ГОРЕНИЕ, сложный физико-химический процесс превращения вещества; развивается в режиме прогрессирующего самоускорения, связанного с лавинообразным накоплением в реагирующей системе тепловой энергии и активных промежуточных частиц - атомов, свободных радикалов и др. Горение используется в энергетике при производстве теплоты, работе транспорта, реактивных двигателей, а также в технологических процессах и осуществляется главным образом в камерах сгорания двигателей, топках, печах. С явлением горения человек имеет дело при пожарах, производстве и использовании взрывчатых веществ.

Развитие представлений о горении связано с именами М. Фарадея (горение свечи), М. В. Ломоносова (соединение веществ с кислородом), горения Шталя (теория флогистона), В. А. Михельсона (теория скорости распространения пламени) и др. В разработку современной теории горения значительный вклад внесли российские учёные Н. Н. Семёнов, Я. Б. Зельдович, Д. А. Франк-Каменецкий и др.

В большинстве случаев в основе горения лежит реакция окисления, в которой в качестве так называемого горючего могут участвовать почти все органические и многие неорганические вещества, в качестве окислителя - кислород, озон, галогены, перхлораты, нитросоединения и пр. Например, наибольшее практическое значение имеют процессы горения углеводородных горючих (природного горючего газа, нефти, углей, торфа и пр.) в присутствии кислорода. В режиме горения происходят также некоторые другие реакции (например, разложения, прямого синтеза из элементов).

В реальных условиях помимо продуктов полного сгорания, не способных к дальнейшему горению (диоксида углерода, воды и пр.), образуются другие химические соединения, называемые продуктами неполного горения, в том числе монооксид углерода, оксиды азота, серы, альдегиды, кислоты, бенз[а]пирен. Именно они обусловливают вредность и токсичность выбросов, загрязняют среду обитания и в итоге создают для современного общества экологические проблемы. Многие специалисты полагают, что за счёт процессов организованного горения, главным образом в энергетике, сопровождающихся образованием диоксида углерода и других парниковых газов, происходит потепление климата. К ухудшению качества среды обитания приводят также лесные и торфяные пожары, пожары на складах, химических предприятиях (в том числе использующих технологии хлорорганического синтеза), в местах добычи и переработки нефти и на других пожаро- и взрывоопасных объектах. Например, при горении трансформаторных жидкостей, твёрдых бытовых отходов, полимерных материалов на основе поливинилхлорида происходит образование диоксинов и других суперэкотоксикантов и загрязнение ими окружающей среды.

Основными характеристиками горения являются теплота сгорания горючего вещества, а также адиабатическая температура (температура, которая теоретически могла бы быть достигнута при полном сгорании вещества без потерь теплоты) и скорость процесса. Химические превращения при горении сопровождаются интенсивным тепло- и массообменом с окружающей средой и характеризуются соответствующими гидро- и газодинамическими закономерностями. При горении происходит излучение света в разных диапазонах длин волн, но, как правило, яркое свечение пламенем наблюдается в видимой области. Полное описание процесса горения можно провести с использованием закономерностей макрокинетики.

Важнейшая особенность процесса горения - способность к распространению в пространстве. Различают дефлаграционное и детонационное горение. В первом случае (дефлаграция) распространение горения осуществляется за счёт теплопроводности путём передачи теплоты от горящего объёма в соседние участки смеси, во втором - зажигание и распространение горения происходит за счёт сжатия вещества ударной волной (горение взрывчатых веществ). В свою очередь, дефлаграционное горение подразделяют на ламинарное и турбулентное.

Обычно линейная скорость горения выражается через скорость перемещения фронта реакции (пламени), массовая скорость горения - как количество горючего, сгорающего в единицу времени. Скорость горения зависит от природы и состава горючей смеси, давления и пр. Например, при ламинарном горении углеводородных воздушных смесей скорость распространения пламени составляет в среднем 0,4-0,8 м/с. Распространение пламени в турбулентном потоке газа приводит к искажению фронта горения, расширению зоны протекания химических реакций, а следовательно, к ускорению горения. На скорость горения влияют степень и масштабы турбулентности.

По агрегатному состоянию окислителя и горючего горение разделяют на гомогенное и гетерогенное. Примером гомогенного горения является горение пламенем горючих газов, паров керосина, бензина, спирта в воздухе. При гетерогенном горении (в том числе тлении - беспламенном горения) реакция происходит на поверхности раздела фаз газ - твёрдое тело (металлы, уголь). Если окислитель и горючее предварительно смешаны между собой, то гомогенное горения происходит в кинетическом режиме. Так как температура горения намного выше температуры кипения жидкостей и температуры возгонки некоторых твёрдых веществ, то их горение протекает в гомогенной смеси, а если горючее и окислитель заранее не смешаны, то в диффузионном режиме. Для газовых систем возможны как кинетический, так и диффузионный режимы горения. Определяющая роль разветвлённого цепного механизма процессов газофазного горения позволяет управлять этими процессами путём варьирования скоростей разветвления и обрыва цепей с помощью химически активных примесей.

