Многообразие продуктов горения как следствие неполного сгорания топлива

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 6Следующая ⇒

Говоря о горении важно учитывать, что фактически вся органика, начиная с простейших углеводородов, и кончая жирами, белками, полимерами – имеет сложное строение молекул. Например, молекула хорошо всем известного парафина состоит из 17 звеньев, причем, каждое звено состоит из 1 атома углерода, и 2–3 связанных с ним атомов водорода. Причем, помимо углерода, водорода, молекулы могут содержать и атомы серы, азота, даже кислорода. Однако даже горение простейших углеводородов показывает некоторые особенности окисления. Уравнение реакции горения алканов в общем виде:

2С_nH₍₂_n₊₂₎ + (3n+1) О₂ = 2nCO₂ + 2 (n+1) Н₂O + Q

Из этого уравнения следует, что с увеличением числа углеродных атомов (n) в молекуле увеличивается количество кислорода, необходимого для его полного окисления. Алканы с меньшим количеством звеньев горят быстрее, и при смешивании с воздухом могут быть взрывоопасны, тогда как, например, парафин, начинает кипеть лишь при температурах в несколько сот градусов. При горении высших алканов (n >>1) кислорода, содержащегося в воздухе, может оказаться недостаточно для их полного окисления до СО₂. Тогда образуются продукты частичного окисления – угарный газ СО (степень окисления углерода +2) и сажа (мелкодисперсный углерод, нулевая степень окисления). Поэтому высшие алканы горят на воздухе коптящим пламенем, а выделяющийся попутно токсичный угарный газ является еще и взрывоопасным.

Рис. 1. Степени окисления атомов углерода

Прежде всего, окисляются звенья цепи с наименьшей по модулю степенью окисления (СТО). Поэтому, при горении органических веществ многие молекулы сгорают не полностью: окисляется не вся цепочка отдельно взятой молекулы, а только ее часть. До полного окисления органическим веществам часто не хватает кислорода. В этом случае в состав дыма начинают попадать и более простые молекулы органических веществ. Это одна из причин, по которой даже при горении «безобидного» парафина в воздух могут попадать молекулы токсичной органики. Обосновывается это достаточно легко.

Те же алканы в зависимости от условий реакции могут окисляться с образованием различных соединений. При обычной температуре алканы не вступают в реакции даже с сильными окислителями (Н₂Cr₂O₇, KMnO₄ и т.п.). При внесении в открытое пламя – горят. Как ранее говорилось, в избытке кислорода происходит их полное окисление до СО₂, где углерод имеет высшую степень окисления +4, и воды. Горение углеводородов приводит к разрыву всех связей С–С и С–Н и сопровождается выделением большого количества тепла (экзотермическая реакция).

Предположим, что молекула представленная выше при достаточной температуре встречается с одной молекулой кислорода. Предположим, окисляется ветвь – СН₃:

или, что аналогично:

Разумеется, вероятность такого превращения очень мала, но возможна. Обычно альдегиды получают с применением менее активных кислородсодержащих окислителей, например, марганцовки (KMnO₄). Однако, данный пример показывает, что при горении алканов могут образовываться вещества других классов, на данном примере – альдегид. Многие реакции неполного сгорания широко используются для получения некоторых веществ или газовых смесей. Горение метана при недостатке кислорода происходит по уравнениям:

2CH₄ + 3O₂ → 2CO + 4 H₂O

CH₄ + O₂→C + 2H₂O

Последняя реакция используется в промышленности для получения сажи из природного газа, содержащего 80–97% метана. Частичное окисление алканов при относительно невысокой температуре и с применением катализаторов сопровождается разрывом только части связей С–С и С–Н и используется для получения ценных продуктов: карбоновых кислот, кетонов, альдегидов, спиртов. Например, при неполном окислении бутана (разрыв связи С₂–С₃) получают уксусную кислоту:

CH₃ – CH₂ = CH₂ – CH₃ + 3O₂ → 2CH₃COOH + 2H₂O

Бутан уксусная кислота

Высшие алканы (n>25) под действием кислорода воздуха в жидкой фазе в присутствии солей марганца превращаются в смесь карбоновых кислот со средней длиной цепи С₁₂–С₁₈, которые используются для получения моющих средств и поверхностно-активных веществ. Важное значение имеет реакция взаимодействия метана с водяным паром, в результате которой образуется смесь оксида углерода (II) с водородом – «синтез-газ»:

Эта реакция используется для получения водорода. Синтез-газ служит сырьем для получения различных углеводородов.

