2. Правила составления уравнения реакции горения

При решении практически всех задач по дисциплине «Теория горения и взрыва» необходимо составить уравнение реакции горения. Поэтому очень важно научиться делать это правильно. Изучите изложенные ниже правила составления уравнений реакции горения, разберите примеры.

Правило № 1. В левой части уравнения записываем горючее вещество и окислитель [воздух в виде (O₂ + 3,76N₂)].

Правило № 2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, учитывая, что:

- углерод (С), содержащийся в горючем веществе, превращается в CO₂,

- сера (S), содержащаяся в горючем веществе, превращается в SO₂,

- фосфор (Р), содержащийся в горючем веществе, превращается в P₂O₅,

- водород (Н), содержащийся в горючем веществе, превращается в H₂O,

- хлор (Cl), содержащийся в горючем веществе, превращается в HCl,

- фтор (F), содержащийся в горючем веществе, превращается в HF,

- бром (Br), содержащийся в горючем веществе, превращается в HBr,

- йод (I), содержащийся в горючем веществе, превращается в HI,

- кислород (О), содержащийся в горючем веществе, входит в состав образующихся оксидов (CO₂, SO₂, H₂O), как и кислород воздуха.

- азот (N), при температуре горения ниже 2000°С не вступает в реакцию.

Поскольку, в условиях реального пожара температура не превышает значения 1500 – 1600°С, то принимают, что азот выделяется в свободном виде (N₂). Следовательно, 3,76 молей N₂ из воздуха переходят в неизменном виде в продукты горения.

Если горючее вещество содержит другие элементы, то они переходят в высшие оксиды, как указанные выше углерод, водород и фосфор.

Правило № 3. Атомы кислорода, входящие в состав молекул горючего вещества (например, C₂H₆OS - 2-тиолэтанол), участвуют в реакции горения в качестве окислителя, как кислород воздуха.

Правило № 4. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения для того, чтобы в исходных веществах (левая часть уравнения) и получившихся из них продуктах реакции (правая часть уравнения) содержалось одинаковое количество атомов данного вида. При подсчете количества атомов данного вида стехиометрические коэффициенты и индексы, указывающие количество атомов в молекуле, перемножаются.

Рекомендуется придерживаться следующей последовательности действий.

Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1, так как все расчеты ведут на 1 моль горючего вещества.

Перед формулой углекислого газа ставится коэффициент равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества.

Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекул горючего вещества, за исключением Н, О и N.

Уравниваем число атомов водорода, учитывая их содержание в молекулах галогеноуглеводородов и воды.

Уравниваем число атомов кислорода, рассчитав их количество в правой части уравнения и учитывая атомы кислорода, содержащиеся в молекуле горючего вещества.

Коэффициент, поставленный перед молекулой кислорода, переносим в правую часть уравнения и ставим перед 3,76 N₂. Уравниваем число атомов азота, содержащееся в молекуле горючего вещества.

Рассмотрим несколько примеров составления реакций горения веществ в воздухе, в которых использованы описанные выше правила.

Пример 1. Составить уравнение реакции горения С₆Н₄N₂О₄ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂ + 3,76 N₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, азот выделился в свободном виде - N₂. Азот, содержащийся в воздухе, также не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + N₂ + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + N₂ + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав молекулы горючего вещества, за исключением Н и О. В данном случае уравниваем число атомов азота. В состав горючего вещества входят два атома азота. В составе выделившейся молекулы азота тоже два атома, поэтому перед молекулой азота в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1N₂ + 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. В состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед формулой воды ставим коэффициент 2:

1С₆Н₄N₂О₄ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе двух молекул воды: 2 ∙ 1 = 2;

итого: 12 + 2 = 14 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 4 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (14 – 4 = 10). Затем делим полученное число на 2 (количество атомов водорода в Н₂О) (10/2 = 5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₆Н₄N₂О₄ + 5(О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 3,76 N₂

е) коэффициент 5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76 N₂ в правой части уравнения:

1С₆Н₄N₂О₄ + 5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 2Н₂О + 1N₂ + 5 ∙ 3,76 N₂

Чтобы убедиться в правильности составленного уравнения реакции горения, рассчитаем количество атомов одних и тех же элементов в его правой и левой частях:

С – слева 6, справа 6 ∙ 1 = 6;

Н – слева 4, справа 2 ∙ 2 = 4;

N – слева: в горючем веществе 2, в воздухе 5 ∙ 3,76 = 18,8, итого 20,8;

справа 2 + 5 ∙ 3,76 = 20,8;

О - слева: в горючем веществе 4, в воздухе 5 ∙ 2 = 10, итого 14;

справа: в углекислом газе 6 ∙ 2 = 12, в воде 2 ∙ 1 = 2, итого 14.

Вывод: уравнение реакции горения составлено верно.