Для любого вида горения характерны стадия воспламенения и последующий период устойчивого горения вещества с образованием продуктов полного и неполного горения. Различают два способа теплового воспламенения: самовоспламенение и зажигание. При самовоспламенении процесс происходит во всём объёме горючей смеси. При зажигании (вынужденном воспламенении) нагрев системы или накопление активных центров происходит вблизи источника зажигания (искра, пламя, нагретое тело). Температура воспламенения зависит от давления, состава горючего и прочих параметров и для большинства органических веществ находится в интервале 500-800 К.

Существуют критические предельные параметры горения, и вне этих пределов горения (как самопроизвольно протекающий процесс) невозможно. Этими параметрами для каждой горючей смеси являются соотношение объёмов горючего и окислителя, температура, давление, содержание примесей, в том числе концентрация в горючей смеси флегматизаторов (СО 2 , N 2 , Ar и др.) и ингибиторов (С 2 F 4 Br 2 , CH 2 CI 2 F 2 и др.), и пр. Для газов обычно указывают концентрационные, для жидкостей и твёрдых веществ - температурные пределы горения.

Выяснение законов горения и установление критических параметров воспламенения, развития и прекращения процесса горения - необходимое условие управления процессами горения, используемыми в различных сферах человеческой деятельности, обеспечения пожаро- и взрывобезопасности технологических процессов и объектов.

Лит.: Зельдович Я. Б. Теория горения и детонации газов. М.; Л., 1944; Иост В. Взрывы и горение в газах. М., 1952; Семенов Н. Н. О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной способности. М., 1954; Хитрин Л. Н. Физика горения и взрыва. М., 1957; Кнорре Г. Ф. Топочные процессы. 2-е изд. М.; Л., 1959; Гейдон А. Г., Вольфгард Х. Пламя, его структура, излучение и температура. М., 1959; Вильямс Ф. А. Теория горения. М., 1971; Математическая теория горения и взрыва. М., 1980; Lewis В., Elbe G. von. Combustion, flames and explosions of gases. 3rd ed. Orlando, 1987; Франк-Каменецкий Д. А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. 3-е изд. М., 1987; Denisov Е. Т., Azatyan V. V. Inhibition of chain reactions. L., 2000; Исаева Л. К. Пожары и окружающая среда. М., 2001.

Всем нам практически ежедневно приходится сталкиваться с тем или иным проявлением процессом горения. В нашей статье мы хотим более подробно рассказать какие особенности включает в себя данный процесс с научной точки зрения.

Является основной составляющим процессом на пожаре. Пожар начинается с возникновения горения, его интенсивность развития как правило путь пройденный огнем, то есть скорость горения, а тушение заканчивается прекращением горения.

Под горением обычно понимают экзотермическую реакцию между горючим и окислителем, сопровождающуюся, по крайней мере, одним из трех следующих факторов: пламенем, свечением, дымообразованием. Из-за сложности процес­са горения указанное определение не является исчерпывающим. В нем не учтены такие важнейшие особенности горения, как быстрое протекание лежащей в его основе экзотермической реакции, ее самоподдерживающийся характер и способность к самораспространению процесса по горючей смеси.

Различие между медленной экзотермической окислительно-вос­становительной реакцией (коррозия железа, гниение) и горением заключается в том, что последняя протекает настолько быстро, что теплота производится быстрее, чем рассеивается. Это приводит к по­вышению температуры в зоне реакции на сотни и даже тысячи гра­дусов, к видимому свечению и образованию пламени. По сути так образуется пламенное горение.Если происходит выделение тепла но пламя при это отсутствует, то этот процесс называется тлением.И в том и в другом процессе происходит – аэрозоля полного или неполного сгорания ве­ществ. Стоит отметить, что при горении некоторых веществ пламени не видно, а также отсутствует и выделение дыма, к таким веществам относится водород. Слишком быстрые реакции (взрывчатое пре­вращение) также не входят в понятие горения.

Необходимым условием для возникновения горения является на­личие горючего вещества, окислителя (при пожаре его роль выпол­няет кислород воздуха) и источника зажигания. Для непосредственно­го возгорания необходимо наличие критических условий по составу горючей смеси, геометрии и температуре горючего материала, давле­нию и др. После возникновения горения в качестве источника зажи­гания выступает уже само пламя или зона реакции.