Еще более убедительные результаты показывает процесс окисления целлюлозы. Как и в случае других органических соединений, окисление молекул целлюлозы происходит не полностью, и в зависимости от условий, протекает с преобладанием тех или иных факторов, приводящих к образованию тех или иных продуктов. Как и в других случаях, наибольший процент примесей в продуктах горения образуется при тлении. Процессы, происходящие при тлении подобны тем, которые происходят при длительном температурном воздействии на целлюлозу. Данный вопрос изучался при решении проблемы постепенного распада бумаги в трансформаторных катушках. Разумеется, температуры, действующие внутри трансформаторных катушек, значительно меньше температуры горения, однако, они достаточны для протекания как реакций термического разложения, так и окислительных процессов. Механизм разложения труден для понимания, и строгого представления о химии протекающих процессов не существует. Но в общем, его можно рассматривать, как совокупность процессов окисления и разложения.

Целлюлоза окисляется, и конечные продукты реакции окисления находятся в зависимости от природы окислителя, концентрации ионов водорода (рН) и температуры. Во всех случаях, направление реакции – это окисление гидроксильных групп до карбонильных (образование альдегидов) и карбонильных – до карбоксильных (образование кислот). В этом химическом процессе образуется вода. Соседство карбоксильных или карбонильных групп ослабляет гликозидную связь и может привести к разрыву цепи и дальнейшему окислению.

Нагревание целлюлозы в отсутствие воды и окислителя в пределах 200°С приводит к разрыву гликозидных связей и раскрытию глюкозидных колец. Продуктами такого термического воздействия являются глюкоза, вода, окислы углерода и органические кислоты. Основными в количественном отношении продуктами разложения при этом являются вода и окислы углерода. Присутствие воды и кислорода определяет и направление дальнейшего химического превращения образующихся из целлюлозы соединений. В присутствии избытка кислорода основным образующимся окислом углерода является двуокись. В случае преобладания гидролитического механизма распада целлюлозы часть образовавшейся глюкозы (или, точнее, её дегидратированной формы 1,6–ангидро-бета-D-глюкопиранозы, левоглюкозана) получает возможность за счёт дегидратации превратиться в соединения фуранового ряда, а другая часть окисляется до двуокиси углерода и воды.

Наиболее распространенные в быту горючие материалы

Парафин С₁₇Н₃₆

Крахмал C₆H₁₀O₂

Глюкоза C₆H₁₂O₆

C₆H₁₂O₆ + 6О₂ = 6СО₂+6Н₂О

C₆H₁₀O₂ + Н₂О = C₆H₁₂O₆

Натуральный каучук (–СН₂ – С = СН – СН₂ -)CH₃

Синтетический каучук (–СН₂ – СН = СН – СН₂ -)

Резина

Твердые жиры (состоят из триглицеридов предельных (твердых) кислот (искусственное сало)

СН₂ – O – СO – С₁₅ H₃₁

СН – O – СO – С₁₇ H₃₅

СН₂ – O – СO – С₁₇ H₃₃

Жиры жидкие (масла), состоят из триглицеридов непредельных (жидких) кислот

СН₂ – O – СO – (СН₂)₇– СН = СН – (СН₂)₇ – С H₃

СН – O – СO – (СН₂)₇– СН = СН – (СН₂)₇ – С H₃

СН₂ – O – СO – (СН₂)₇– СН = СН – (СН₂)₇ – С H₃

Спирты С₂Н₅ОН

Целлюлоза [C₆H₇O₂(OH)₃] n, n ≈100000

Фильтрация дыма через воду

Одним из распространенных способов очищения воздуха, позволяющих извлекать и использовать задержанные вещества, – является фильтрование через жидкую среду. Способ достаточно эффективен как для улавливания значительно концентрированных газов, так и для конденсации паров, поглощения твердых частиц. Механизм очистки воздуха при прохождении через воду не является до конца изученным. Он представляет собой совокупность нескольких процессов, одним из которых является диффузия на границе соприкосновения сред, другим – циркуляция воздуха за счет омывания водой. Кроме того, воздушные загрязнения по признаку «поведения» в атмосфере и при перемешивании с жидкостью, можно разделить на 4 основных группы. Это «газы», пары растворимых в воде веществ, пары нерастворимых веществ и твердые частицы.

