Температура горения водорода: описание и условия реакции, применение в технике
Одной из актуальных проблем является загрязнение окружающей среды и ограниченность энергетических ресурсов органического происхождения. Многообещающим способом решения этих проблем является использование водорода в качестве источника энергии. В статье рассмотрим вопрос горения водорода, температуру и химию этого процесса.
Что такое водород?
Прежде чем рассматривать вопрос, какая температура сгорания водорода, необходимо вспомнить, что собой представляет это вещество.
Вам будет интересно: Эрвин Роммель, немецкий генерал-фельдмаршал: биография, семья, военная карьера, причина смерти
Водород — это самый легкий химический элемент, состоящий всего из одного протона и одного электрона. При нормальных условиях (давление 1 атм., температура 0 oC) он присутствует в газообразном состоянии. Его молекула (H2) образована 2 атомами этого химического элемента. Водород является 3-м по распространенности элементом на нашей планете, и 1-м во Вселенной (около 90 % всей материи).
Вам будет интересно: Чтение вслух: польза для взрослых и детей. Тексты для развития речи и дикции
Водородный газ (H2) не имеет запаха, вкуса и цвета. Он не токсичен, однако, когда содержание его в атмосферном воздухе составляет несколько процентов, то человек может испытывать удушье, по причине недостатка кислорода.
Любопытно отметить, что хотя с химической точки зрения все молекула H2 идентичны, физические свойства их несколько отличаются. Дело все в ориентации спинов электронов (они ответственны за появление магнитного момента), которые могут быть параллельными и антипараллельными, такую молекулу называют орто- и параводородом, соответственно.
Химическая реакция горения
Рассматривая вопрос, температуры горения водорода с кислородом, приведем химическую реакцию, которая описывает этот процесс: 2H2 + O2 => 2H2O. То есть в реакции участвуют 3 молекулы (две водорода и одна кислорода), а продуктом являются две молекулы воды. Эта реакция описывает горение с химической точки зрения, и по ней можно судить, что после ее прохождения остается только чистая вода, которая не загрязняет окружающую среду, как это происходит при сгорании органического топлива (бензина, спирта).
Вам будет интересно: Кемерово: история города, основание, интересные факты, фото
С другой стороны, эта реакция является экзотермической, то есть помимо воды она выделяет некоторое количества тепла, которое можно использовать для приведения в движение машин и ракет, а также для его перевода в другие источники энергии, например, в электричество.
Механизм процесса горения водорода
Описанная в предыдущем пункте химическая реакция известна любому школьнику старших классов, однако она является очень грубым описанием того процесса, который происходит в действительности. Отметим, что до середины прошлого века человечество не знало, как происходит горение водорода в воздухе, а в 1956 году за ее изучение была присуждена Нобелевская премия по химии.
В действительности, если столкнуть молекулы O2 и H2, то никакой реакции не произойдет. Обе молекулы являются достаточно устойчивыми. Чтобы горение происходило, и образовывалась вода, необходимо существование свободных радикалов. В частности, атомов H, O и групп OH. Ниже приводится последовательность реакций, которые происходят в действительности при горении водорода:
Что видно из этих реакций? При горении водорода образуется вода, да, верно, но происходит это только, когда группа из двух атомов OH встречается с молекулой H2. Кроме того, все реакции происходят с образованием свободных радикалов, это означает, что запускается процесс самоподдержания горения.
Таким образом, ключевой момент в запуске этой реакции заключается в образовании радикалов. Они появляются, если поднести к кислород-водородной смеси горящую спичку, либо если нагреть эту смесь выше определенной температуры.
Инициация реакции
Как было отмечено, сделать это можно двумя способами:
Процентное содержание газов в горючей смеси
Вам будет интересно: Методика преподавания математики в школе: особенности и рекомендации
Говоря о температуре горения водорода в воздухе, следует отметить, что не всякая смесь этих газов будет вступать в рассматриваемый процесс. Экспериментально установлено, что если количество кислорода меньше 6% по объему, либо если количество водорода меньше 4% по объему, то никакой реакции не будет. Тем не менее, пределы существования горючей смеси являются достаточно широкими. Для воздуха процентное содержание водорода может составлять от 4,1 % до 74,8 %. Отметим, что верхнее значение как раз соответствует необходимому минимуму по кислороду.