Например, метан способен окисляться кислородом с выделением тепла до метилового спирта и муравьиной кислоты при 500-700 К. Однако, чтобы реакция продолжилась, необходимо пополнение теп­лоты за счет внешнего подогрева. Горением это не является. При на­гревании реакционной смеси до температуры выше 1000 К скорость окисления метана возрастает настолько, что выделяющегося тепла становится достаточно для дальнейшего продолжения реакции, необ­ходимость в подводе теплоты извне исчезает, начинается горение. Та­ким образом, реакция горения, возникнув, способна сама себя поддер­живать. Это главная отличительная особенность процесса горения. Другая, связанная с ней особенность - способность пламени, являю­щегося зоной химической реакции, самопроизвольно распростра­няться по горючей среде или горючему материалу со скоростью, оп­ределяемой природой и составом реакционной смеси, а также услови­ями процесса. Это основной механизм развития пожара.

Типичная модель горения построена на реакции окисления органических веществ или углерода кислородом воздуха. Множество физических и химических процессов сопровождают горение. Физика это перенос тепла в систему. Окислительные и восстановительные реакции это составляющая природы горения со стороны химии. Отсюда из понятия горение вытекают самые разные химические превращения, включая разложение исходных соединений, диссоциации и ионизации продуктов.

Совокупность горючего вещества или материала с окислителем представляет собой горючую среду. В результате разложения горю­чих веществ под воздействием источника зажигания происходит об­разование газопаровоздушной реакционной смеси. Горючие смеси, которые по составу (соотношению компонентов горючего и окисли­теля) отвечают уравнению химической реакции, называются смесями стехиометрического состава. Они наиболее опасны в пожарном от­ношении: легче воспламеняются, интенсивнее горят, обеспечивая полное сгорание вещества, в результате чего выделяют максималь­ное количество теплоты.

Рис. 1. Формы диффузионных пламен

а – горение реактивной струи, б – горение разлитой жидкости, в – горение лесной подстилки

По соотношению количества горючего материала и объема окислителя различают бедные и богатые смеси: бедные содержат в изобилии окислитель, богатые - горючий материал. Минимальное количество окислителя, необходимое для полного сгорания единицы массы (объема) того или иного горю­чего вещества, определяется по уравнению химической реакции. При горении с участием кислорода требуемый (удельный) расход воздуха для большинства горючих веществ находится в пределах 4-15 м 3 /кг. Горение веществ и материалов возможно только при обусловленном содержании в воздухе их паров или газообразных продуктов, а также при концентрации кислорода не ниже заданного предела.

Так, для картона и хлопка самопотухание наступает уже при 14 об. % кис­лорода, а полиэфирной ваты - при 16 об. %. В процессе горения, как и в других химических процессах, обяза­тельны два этапа: создание молекулярного контакта между реаген­тами и само взаимодействие молекул горючего с окислителем с об­разованием продуктов реакции. Если скорость превращения исход­ных реагентов определяется диффузионными процессами, т.е. ско­ростью переноса (пары горючих газов и кислорода переносятся в зону реакции за счет градиента концентраций в соответствии с зако­нами диффузии Фика), то такой режим горения называется диффу­зионным. На рис. 1 приведены различные формы диффузионных пламен. При диффузионном режиме зона горения размыта, и в ней образуется значительное количество продуктов неполного сгора­ния. Если же скорость горения зависит только от скорости химиче­ской реакции, которая значительно выше скорости диффузии, то режим горения называется кинетическим. Ему свойственны более высокие скорости и полнота сгорания и как следствие высокие ско­рости тепловыделения и температура пламени. Этот режим имеет место в предварительно перемешанных смесях горючего и окисли­теля. Отсюда, если реагенты в зоне химической реакции находятся в одинаковой (обычно газовой) фазе, то такое горение называют го­могенным, при нахождении горючего и окислителя в зоне реакции в разных фазах - гетерогенным. Гомогенным является горение не только газов, но и , а также большинства твердых . Объясняется это тем, что в зоне реакции горят не сами материалы, а их пары и газообразные продукты разложе­ния. Наличие пламени является отличительным признаком гомоген­ного горения.

Примерами гетерогенного горения служат горение углерода, уг­листых остатков древесины, нелетучих металлов, которые даже при высоких температурах остаются в твердом состоянии. Химическая реакция горения в этом случае будет происходить на поверхности раздела фаз (твердой и газообразной). Отметим, что конечными про­дуктами горения могут быть не только оксиды, но и фториды, хлори­ды, нитриды, сульфиды, карбиды и др.

Характеристики процесса горения разнообразны. Их можно подразделить на следующие группы: форма, размер и структура пламе­ни; температура пламени, его излучательная способность; тепловы­деление и теплота сгорания; скорость горения и концентрационные пределы устойчивого горения и др.

Всем известно, что при горении образуется свечение которое сопровождает продукта горения.

Рассмотрим две системы:

• газообразная система
• конденсированная система

В первом случае при возникновении горения весь процесс будет происходить в пламени, во втором же случае часть реакций будет происходить в самом материале, либо его поверхности. Как упоминалось выше существуют газы которые могут гореть без пламени, но если рассматривать твердые вещества существуют также группы металлов которые также способны гореть без проявления пламени.

