Полная версия

Главная arrow Товароведение arrow Теория горения и взрыва

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

3.3. Математическая теория самоускоряющихся химических реакций

Существуют химические реакции, медленно развивающиеся во времени, и химические реакции, протекающие "взрывообразно" и сопровождающиеся обычно какими-либо неожиданными проявлениями – вспышкой, звуковыми эффектами и т.п.

В чем же отличие взрывной реакции от реакции медленной? Для ответа на этот вопрос рассмотрим поведение во времени концентрации реагирующего вещества и скорости химического превращения для той и другой реакции.

Типичные кинетические кривые невзрывной реакции приведены на рис. 3.2.

Типичные кинетические кривые невзрывной реакции (данные по реакции салицилового альдегида с NH/,OH-НС1 в 75%-ном этиловом спирте

Рис. 3.2. Типичные кинетические кривые невзрывной реакции (данные по реакции салицилового альдегида с NH/,OH-НС1 в 75%-ном этиловом спирте[1], а в моль/л, t в с):

кривая 1 получена при температуре -5°С, 2 – при 0°С, 3 – при +7°С

Концентрация постепенно уменьшается в ходе реакции, в результате чего скорость реакции также уменьшается. При более высокой температуре кинетические кривые спадают быстрее, при более низкой температуре процесс затягивается во времени. Увеличение скорости реакции при повышении температуры происходит постепенно и плавно (на каждые 10° скорость реакции увеличивается примерно вдвое); такие же закономерности присущи невзрывным реакциям в газах, например реакции Н2 + J2.

Существенные особенности взрывных реакций были отмечены еще Р. В. Бунзеном и Я . Г. Вант-Гоффом. В зависимости от температуры скорость реакции меняется очень резко; так, например, при комнатной температуре и нормальном атмосферном давлении водород с кислородом практически не реагируют в течение многих лет. При повышении температуры скорость реакции остается неизмеримо малой вплоть до некоторого критического значения, которое зависит от условий проведения опыта. Например, для стехиометрической смеси водорода с кислородом – так называемой гремучей смеси – при нормальном атмосферном давлении это критическое значение составляет около 550°С. При более высоких температурах, даже если превышение над критическим значением составляет лишь несколько градусов, гремучая смесь реагирует очень быстро, давление резко повышается, и может произойти разрыв сосуда. Скорость реакции при таком взрыве настолько велика, что исследователи прошлого века не могли подробно изучить ее кинетику.

Итак, в отличие от обычной взрывная реакция характеризуется следующим основным признаком – наличием такой температуры, при которой очень резко, практически скачком, меняется скорость реакции. Эта температура называется температурой воспламенения.

Такое же резкое изменение скорости реакции можно получить, если менять давление при данной температуре. При некоторых давлениях реакция совсем не идет или идет очень медленно, но достаточно иногда лишь весьма незначительного изменения давления, чтобы реакция прошла за малое время. При наблюдении за взрывной реакцией первое впечатление таково, что при температуре и давлении ниже критических в смеси ничего или почти ничего не происходит, но по достижении критических параметров мгновенно реагирует сразу все. Такая черта процесса и дала основание назвать реакции взрывными.

При экспериментальном изучении реакции водорода с кислородом были обнаружены три предела воспламенения (взрыва), которые удобно проиллюстрировать в виде диаграммы "давление – температура".

Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом приведены на рис. 3.3. Если начальным давлению и температуре смеси отвечает точка, лежащая справа от кривой ABCD, то происходит воспламенение; участок АВ соответствует первому, ВС – второму и CD – третьему пределам воспламенения. Область между первым и вторым пределами называют полуостровом воспламенения. Кривые АВ и CD частично экстраполированы.

Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом (справа от кривой ABCD – область воспламенения, слева – область медленного протекания реакции)

Рис. 3.3. Пределы воспламенения стехиометрической смеси водорода с кислородом (справа от кривой ABCD – область воспламенения, слева – область медленного протекания реакции)

Кинетические кривые реакции горения водорода в области воспламенения выглядят следующим образом: в течение какого-то определенного промежутка времени ti, называемого периодом индукции, реакция практически не идет, заметить ее не удается, концентрация постоянна, потом наступает быстрая реакция, которая заканчивается за очень малое время.

На рис. 3.4 приведены кинетические кривые реакции горения стехиометрической смеси водорода с кислородом. По оси ординат отложена величина АР, равная уменьшению общего давления в реагирующей смеси по сравнению с начальным давлением.

Данные рис. 3.4 взяты из работы А. А. Ковальского [44], который первым экспериментально показал возможность цепного воспламенения в изотермических условиях.

Итак, па примере реакции водорода с кислородом мы можем отметить две характерные особенности взрывных реакций: наличие периода индукции и существование критических условий, т.е. таких параметров системы, которые отделяют область взрывного протекания реакции от области, в которой реакция практически не идет.

Перейдем теперь к выяснению физических причин, вызывающих эти особенности взрывных реакций.

  • [1] Joulin G., Clavin Р. Op. cit.
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>