Если же рассматривается чистая кислород-водородная смесь, то здесь пределы еще шире: 4,1-94 %.
Уменьшение давления газов приводит к сокращению указанных пределов (нижняя граница поднимается, верхняя — опускается).
Также важно понимать, что в процессе горения водорода в воздухе (кислороде), возникающие продукты реакции (вода) приводят к уменьшению концентрации реагентов, что может привести к прекращению химического процесса.
Безопасность горения
Это важная характеристика воспламеняющейся смеси, поскольку она позволяет судить о том, происходит реакция спокойно, и можно ее контролировать, либо процесс имеет взрывной характер. От чего зависит скорость горения? Конечно же, от концентрации реагентов, от давления, а также от количества энергии «затравки».
К большому сожалению, водород в широком интервале концентраций способен к взрывному горению. В литературе приводятся следующие цифры: 18,5-59 % водорода в воздушной смеси. Причем на краях этого предела в результате детонации выделяется наибольшее количество энергии на единицу объема.
Отмеченный характер горения представляет большую проблему для использования этой реакции в качестве контролируемого источника энергии.
Температура реакции горения
Теперь мы подошли непосредственно к ответу на вопрос, какая низшая температура сгорания водорода. Она составляет 2321 К или 2048 oC для смеси с 19,6 % H2. То есть температура горения водорода в воздухе выше 2000 oC (для других концентраций она может достигать 2500 oC), и в сравнении с бензиновой смесью — это огромная цифра (для бензина около 800 oC). Если сжигать водород в чистом кислороде, то температура пламени будет еще выше (до 2800 oC).
Столь высокая температура пламени представляет еще одну проблему в использовании этой реакции в качестве источника энергии, поскольку не существует в настоящее время сплавов, которые могли бы работать длительное время в таких экстремальных условиях.
Конечно, эта проблема решается, если использовать хорошо продуманную систему охлаждения камеры, где происходит горение водорода.
Количество выделяемой теплоты
В рамках вопроса температуры горения водорода любопытно также привести данные о количестве энергии, которая выделяется во время этой реакции. Для разных условий и составов горючей смеси получили значения от 119 МДж/кг до 141 МДж/кг. Чтобы понять, насколько это много, отметим, что аналогичное значение для бензиновой смеси составляет около 40 МДж/кг.
Энергетический выход водородной смеси намного выше, чем для бензина, что является огромным плюсом для ее применения в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Однако, и здесь не все так просто. Все дело в плотности водорода, она слишком низка при атмосферном давлении. Так, 1 м3 этого газа весит всего 90 грамм. Если сжечь этот 1 м3 H2, то выделится около 10-11 МДж теплоты, что уже в 4 раза меньше, чем при сжигании 1 кг бензина (чуть больше 1 литра).
Приведенные цифры говорят о том, что для использования реакции горения водорода необходимо научиться хранить этот газ в баллонах с высоким давлением, что создает уже дополнительные сложности, как в технологическом вопросе, так и с точки зрения безопасности.
Применение водородной горючей смеси в технике: проблемы
Сразу необходимо сказать, что в настоящее время водородная горючая смесь уже используется в некоторых сферах человеческой деятельности. Например, в качестве дополнительного топлива для космических ракет, в качестве источников для выработки электрической энергии, а также в экспериментальных моделях современных автомобилей. Однако масштабы этого применения являются мизерными, по сравнению с таковыми для органического топлива и, как правило, носят экспериментальных характер. Причиной этому являются не только трудности в контроле самой реакции горения, но также в хранении, транспортировке и добыче H2.
Водород на Земле практически не существует в чистом виде, поэтому его необходимо получать из различных соединений. Например, из воды. Это достаточно популярный способ в настоящее время, который осуществляется с помощью пропускания электрического тока через H2O. Вся проблема заключается в том, что при этом расходуется больше энергии, чем потом можно получить путем сжигания H2.