Часть пламени с максимальным значением, где происходят интенсивные превращения, называется фронтом пламени.

Теплообменные процессы и диффузия активных частиц из зоны горения которые являются ключевыми механизмами движения фронта пламени по горючей смеси.

Скорость распространения пламени принято разделять на:

• дефлаграционное (нормальное), протекаю­щее с дозвуковыми скоростями (0,05-50 м/с)
• детонационное, ког­да скорости достигают 500-3000 м/с.

Рис. 2. Ламинарное диффузионное пламя

В зависимости от характера скорости движения газового потока, создающего пламя, различают ламинар­ные и турбулентные пламена. В ламинарном пламени движение газов происходит в разных слоях, все процессы тепло-, массоообмена происходят путем мо­лекулярной диффузии и конвекции. В турбулентных пламенах про­цессы тепло-, массообмена осуществляются в основном за счет мак­роскопического вихревого движения. Пламя свечи - пример лами­нарного диффузионного пламени (рис. 2). Любое пламя высотой более 30 см будет уже обладать случайной газовой механической не­устойчивостью, которая проявляется видимыми завихрениями дыма и пламени.

Рис. 3. Переход ламинарного потока в турбулентный

Очень наглядным примером перехода ламинарного потока в тур­булентный является струйка сигаретного дыма (рис. 3), которая, поднявшись на высоту около 30 см, приобретает турбулентность.

При пожарах пламена имеют диффузионный турбулентный ха­рактер. Присутствие турбулентности в пламени усиливает перенос тепла, а смешивание влияет на химические процессы. В турбулент­ном пламени выше также скорости горения. Это явление делает затруднительным перенос поведения мелкомасштабных пламен на крупномасштабные, имеющих большую глубину и высоту.

Экспериментально доказано, что температура горения веществ в воздухе гораздо ниже температуры горения в атмосферной кислородной среде

В воздухе температура будет колебаться от 650 до 3100 °С, а в кислородной показатели температуры возрастут на 500-800 °С.

Многим известно, что смерть во время пожара наступает чаще из-за отравления продуктами горения, нежели от термического воздействия. Но отравиться можно не только во время пожара, но и в повседневной жизни. Возникает вопрос о том, какие существуют виды продуктов горения и при каких условиях они образуются? Давайте попробуем в этом разобраться.

Что такое горение и его продукт?

Бесконечно можно смотреть на три вещи: как течет вода, как работают другие люди и, конечно, как горит огонь...

Горение - это физико-химический процесс, основой которого является окислительно-восстановительная реакция. Сопровождается она, как правило, выбросом энергии в виде огня, тепла и света. В этом процессе принимают участие вещество или смесь веществ, которые горят, - восстановители, а также окислитель. Чаще всего эта роль принадлежит кислороду. Горение также можно назвать процессом окисления горящих веществ (важно помнить, что горение - подвид реакций окисления, а не наоборот).

Продукты горения - это все то, что выделяется во время сжигания. Химики в таких случаях говорят: "Все, что находится в правой части уравнения реакции". Но это выражение неприменимо в нашем случае, так как, кроме окислительно-восстановительного процесса, происходят также и а некоторые вещества просто остаются неизменными. То есть продуктами горения являются дым, зола, копоть, выделяемые газы, в том числе и выхлопные. Но особым продуктом является, конечно, энергия, которая, как отмечено в прошлом абзаце, выбрасывается в виде тепла, света, огня.

Вещества, выделяемые во время горения: оксиды углерода

Существует два оксида углерода: CO 2 и CO. Первый носит название углекислый газ (углекислота, оксид углерода (IV)), так как представляет собой бесцветный газ, состоящий из углерода, полностью окисленного кислородом. То есть углерод в данном случае имеет максимальную степень окисления - четвертую (+4). Этот оксид является продуктом горения абсолютно всех органических веществ, если те во время горения находятся в избытке кислорода. Кроме того, углекислота выделяется живыми существами при дыхании. Сам по себе он не опасен, если его концентрация в воздухе не превышает 3 процентов.

Оксид углерода (II) (окись углерода) - CO - это ядовитый газ, в молекуле которого углерод находится в степени окисления +2. Именно поэтому это соединение может "догорать", то есть продолжать реакцию с кислородом: СО+О 2 =СО 2 . Главной опасной особенностью этого оксида является его невероятно большая, по сравнению с кислородом, способность присоединяться к эритроцитам. Эритроциты - красные клетки крови, задачей которых является транспортировка кислорода от легких к тканям и наоборот, углекислого газа к легким. Поэтому главная опасность окиси в том, что она мешает переносу кислорода к различным органам тела человека, тем самым вызывая кислородное голодание. Именно СО чаще всего вызывает отравление продуктами горения при пожаре.

Оба оксида углерода не имеют ни цвета, ни запаха.