Пример 2. Составить уравнение реакции горения п-дихлорбензола С₄Н₄Сl₂ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl + 3,76 N₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, хлор превратился в хлороводород. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + HCl + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 4, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + Н₂О + HCl + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О, N. В данном случае уравниваем число атомов хлора. В состав горючего вещества входят два атома хлора. В составе выделившейся молекулы хлороводорода один атом Cl, поэтому перед молекулой хлороводорода в продуктах реакции ставим коэффициент 2:

1С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + Н₂О + 2HCl + 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества четыре атома водорода. Из них два атома водорода уже вошли в состав двух молекул хлороводорода. Оставшиеся два атома водорода перейдут в состав молекулы Н₂О. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

1С₄Н₄Сl₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе четырех молекул углекислого газа: 4 ∙ 2 = 8;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 8 + 1 = 9 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода. Следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (9/2 = 4,5) и ставим полученный коэффициент перед воздухом:

1С₄Н₄Сl₂ + 4,5(О₂ + 3,76 N₂) → 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl + 3,76 N₂

е) коэффициент 4,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76 N₂ в правой части уравнения:

1С₄Н₄Сl₂ + 4,5(О₂ + 3,76 N₂) = 4СО₂ + 1Н₂О + 2HCl + 4,5 ∙ 3,76 N₂

Пример 3. Составить уравнение реакции горения ацетилена С₂Н₂ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух:

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду. Азот, содержащийся в воздухе, не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 2, равный количеству атомов углерода в молекуле ацетилена:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + Н₂О + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае таких элементов нет.

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества - два атома водорода. В состав молекулы воды входит также два атома водорода. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 1:

1 С₂Н₂ + (О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1Н₂О + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе двух молекул углекислого газа: 2 ∙ 2 = 4;

в составе одной молекулы воды: 1 ∙ 1 = 1;

итого: 4 + 1 = 5 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества нет атомов кислорода, следовательно, делим количество атомов кислорода в правой части уравнения на 2 (5/2 = 2,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

1 С₂Н₂ + 2,5(О₂ + 3,76 N₂) → 2СО₂ + 1Н₂О + 3,76 N₂

е) коэффициент 2,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76 N₂ в правой части уравнения:

1 С₂Н₂ + 2,5(О₂ + 3,76 N₂) = 2СО₂ + 1Н₂О + 2,5 ∙ 3,76 N₂

Пример 4. Составить уравнение реакции горения C₆Н₈SО₃ в воздухе.

Решение.

1. В левой части уравнения записываем формулу горючего вещества плюс воздух: C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂)

2. В правой части уравнения записываем продукты реакции горения, основываясь на составе молекулы горючего вещества (правило 2):

C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO₂ + 3,76 N₂

Таким образом, углерод (С), содержащийся в горючем веществе, перешел в СО₂, водород превратился в воду, кислород вошел в состав воды и углекислого газа, сера образовала оксид SO₂. Азот воздуха не участвует в реакции горения и выделяется в неизменном виде – 3,76 N₂.

3. Расставляем коэффициенты в схеме реакции горения.

а) Перед формулой горючего вещества всегда ставится коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → СО₂ + Н₂О + SO₂ + 3,76 N₂

б) Перед формулой углекислого газа ставим коэффициент 6, равный количеству атомов углерода в молекуле горючего вещества:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + SO₂ + 3,76 N₂

в) Уравниваем число атомов элементов, входящих в состав горючего вещества, за исключением Н, О и N. В данном случае уравниваем число атомов серы. В состав молекулы горючего вещества входит один атом серы. В составе выделившейся молекулы SO₂ тоже один атом, поэтому перед молекулой SO₂ в продуктах реакции ставим коэффициент 1:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + Н₂О + 1SO₂ + 3,76 N₂

г) Уравниваем число атомов водорода. В составе молекулы горючего вещества восемь атомов водорода, а в состав молекулы воды входит только два атома. Следовательно, перед молекулой воды ставим коэффициент 4:

1 C₆Н₈SО₃ + (О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂ + 3,76 N₂

д) Уравниваем число атомов кислорода. Для этого рассчитываем число атомов кислорода в правой части уравнения:

в составе шести молекул углекислого газа: 6 ∙ 2 = 12;

в составе четырех молекул воды: 4 ∙ 1 = 4;

в составе одной молекулы оксида серы: 1∙ 2 = 2

итого: 12 + 4 + 2 = 18 атомов кислорода.

Рассчитываем число атомов кислорода в левой части уравнения. В составе молекулы горючего вещества имеется 3 атома кислорода. Вычитаем это число из количества атомов кислорода в правой части уравнения (18 – 3 = 15). Делим полученное число на 2 (15 /2 = 7,5) и ставим данный коэффициент перед воздухом:

1 C₆Н₈SО₃ + 7,5(О₂ + 3,76 N₂) → 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂ + 3,76 N₂

е) коэффициент 7,5, поставленный перед воздухом, ставим перед 3,76N₂ в правой части уравнения:

1 C₆Н₈SО₃ + 7,5(О₂ + 3,76 N₂) = 6СО₂ + 4Н₂О + 1SO₂ +7,5 ∙ 3,76 N₂

Многообразие реакций горения не исчерпывается рассмотренными в данном разделе примерами. Однако, используя описанные правила, можно самостоятельно составить реакцию горения многих других горючих веществ. Написание уравнений реакций горения является важной составной частью при решении многих задач в курсе «Теория горения и взрыва».