Еще одна важная проблема — транспортировка и хранение водорода. Дело в том, что этот газ, ввиду маленьких размеров его молекул, способен «вылетать» из любых контейнеров. Кроме того, попадая в металлическую решетку сплавов, он вызывает их охрупчивание. Поэтому наиболее эффективным способом хранения H2 является использование атомов углерода, способных прочно связывать «неуловимый» газ.
Таким образом, применение водорода в качестве топлива в более-менее широких масштабах возможно, только если его использовать в качестве «сохранения» электричества (например, переводить ветровую и солнечную энергию в водород с помощью электролиза воды), либо если научиться доставлять H2 из космоса (где его очень много) на Землю.
Урок 22. Химические свойства водорода
В уроке 22 «Химические свойства водорода» из курса «Химия для чайников» узнаем с какими веществами реагирует водород; выясним, какими химическими свойствами обладает водород.
Водород вступает в химические реакции с простыми и сложными веществами. Однако при обычных условиях водород малоактивен. Для его взаимодействия с другими веществами необходимо создать условия: повысить температуру, применить катализатор и др.
Реакции водорода с простыми веществами
При нагревании водород вступает в реакции соединения с простыми веществами — кислородом, хлором, азотом, серой.
Если поджечь на воздухе чистый водород, выходящий из газоотводной трубки, он горит ровным, еле заметным пламенем. Теперь поместим трубку с горящим водородом в банку с кислородом (рис. 95).
Горение водорода продолжается, при этом на стенках банки видны капли воды, образующейся в результате реакции:
При горении водорода выделяется много теплоты. Температура кислородно-водородного пламени достигает больше 2000 °С.
Химическая реакция водорода с кислородом относится к реакциям соединения. В результате реакции образуется оксид водорода (вода). Это значит, что произошло окисление водорода кислородом, т. е. эту реакцию мы можем назвать и реакцией окисления.
Если же в пробирку, опрокинутую вверх дном, собрать немного водорода методом вытеснения воздуха, а затем поднести к ее отверстию горящую спичку, то раздастся громкий «лающий» звук небольшого взрыва смеси водорода с воздухом. Такую смесь называют «гремучей».
На заметку: Способность водорода в смеси с воздухом образовывать «гремучий газ» часто являлась причиной катастроф на воздушных шарах, заполненных водородом. Нарушение герметичности оболочки шара приводило к пожару и даже взрыву. В наше время воздушные шары заполняют гелием или постоянно нагнетаемым горячим воздухом.
В атмосфере хлора водород сгорает с образованием сложного вещества — хлороводорода. При этом протекает реакция:
Реакция водорода с азотом происходит при повышенной температуре и давлении в присутствии катализатора. В результате реакции образуется аммиак NH3:
Если струю водорода направить на расплавленную в пробирке серу, то у ее отверстия ощутится запах тухлых яиц. Так пахнет газ сероводород H2S — продукт реакции водорода с серой:
На заметку: Водород способен не только растворяться в некоторых металлах, но и реагировать с ними. При этом образуются химические соединения, называемые гидридами (NaH — гидрид натрия). Гидриды некоторых металлов используют как горючее в ракетных двигателях на твердом топливе, а также при получении термоядерной энергии.
Реакции водорода со сложными веществами
Водород реагирует при повышенной температуре не только с простыми, но и со сложными веществами. Рассмотрим в качестве примера его реакцию с оксидом меди(II) CuO (рис. 96).
Пропустим водород над нагретым порошком оксида меди(II) CuO. По мере протекания реакции цвет порошка изменяется с черного на коричнево красный. Это цвет простого вещества меди Cu. В ходе реакции на холодных частях пробирки появляются капельки жидкости. Это еще один продукт реакции — вода H2O. Отметим, что в отличие от простого вещества меди вода — сложное вещество.
Уравнение реакции оксида меди(II) с водородом:
Водород в реакции с оксидом меди(II) проявляет способность отнимать у оксида металла кислород, тем самым восстанавливать металл из этого оксида. В результате происходит восстановление меди из сложного вещества CuO до металлической меди (Cu).
Реакции восстановления — это реакции, в ходе которых сложные вещества отдают атомы кислорода другим веществам.