Вода

Всем известная вода - Н 2 О - также выделяется во время горения. При температуре горения продукты выделяются в А вода как пар. Вода является продуктом горения газа метана - СН 4 . Вообще, вода и углекислота , опять все зависит от количества кислорода) в основном выделяются при полном сгорании всех органических веществ.

Сернистый газ, сероводород

Сернистый газ также является оксидом, но на этот раз серы - SO 2 . Он имеет большое количество названий: двуокись серы, диоксид серы, сернистый ангидрид, оксид серы (IV). Представляет собой этот продукт горения бесцветный газ, с резким запахом подожженной спички (он при ее возгорании и выделяется). Выделяется ангидрид при горении серы, серосодержащих органических и неорганических соединений, например, сероводорода (Н 2 S).

При попадании на слизистую глаз, носа или рта человека двуокись легко реагирует с водой, образуя сернистую кислоту, которая легко разлагается обратно, но при этом успевает раздражать рецепторы, спровоцировать воспалительные процессы дыхательных путей: H 2 O+SO 2 ⇆H 2 SO 3 . Этим обусловлена токсичность продукта горения серы. Сернистый газ, так же как и угарный, может гореть - окисляться до SO 3 . Но происходит это при очень высокой температуре. Данное свойство используется при производстве серной кислоты на заводе, так как SO 3 реагирует с водой, образует H 2 SO 4 .

А вот сероводород выделяется при термическом разложении некоторых соединений. Этот газ также ядовит, имеет характерный запах тухлых яиц.

Цианистый водород

Тогда Гиммлер сжал челюсти, раскусил ампулу с цианистым калием и через несколько секунд умер.

Цианистый калий - сильнейший яд - соль также известной как цианистый водород - HCN. Это бесцветная жидкость, но очень летучая (легко переходящая в газообразное состояние). То есть при горении она тоже будет выделяться в атмосферу в виде газа. Синильная кислота очень ядовита, даже небольшая - 0,01 процент - концентрация в воздухе приводит к летальному исходу. Отличительной чертой кислоты является характерный запах горького миндаля. Аппетитно, не правда ли?

Но синильной кислоте присуща одна "изюминка" - отравиться ей можно, не только вдыхая непосредственно органами дыхания, но и через кожу. Так что защититься только противогазом не получится.

Акролеин

Пропеналь, акролеин, акрилальдегид - все это названия одного вещества, ненасыщенного альдегида акриловой кислоты: СН2=СН-СНО. Этот альдегид тоже является сильно летучей жидкостью. Акролеин бесцветен, с резким запахом, очень ядовит. При попадании жидкости или ее паров на слизистые, особенно в глаза, вызывает сильное раздражение. Пропеналь является высокореакционным соединением, и это объясняет его высокую токсичность.

Формальдегид

Подобно акролеину, формальдегид принадлежит к классу альдегидов и является альдегидом муравьиной кислоты. Также это соединение известно как метаналь. бесцветный газ с резким запахом.

Чаще всего во время горения веществ, содержащих азот, выделяется чистый азот - N2. Этот газ и так содержится в атмосфере в большом количестве. Азот может быть примером продукта горения аминов. Но при термическом разложении, к примеру, солей аммония, а в некоторых случаях и при самом горении, в атмосферу выбрасываются и его оксиды, со степенью окисления азота в них плюс один, два, три, четыре, пять. Оксиды - газы, имеют бурый цвет и чрезвычайно токсичны.

Пепел, зола, копоть, сажа, уголь

Копоть, или сажа - остатки углерода, который не вступил в реакцию, по разным причинам. Сажу называют также амфотерным углеродом.

Зола, или пепел - мелкие частицы неорганических солей, не сгоревших или не разложившихся при температуре горения. При выгорании топлива эти микросоединения переходят во взвешенное состояние или скапливаются внизу.

А уголь - это продукт неполного сгорания дерева, то есть не сгоревшие его остатки, но при этом еще способные гореть.

Конечно, это далеко не все соединения, которые выделятся при сгорании тех или иных веществ. Перечислить их всех нереально, да и не нужно, потому что другие вещества выделяются в ничтожно малых количествах, и только при окислении определенных соединений.

Прочие смеси: дым

Звезды, лес, гитара... Что может быть романтичней? А не хватает одного из самых главных атрибутов - костра и струйки дыма над ним. А что такое дым?

Дым - это некая смесь, которая состоит из газа и взвешенных в нем частиц. В роли газа выступают пары воды, угарный и углекислый газ и другие. А твердыми частицами являются пепел и просто не сгоревшие остатки.

Выхлопные газы

Большинство современных машин работает на двигателе внутреннего сгорания, то есть для движения используется энергия, получающаяся при сгорании топлива. Чаще всего это бензин и другие нефтепродукты. Но при выгорании в атмосферу выбрасывается большое количество отходов. Это и есть выхлопные газы. Они высвобождаются в атмосферу в виде дыма из выхлопных труб автомобиля.

