каменные угли

Антрацит

Горючие сланцы

Искусственное твердое топливо

5.5. Жидкое топливо 40

Нефть

5.6. Мировые запасы нефти 42

Состав нефти

5.7. Переработка нефти 44

Крекинг

Риформинг

Дизельное топливо

Керосин, мазут

5.8. Газообразное топливо 47

Природный газ

Попутный нефтяной газ

Глава 6. Экологические проблемы 50

6.1. Токсическое воздействие загрязняющих веществ 50

Оксид углерода (II)

Оксиды азота NO и NO₂

Углеводороды

Бенз(а)пирен

Твердые частицы

6.2. Предельно допустимые концентрации (ПДК) примесей 51

Твердые частицы

6.3. Кислотные дожди 53

6.4. Канцерогенные вещества 54

6.5. Образование оксидов азота при сжигании топлива 57

ЛИТЕРАТУРА 60

Глава 1

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЦЕССА ГОРЕНИЯ

1.1. Некоторые понятия и определения

Горение – сложный, быстро протекающий химический процесс, сопровождающийся выделением тепла и света. Обычно рассматривают химические реакции горючих веществ с кислородом воздуха. Например, горение каменного угля, состоящего в основном из углерода:

С(т) + О₂(г)  СО₂(г); ∆_rН =  393.5 кДж/моль

где ∆_rН < 0 – энтальпия химической реакции, указывающая, что при сгорании 12 г углерода (n = 1 моль) выделяется ( 393.5 кДж) энергия в форме теплоты.

Горение природного газа используется в кухонной газовой горелке, двигателе некоторых автомобилей, паровых турбинах электростанций или котельных горячего водоснабжения. В природном газе метан является основным компонентом (до 98 об.%). Его реакция с молекулярным кислородом воздуха сопровождается образованием оксида углерода (IV) и воды:

СН₄(г) + 2О₂(г)  2Н₂О(ж) + СО₂(г); ∆_rН =  890.3 кДж/моль

Тлением называют беспламенное горение твердых тел. Так горит кокс, применяемый в металлургии. (Кокс – каменный уголь, из которого предварительно выжгли летучие соединения). При тлении процессы имеют низкую интенсивность и свечение красного типа.

Взрыв также является разновидностью горения. Его отличие в том, что взрывчатые вещества уже содержат в своем составе и окислитель (NO₂), и восстановитель (СН группы). Например, разложение молекул тринитротолуола в составе моноклинных ромбических кристаллов носит взрывной характер. Достаточно расплавить кристаллы (Т_пл. = 88.85 ⁰С) и нагреть жидкий тринитротолуол до 150 ⁰С (физический процесс), чтобы произошел взрыв (химический процесс):

Химическое превращение в данном случае сопровождается повышением температуры и увеличением давления образовавшихся продуктов реакции (физический процесс).

Аналогичная картина наблюдается при взрыве тринитроглицерина:

; ∆_rH < 0

[Дж. Кемпбел Современная общая химия. Т. 2. М.: «Мир». 1975]

Взрыв – окислительно-восстановительный процесс, сопровождающийся выделением большого количества энергии в ограниченном объеме за короткий промежуток времени.

Один и тот же вид горючего может гореть обычным путем и в виде взрыва. Например, при использовании в быту газовых горелок мы проводим обычный процесс горения. Но если заполнить природным газом все пространство кухни, то при возникновении искры или пламени произойдет взрыв.

Другой пример – горение пороха. Если поджечь кучку пороха на воздухе, то он спокойно сгорит. При стрельбе из стрелкового оружия в патроне происходит детонация порохового заряда с помощью капсюля-детонатора. В этом случае процесс носит взрывной характер.

Горение и взрыв в большинстве случаев представляют собой окислительно-восстановительные реакции. Под этим понимаются процессы изменения степени окисления (СО – степень окисления) элементов. Есть окислитель (например, кислород в обычном процессе горении топлива), который восстанавливается и снижает свою степень окисления. С ним взаимодействует восстановитель, который окисляется и увеличивает свою степень окисления.

Например, горение водорода:

Н₂(г) + О₂(г) = Н₂О(ж) или

Н₂⁰ + О₂⁰ = Н₂⁺¹О^-2.

Степень окисления водорода и кислорода в простых веществах принята равной нулю. После реакции степень окисления кислорода стала – 2, а водорода +1.

Степень окисления – это условный заряд атома в соединении, вычисленный исходя из предположения, что образуется ионное соединение.

Мы видели на примере реакции горения водорода, что образуется совсем не ионное соединение (Н₂О), но использование степени окисления представляет собой прием, который позволяет установить реагент-окислитель и реагент-восстановитель.

Другой пример – горение оксида углерода:

2С⁺² О^-2 + О₂⁰ = 2С⁺⁴О₂^-2.

В этом процессе окисляется углерод и восстанавливается кислород. Таким образом, горением может называться любая реакция, в которой выделяется теплота и образуется пламя. Это может быть и реакция двух веществ между собой. Например, горение водорода в атмосфере хлора:

Н₂(г) + Cl₂(г) = 2НCl(г)

или реакция разложения (горения взрывчатых веществ).