Вещество, отнимающее атомы кислорода, называют восстановителем. В реакции с оксидом меди(II) восстановитель — водород. Так же реагирует водород и с оксидами некоторых других металлов, например PbO, HgO, MoO3, WO3 и др. Окисление и восстановление всегда взаимосвязаны между собой. Если одно вещество (Н2) окисляется, то другое (CuO) — восстанавливается, и наоборот.
Краткие выводы урока:
Надеюсь урок 22 «Химические свойства водорода» был понятным и познавательным. Если у вас возникли вопросы, пишите их в комментарии.
Синтез воды Образование воды при горении
Синтез воды это
Это химические реакции взаимодействия атомов кислорода с атомами водорода, причем в результате синтеза воды образуется большое количество энергии в виде взрыва.
Образование воды при горении водорода в кислороде (воздухе) послужило доказательством состава воды как сложного вещества, состоящего из двух химических элементов — водорода и кислорода.
Схема установки для синтеза воды из простых веществ изображена на рисунке 2.
Приступая к выполнению опыта в собранной установке, прежде всего убеждаются в чистоте водорода, после чего его поджигают на конце Г-образной трубки 1, подводя ее под воронку 2. Включают водоструйный насос 4, соединенный с предохранительной двугорлой склянкой 5. Через некоторое время в дугообразной трубке 3 собирается немного жидкости. Водоструйный насос останавливают и прекращают ток водорода.
Образовавшийся продукт реакции идентифицируют, внося в приемник небольшое количество безводного сульфата меди. Появление голубого окрашивания (образование медного купороса) свидетельствует о том, что полученная в опыте жидкость — вода.
Можно продемонстрировать два опыта: горение водорода в кислороде и горение кислорода в водороде.
Для опытов собирают установку согласно рисунку 3. В качестве реактора используют со суд без дна (рис. 3, а) из набора НПХ или универсальную го релку (рис. 3,6).
Горение водорода в кислороде
Водород из прибора для получения газов 1 проверяют начистоту. Заполняют реактор 2 кислородом из газометра 3. Проверяют наполнение реактора 2 кислородом, поднося к его отверстию тлеющую лучинку. Поджигают водород на конце газоотводной трубки, не прекращая подачи кислорода из газометра.
Горение кислорода в водороде. Положение реактора меняют, закрепляя его в лапке штатива. Наполняют реактор 2 водородом. Для полного вытеснения воздуха пропускают водород из аппарата для получения газов не менее 2 мин. Поджигают водород горящей лучиной у отверстия реактора 2 и одно временно вводят газоотводную трубку с кислородом, который за горается от пламени горящего водорода.
Рис. 3. Установка для сжигания водорода и кислорода друг в друге:
а —горение водорода в кислороде: 1 — прибор для получения газов, 2 — реактор, 3 — газометр; б — универсальная горелка; в — горение кислорода в водороде.
Если пламя кислорода внутри реактора 2 погасло, немедленно закрывают кран аппарата для получения водорода. Повторять опыт можно после остывания колокола-реактора.
Чтобы установить, в каких объемных отношениях водород и кислород взаимодействуют с образованием паров воды, берут для взрыва определенные объемы газов и после реакции устанавливают, какой газ остался неизрасходованным и какой он занимал объем. Опыт проводят в эвдиометре — толстостенной трубке с дном и впаянными электродами. В настоящее время промышленный эвдиометр не может быть использован в школе из-за отсутствия безопасного высоковольтного преобразователя, который сейчас разрабатывается.
В трубку вводят равные объемы’ водорода и кислорода, например по 2 мл. Прибор укрепляют в штативе. Включают ток (вилку вставляют в сетевую розетку и сразу же вынимают)—происходит безопасное «короткое замыкание»— небольшая вспышка — и осуществляется синтез воды. Перегоревшую проволочку перед каждым опытом заменяют новой.
Взрыв кислородно-водородной смеси можно осуществить с помощью пьезоэлектрического источника электрического тока, используя насадку для воспламенения газов.