Большую часть от их объема занимает азот, а также вода, углекислота. Но также выбрасываются и токсичные соединения: угарный газ, оксиды азота, не сгоревшие углеводороды, а также сажа и бензпирен. Последние два являются канцерогенами, то есть повышают риск развития рака.

Особенности продуктов полного окисления (в данном случае горения) веществ и смесей: бумага, сухая трава

При сгорании бумаги выделяется в основном также углекислый газ и вода, а при недостатке кислорода - угарный газ. Кроме того, бумага в своем составе содержит склеивающие вещества, которые могут выделяться и концентрироваться, и смолы.

Та же ситуация происходит и при сгорании сена, только без склеивающих веществ и смолы. В обоих случаях дым белый с желтым оттенком, со специфическим запахом.

Древесина - дрова, доски

Древесина состоит из органических веществ (в том числе серо- и азотсодержащих) и небольшого количества минеральных солей. Поэтому при ее полном сгорании выделяются углекислота, вода, азот и сернистый газ; образуется серый, а иногда черный дым со смолистым запахом, пепел.

Сера и азотсодержащие вещества

Про токсичность, продукты горения этих веществ мы уже говорили. Стоит отметить еще, что при горении серы выделяется дым с серовато-серым цветом и резким запахом сернистого газа (так как именно двуокись серы и выделяется); а при горении азотистых и других азотсодержащих веществ желто-бурый, с раздражающим запахом (но дым появляется не всегда).

Металлы

При горении металлов образуются оксиды, пероксиды или надпероксиды этих металлов. Кроме того, если металл содержал какие-то органические или неорганические примеси, то образуются продукты горения этих примесей.

Но особенность горения имеет магний, так как горит он не только в кислороде, как другие металлы, но и в углекислом газе, образуя при этом углерод и оксид магния:2 Mg+CO 2 =C+2MgO. Дым образуется белый, без запаха.

Фосфор

При горении фосфора выделяется белый дым, пахнущий чесноком. При этом образуется оксид фосфора.

Резина

И, конечно, резина. Дым от горящей резины - черный, из-за большого количества сажи. Кроме того, выделяются продукты горения органических веществ и оксид серы, а благодаря ему дым приобретает сернистый запах. Также выделяются тяжелые металлы, фуран и другие токсичные соединения.

Классификация отравляющих веществ

Как вы, наверное, уже могли заметить, большинство продуктов горения являются отравляющими веществами. Поэтому, говоря об их классификации, будет правильным разобрать и классификацию отравляющих веществ.

В первую очередь, все отравляющие вещества - далее ОВ - делятся на смертельные, временно выводящие из строя и раздражающие. Первые делят на ОВ поражающие нервную систему (Ви-Икс), удушающие (угарный газ), кожно-нарывные (иприт) и обще-ядовитые (цианистый водород). К примерам временно выводящих из строя ОВ можно отнести Би-Зет, а раздражающим - адамсит.

Объем

Теперь поговорим про те вещи, про которые нельзя забывать, говоря о продуктах, выбрасываемых при сгорании.

Объем продуктов горения - важная и очень полезная информация, которая, например, поможет определить уровень опасности сгорания того или иного вещества. То есть, зная объем продуктов, можно определить количество вредных соединений, входящих в состав выделившихся газов (как вы помните, большинство продуктов - газы).

Чтобы рассчитать искомый объем, в первую очередь нужно знать, был ли избыток или недостаток окислителя. Если, допустим, кислород содержался в избытке, то вся работа сводится к тому, чтобы составить все уравнения реакции. Следует помнить, что топливо, в большинстве случаев, содержит примеси. После высчитывается по закону сохранения массы количество вещества всех продуктов горения и, учитывая температуру и давление, по формуле Менделеева-Клапейрона, находится сам объем. Конечно, для ничего не смыслящего в химии человека все выше перечисленное выглядит страшно, но на самом деле ничего трудного нет, надо только разобраться. Подробнее на этом останавливаться не стоит, так как статья не об этом. При недостатке кислорода увеличивается сложность расчета - меняются уравнения реакций и сами продукты горения. Кроме того, сейчас используются более сокращенные формулы, но для начала лучше считать представленным способом (если это требуется), чтобы понять смысл вычислений.

Отравление

Некоторые вещества, выбрасываемые в атмосферу при окислении горючего, токсичны. Отравление продуктами горения - вполне реальная угроза не только при пожаре, но и в автомобиле. Кроме того, вдыхание или другой способ попадания некоторых из них не приводит к мгновенному негативному результату, а напомнит об этом через некоторое время. К примеру, так ведут себя канцерогены.