Здесь под «газами» подразумеваются соединения, не способные конденсироваться в жидкое состояние (сжижаться) при температурах, близких к комнатной (-5ºС и далее). К ним относятся сероводород, аммиак, азот, кислород, хлор, углекислый, угарный, сернистый и др. газы. Под парами будет подразумеваться взвесь микроскопических капелек или отдельных молекул веществ в воздухе, способных конденсироваться при температурах, близких к комнатной. Это пары воды, спиртов, жиров, карбоновых кислот и т.д. Твердые частицы – пыль, копоть и так далее. Рассмотрим перемешивание с водой каждой из этих групп.

Пузырек, проходя через слои воды, интенсивно омывается жидкостью. В результате слои воздуха, прилегающие к поверхности раздела воздух-вода постоянно двигаются. Находящиеся непосредственно у поверхности раздела слои этих сред интенсивно перемешиваются. Легкие молекулы газов значительно подвижнее многоатомных органических молекул примесей и уж тем более массивных по сравнению с ними твердых частиц. Поэтому при интенсивном движении молекулы, состоящие из малого количества атомов имеют большие шансы изменить направление при встрече с границей раздела и направиться обратно в пузырек. Более массивные же молекулы и частицы, приближаясь к поверхности раздела не могут быстро изменить направление, и в результате – уходят в более плотную и вязкую среду – воду. Пары ведут себя подобно твердым частицам. Находясь в пузыре, часть микроскопических капелек за счет движения слоев воздуха, сливается друг с другом. При столкновении с поверхностью воды происходит слияние с ней и растворение в жидкости капелек растворимых веществ. Для микрокапель нерасворимых в воде веществ, столкновение с поверхностью раздела приводит к конденсации. Конденсировашиеся капельки поднимаются с пузырем и объединяются вблизи поверхности воды, образуя маслянистые пятна и парафиновые «айсберги». Эффективность этой отчистки зависит от отношения объема пузырька к площади его поверхности, а так же времени подъема.

Поднимаясь все ближе к поверхности, пузырек увеличивается в объеме, так как с уменьшением глубины, давление окружающей воды падает. Иными словами, отношение объема пузырька к его площади – увеличивается. Однако, внутренняя энергия сжатого газа при прочих равных условиях, возрастает при увеличении давления. Следовательно, выше и энергия движения частиц газа. Таким образом, вероятность перехода частиц из газа в воду для пузырька под бо́льшим давлением будет выше. Поэтому желательно, чтобы пузырьков образовывалось больше, а вот их начальные объемы были предельно малы, глубина подъема была так же больше. Этого можно добиться, если конец трубки перекрыть, а в нижней ее части сделать множество маленьких дырок, находящихся друг от друга сравнительно далеко. Последнее условие необходимо, чтобы, приближаясь к поверхности, пузырьки не сливались.

Подобный способ очистки давно применяется азиатскими курильщиками в кальяне. Табачный дым через трубку попадает в сосуд, наполненный водой, проходит через воду, при этом частично очищается. Из горлышка сосуда идет еще одна трубка, с помощью которой и затягивается курильщик.

Прохождение дыма через воду сокращает количество смол, дегтя и других веществ потенциально канцерогенного характера. Исследования показали, что фильтрование дыма через воду в кальяне сокращает содержание: никотина, фенолов на 90%, мелких твердых частиц на 50%, бензопирена, ароматических углеводородов полицикликена. Отмечается сокращение канцерогенного потенциала дыма, который пересек воду по сравнению с тем, который не прошел такой фильтрации. Дым от кальяна, лишенный таких веществ как акролеин и альдегиды, в отличие от сигаретного, не раздражает слизистых оболочек горла или носа курильщиков и лиц, находящихся поблизости от кальяна

Однако, установлено, что содержание в крови котонина повышено, по сравнению с курильщиками сигарет. На этом основании исследователи сделали вывод о том, что дым, проходя через воду, теряет концентрацию лишь некоторых из своих компонентов, иные же остаются примерно в том же составе.

По мере насыщения примесями, способность воды растворять новые порции постепенно снижается. При фильтрации дыма в воде концентрируются вещества, являющиеся растворителями для некоторых органических соединений. Например, спирты и кислоты растворяют жиры, некоторые углеводороды растворяются альдегидами и кетонами. Однако, взаимное сочетание всех этих соединений может снижать растворимость соединений других классов. Поэтому, вне зависимости от формирующегося состава, залогом высокой эффективности водной фильтрации является периодическая замена воды.

Дата добавления: 2019-07-15; просмотров: 184; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!