Если для взрыва были взяты одинаковые объемы кислорода и водорода, то после реакции остался один объем кислорода, (это доказывается вспыхиванием тлеющей лучинки). Следовательно, объемы вступающих в реакцию газов — водорода и кислорода—относятся как 2:1. Принимают во внимание, что кислород в 16 раз тяжелее водорода (это видно из сравнения плотности 1,44:0,089=16:1) и что соотношение объемов кислорода и водорода 1:2. Делают вывод, что массовые отношения этих эле ментов в воде 16:2, или 8 : 1 (или 88,9% О и 11,1 % Н).
Рис. 4. Установка для синтеза воды в искровом разряде:
1 — трубка-реактор, 2 —электроды, 3 — трубка с зажимом, 4 — воронка.
Для этого опыта и для разложения метана в искровом разряде можно использовать установку, изображенную на рисунке 4. Реактор 1, разделенный на четыре равные по объему части, заполняют водой через воронку 4 до появления капель воды из трубки при открытом зажиме 3. Затем реактор 1 через верхнюю трубку с зажимом 3 заполнят сначала двумя объемами водорода (из аппарата Киппа), а затем двумя объемами кислорода (из газометра). Электроды присоединяют к источнику тока. Вместо выпрямителя ВС-24М (В-24) можно использовать батарейку КБС. Искра получается при повороте одного из электродов на 180° до замыкания и размыкания цепи. После взрыва наличие оставшегося кислорода доказывают по воспламенению тлеющей лучинки, поднесенной к отверстию трубки 3. Для вытеснения кислорода из реактора воронку поднимают вверх при открытом зажиме.
Меры предосторожности. Перед наполнением реактора водород проверяют на чистоту. Во избежание выплескивания при взрыве воды из воронки ее накрывают листом мокрой фильтровальной бумаги.
Определение содержания кислорода в воздухе
Эксперименты по определению состава воздуха сыграли важную роль в развитии химии как науки, что нашло отражение и в учебной литературе по химии. Разработаны в связи с этим многочисленные учебные опыты по определению состава воздуха. Все они основаны на том, что воздух состоит из двух основных компонентов: один из них легко вступает во многие химические реакции (кислород), тогда как второй компонент смеси (атмосферный азот)—вещество Значительно менее реакционноспособное. Для демонстрации малопригодны исторические опыты с использованием электрических разрядов и поглощением образовавшихся оксидов азота ввиду их сложности и длительности. В учебных опытах используют для связывания кислорода легкоокисляющееся вещество — фосфор.
Сжигание фосфора в закрытом пространстве (стеклянный колпак-колокол, склянка с отрезанным дном) — традиционный школьный опыт,для определения состава воздуха. Техника выполнения этого опыта приведена во многих руководствах по химическому эксперимент, а также в школьных учебниках по химии, Этим способом состав воздуха определяют приблизительно.
Содержание кислорода в воздухе можно определить, если вме сте фосфора использовать медь (рис. 30). Простейший опыт состоит в нагревании порошка меди, помещенного на дно пробирки 1, градуированной на 5 равных частей и плотно закрытой ре зиновой пробкой с газоотводной трубкой, опущенной в стакан с водой. При нагревании кислород, содержащийся в пробирке 1, соединяется с медью. После охлаждения пробирки при открытом кране 2 вода засасывается на 1 /5 часть ее вместимости. Более точные результаты могут быть получены при использовании усовершенствованной установки опыт проводят в двух градуированных цилиндрах 1, 5 объемом по 500 мл каждый. В трубке помещена «колбаска» из свеже-восстановленной медной сетки.
Левый цилиндр 1 заполонен воздухом, правый — подкрашенной водой и погружен вверх дном в чашу с водой. Делительную воронку 2 заполняют водой, а трубку с медной сеткой сильно нагревают. Выде ляющиеся пузырьки газа сразу не следует собирать в цилиндр. После того как выделение газа прекратилось, цилиндр помещают на газоотводную трубку. В левый цилиндр начинают приливать воду с такой скоростью, чтобы на вытес нение 500 мл воздуха потребовалось 10—15 мин. После приливания 500 мл воды кран воронки закрывают. В правом цилиндре 5 собирается только 4 /5 вытесненного объема воздуха.
Пробку с газоотводной трубкой 4 отделяют от реакционной трубки, после чего прекращают нагревание.
Статья на тему Синтез воды
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.