Естественно, каждому нужно знать правила, предотвращающие негативные последствия. В первую очередь, это правила противопожарной безопасности, то есть то, что каждому ребенку рассказывают с самого раннего детства. Но, почему-то, часто бывает, что и взрослые, и дети просто забывают их.

Правила оказания первой помощи при отравлении многим тоже, скорее всего, знакомы. Но на всякий случай: самое главное, вынести отравившегося человека на свежий воздух, то есть отгородить от дальнейшего попадания токсинов в его организм. Но и нужно помнить, что существуют методы защиты от продуктов горения органов дыхания, поверхности тела. Это защитный костюм пожарных, противогазы, кислородные маски.

Защита от токсичных продуктов горения очень важна.

Использование в личных целях человека

Тот момент, когда люди научились использовать огонь в своих целях, стал, несомненно, переломным в процессе развития всего человечества. К примеру, одни из самых главных его продуктов - тепло и свет - использовались (и используются до сих пор) человеком при приготовлении пищи, освещении и согревании в холодное время. Уголь в древности использовался как чертежный инструмент, а сейчас, например, как лекарство (активированный уголь). То, что оксид серы используется при приготовлении кислоты, также отмечалось, таким же образом используется и оксид фосфора.

Вывод

Стоит отметить, что все рассказанное здесь - лишь общие сведения, представленные для ознакомления с вопросами о продуктах горения.

Хочется сказать, что соблюдение правил безопасности и разумное обращение как с самим процессом горения, так и с его продуктами, позволит использовать их с пользой.

Горение древесины представляет собою окисление составных частей ее до углекислого газа СO 2 и воды Н 2 О.

Для осуществления этого процесса необходимо достаточное количество окислителя (кислорода) и нагревание древесины до определенной температуры.

При нагревании без доступа кислорода происходит термическое разложение древесины (пиролиз), в результате чего образуются уголь, газы, вода и летучие органические вещества.

В соответствии с теорией, развитой Г. Ф. Кнорре и другими учеными, горение древесины можно представить следующим образом.

В начале нагревания из древесины испаряется влага. В дальнейшем происходит термическое разложение составных частей ее. Составные части древесины в значительной степени окислены, поэтому они распадаются при невысокой температуре. Образование летучих веществ, достигает максимума (до 85% к весу начинается около 160° и сухой древесины) при 300°.

Продукты первичного распада древесины в результате сложных окислительных и восстановительных процессов переходят, в газообразное состояние, в котором они могут легко перемешиваться с молекулами кислорода, образуя горючую смесь, воспламеняющуюся при определенных условиях (избыток кислорода, достаточно высокая температура). В зависимости от качественного состояния древесина воспламеняется при 250-350°.

Газифицированные продукты горят во внешней кромке пламени, внутри же пламени летучие продукты пиролиза древесины превращаются в газообразное состояние.

Свечение пламени вызывается раскаленными частицами углерода, сгорающими в СО 2 во внешней его кромке при избытке кислорода. Наоборот, при недостатке кислорода, когда температура сравнительно невелика, пламя имеет красноватый цвет, при этом за счет несгоревших частиц углерода выделяется значительное количество копоти.

Чем больше подача кислорода, тем выше температура, больше и ярче пламя.

Внешний вид пламени также зависит от состава древесины и в первую очередь от содержания углеводородов и смол. Больше всего смол в сосновых деревьях, и березе, при горении которых образуется густое, яркое пламя. Пламя осины, летучие вещества которой содержат больше окиси углерода и меньше углеводородов, невелико, прозрачно, имеет синеватый оттенок. При горении ольхи, содержащей мало смол, также образуется более короткое и прозрачное пламя.

Последовательность термического разложения опилок при образовании коптильного дыма можно условно представить следующими этапами.

На первом этапе очередная «свежая» частица древесных опилок под воздействием горячей смеси паров и газов и теплового излучения соседних горящих частиц прогревается до 150-160°. В этот период в основном испаряется влага, заметного уменьшения объема частицы не наблюдается.

В последующие этапы температура частицы также повышается, вследствие чего происходит термическое разложение органической массы древесной частицы и воспламенение части газифицированных продуктов пиролиза с выделением тепла; часть же летучих веществ вместе с некоторым количеством несгоревшего углерода (сажи) увлекается конвекционными токами вверх, образуя дым. В конце процесса разложения древесины и выделения летучих соединений заметно уменьшаются размеры частицы.

Уголь (твердый углерод), образовавшийся в процессе термического разложения древесных опилок, нагревается теплом, выделяемым при окислении части летучих соединений и начинает реагировать с углекислотой и кислородом:

C + CO 2 → 2CO

2CO + O 2 → 2CO 2

При этом образуется небольшое, полупрозрачное синеватое пламя горения окиси углерода.

Объем частицы продолжает сокращаться; на заключительном этапе образуется зола. Под действием выделяющегося тепла начинает прогреваться следующая «свежая» частица древесных опилок.

Механизм и химизм сгорания древесины в виде поленьев дров, щепок или кучи опилок одинаков. Имеются отличия в количественной и качественной сторонах процесса собственно горения, т. е. окисления органических соединений кислородом при использовании дров или опилок.

Здесь мы сталкиваемся с понятиями так называемого полного и неполного горения. При полном горении летучие, паро- и газообразные вещества полностью окисляются (или сгорают) до углекислого газа и паров воды.

Примером полного горения может служить реакция окисления одного из компонентов коптильного дыма - метилового спирта СН 3 ОН:

СН 3 ОН + O 2 → CO 2 + 2H 2 O

Аналогично могут протекать реакции, окисления и других органических соединений, возникающих при термическом разложении древесины.

В результате полного горения образуется парогазовая смесь, которая состоит из углекислого газа и паров воды, не содержит коптильных компонентов и не представляет ценности для копчения.

Чтобы получить дым, пригодный для коптильного производства, необходимо создать условия неполного горения древесины. Для этого, например, сверху на дрова помещают слой увлажненных опилок, в результате чего зона и интенсивность горения значительно уменьшаются. При неполном горении летучие органические вещества окисляются лишь частично, а дым насыщается коптильными компонентами.

Глубина окисления продуктов пиролиза древесины зависит от количества кислорода, а также от температуры горения и скорости отвода летучих веществ из зоны горения.

При недостатке кислорода окисление летучих веществ, на пример метилового спирта, протекает по следующей реакции:

2СН 3 ОН + O 2 → 2C + 4H 2 O

Несгоревшие частички углерода, выйдя из зоны пламени, быстро охлаждаются и образуют вместе с другими, не окисленными до конца продуктами разложения древесины дым. Часть их оседает на стенках коптильных камер в виде копоти (сажи). При недостаточно хорошей изоляции коптильных камер на стенках их оседают также сконденсированные парообразные летучие вещества дыма (смола, деготь).

При более глубоком, но также неполном окислении горючих веществ образуется окись углерода:

СН 3 ОН + O 2 → CO + 2H 2 O

Таким образом, количество кислорода - один из самых существенных факторов, влияющих на химический состав дыма, в частности на изменение содержания в нем метилового спирта, формальдегида и муравьиной кислоты. Так, при ограниченном доступе воздуха в зону горения из метилового спирта образуется муравьиный альдегид:

СН 3 ОН + O 2 → CH 2 O + 4H 2 O

При поступлении большего количества воздуха, а, следовательно, и кислорода образовавшийся формальдегид окисляется до муравьиной кислоты:

2СН 2 О + O 2 → 2CHOOH

При избытке воздуха муравьиная кислота полностью окисляется до углекислого газа и воды:

2СНOOH + O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O

При горении других продуктов пиролиза в зависимости от степени окисления аналогично образуются органические вещества, влияющие на состав дыма.

От количества кислорода, поступающего в сгорающий слой, зависит также температура горения. В обычных условиях древесина в виде поленьев не может сгорать без пламени, а, следовательно, без выделения тепла. В этом случае окисляется значительно большее количество веществ, образующихся из органической массы древесины, чем при сгорании (тлении) опилок. Поэтому значительная часть летучих веществ при сжигании дров не используется для копчения, а коптильный дым по составу уступает дыму, полученному при медленном сгорании опилок. При засыпке горящих дров влажными опилками увеличивается количество дыма, но и в этом случае дрова расходуются неэкономично.

Температурный режим естественного сгорания (тления) опилок значительно мягче по сравнению со сгоранием дров. При горении угля, оставшегося после выделения летучих веществ, образуется небольшое пламя. Полученное тепло расходуется главным образом на нагревание соседних слоев опилок, которые подвергаются термическому разложению без доступа кислорода, так как воздух оттесняется парами и газами горящего слоя.

Сгорание протекает медленно. Значительная часть продуктов термического разложения не окисляется в пламени, поэтому конвекционными потоками отводится сравнительно много летучих веществ.

Примером неполного сгорания опилок может служить сжигание их при нефорсированной нижней подаче воздуха. В этом случае сгорает полностью только нижний слой опилок. Горячие газы и пары вытесняют воздух и нагревают верхние слои опилок, что приводит к сухой перегонке древесины, в результате которой образуются уголь, газы, вода и органические соединения. При равномерном поступлении свежих опилок сверху горит только нижний слой угля, образующегося в результате сухой перегонки вышележащего слоя. При этом получается дым более насыщенный летучими органическими соединениями.

Лучшим способом получения дыма, богатого коптильными компонентами, является образование его в дымогенераторах, работающих на опилках с подогревом коптильной среды газом, глухим паром или электричеством, и во фрикционных дымогенераторах. В этом случае получается дым с повышенным содержанием летучих органических соединений, что обусловлено низкими температурами образования дыма и незначительным окислением первичных продуктов распада древесины.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter .