燃烧及燃烧理论.pptx
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1、1.2.1 燃烧素学说燃烧素学说也简称为燃素学说,它认为可燃烧的物质中含有“燃烧素燃烧素”,燃烧时燃烧素就从物质中逸出,燃烧素没有了,火焰就熄灭了,燃烧素是构成火微粒的元素,或者说火是由无数细小、活跃的火微粒构成的物质实体。1第1页/共93页由于没有办法通过试验来证实“燃烧素”的存在,更不能说明其是由什么成分构成的。尽管18世纪以前燃烧素学说在欧洲很盛行,但燃烧素不是在科学的基础上提出来的,许多现象不能解释,所以燃烧素学说没有被人们长时间地普遍接受。2第2页/共93页1.2.2 燃烧的氧学说燃烧的氧学说18世纪末,法国化学家拉瓦锡在他人发现氧气存在的基础上,做世纪末,法国化学家拉瓦锡在他人发现
2、氧气存在的基础上,做了大量有关与氧发生化学反应的试验,了大量有关与氧发生化学反应的试验,认为燃烧是氧气认为燃烧是氧气与可燃物之间发生的化学反应,反应过程与可燃物之间发生的化学反应,反应过程中同时发出光和热。中同时发出光和热。这就是燃烧的氧学说,认为这就是燃烧的氧学说,认为燃燃燃燃烧的本质是可燃物与氧气之间发生的氧化还原烧的本质是可燃物与氧气之间发生的氧化还原烧的本质是可燃物与氧气之间发生的氧化还原烧的本质是可燃物与氧气之间发生的氧化还原反应反应反应反应,可燃物中根本不存在,可燃物中根本不存在“燃烧素燃烧素”这种物质。燃烧的氧学这种物质。燃烧的氧学说的出现宣告了燃烧素学说的破灭,是对燃烧科学发展
3、的重大贡说的出现宣告了燃烧素学说的破灭,是对燃烧科学发展的重大贡献。献。3第3页/共93页1.2.3 燃烧的分子碰撞理论燃烧的分子碰撞理论燃烧的分子碰撞理论认为,可燃物与助燃物之间发生的氧化反应也是由两种气体分子的互相碰撞而引起的。4第4页/共93页在标准状况下,在标准状况下,l dm3体积内分子互相碰撞的体积内分子互相碰撞的概率约为概率约为1028次次s,但不会自行着火,可见但不会自行着火,可见不能完全用分子碰撞次数的多少来解释着火现不能完全用分子碰撞次数的多少来解释着火现象。象。不能解释的问题:可燃的气体(或蒸气)分子在空气中不能自发可燃的气体(或蒸气)分子在空气中不能自发发生燃烧;发生燃
4、烧;氢气与氯气的混合物在避光的常温容器中也察氢气与氯气的混合物在避光的常温容器中也察觉不到化学反应;觉不到化学反应;可燃固体长期暴露在空气中也不能自发着火。可燃固体长期暴露在空气中也不能自发着火。5第5页/共93页1.2.4 活化能理论活化能理论相互靠近的分子之间会产生一定的相互靠近的分子之间会产生一定的排斥力排斥力排斥力排斥力,阻,阻止分子之间直接碰撞,没有足够能量的分子不止分子之间直接碰撞,没有足够能量的分子不会发生氧化还原反应,即碰撞属于会发生氧化还原反应,即碰撞属于无效碰撞无效碰撞无效碰撞无效碰撞。具有足够动能的分子在碰撞时能引起分子中原具有足够动能的分子在碰撞时能引起分子中原子或原子
5、团之间结合减弱,分子内部发生重排,子或原子团之间结合减弱,分子内部发生重排,氧化还原反应发生。这些具有足够能量的分子氧化还原反应发生。这些具有足够能量的分子称为称为活化分子活化分子活化分子活化分子。6第6页/共93页无论是高温还是低温,各个分子的能量也不是无论是高温还是低温,各个分子的能量也不是平均分布的,有的高有的低,近似呈平均分布的,有的高有的低,近似呈高斯分布高斯分布高斯分布高斯分布,能量比较高的部分所占比例比较少,但随着温能量比较高的部分所占比例比较少,但随着温度的升高,分子的平均能量随之增高。度的升高,分子的平均能量随之增高。7第7页/共93页图图1-1 活化能理论示意图活化能理论示
6、意图8活化能活化能活化能活化能第8页/共93页活化分子数量随着温度的提高而增加;活化分子数量随着温度的提高而增加;可燃物、助燃物两种气体分子发生氧化反应的可燃物、助燃物两种气体分子发生氧化反应的可能性和反应的条件。达到一定温度时,明显可能性和反应的条件。达到一定温度时,明显的燃烧就可能出现。的燃烧就可能出现。根据活化能理论,根据活化能理论,温度对着火起着决定性作用温度对着火起着决定性作用温度对着火起着决定性作用温度对着火起着决定性作用,所以有时也称活化能理论为燃烧的所以有时也称活化能理论为燃烧的“热理论热理论热理论热理论”。活化能理论能够解释许多现象,所以是一种重活化能理论能够解释许多现象,所
7、以是一种重要的理论。要的理论。9第9页/共93页1.2.5 过氧化物理论过氧化物理论在燃烧反应中,氧分子首先在热能作用在燃烧反应中,氧分子首先在热能作用下下断断开一个开一个键键,被活化形成过氧键结构,被活化形成过氧键结构OO;可燃物质与过氧键结构可燃物质与过氧键结构加合加合成为过氧化成为过氧化物,如物,如HOOR或或ROOR;过氧化物再发生反应。过氧化物再发生反应。10第10页/共93页为了解决过氧化物理论的困惑,巴赫提为了解决过氧化物理论的困惑,巴赫提出了一种新的说法,即出了一种新的说法,即易氧化的可燃物易氧化的可燃物质具有足以破坏氧分子中单键所需的质具有足以破坏氧分子中单键所需的“自由能自
8、由能”,不是可燃物质本身而是可燃,不是可燃物质本身而是可燃物质的自由基被氧化。物质的自由基被氧化。这种观点就是近代关于氧化作用的连锁这种观点就是近代关于氧化作用的连锁反应理论的基础。反应理论的基础。11第11页/共93页1.2.6 连锁反应理论连锁反应理论1.2.6.1 连锁反应机理及其分类连锁反应机理及其分类1.2.6.2 连锁反应的反应速度连锁反应的反应速度12第第第第4 4、9494页页页页第12页/共93页1.2.6.1 连锁反应机理及其分类连锁反应机理及其分类13连锁反应的三个阶段连锁反应的三个阶段 链引发链引发链引发链引发 借助于光照、加热等方法使反应物分子断裂产借助于光照、加热等
9、方法使反应物分子断裂产生自由基的过程,称为链引发。生自由基的过程,称为链引发。链传递链传递链传递链传递 它是自由基与反应物分子发生反应的步骤。在它是自由基与反应物分子发生反应的步骤。在链传递过程中,旧自由基消失的同时产生新的自由基,链传递过程中,旧自由基消失的同时产生新的自由基,从而使化学反应能继续下去。从而使化学反应能继续下去。链终止链终止链终止链终止 自由基如果与器壁碰撞,或者两个自由基复合,自由基如果与器壁碰撞,或者两个自由基复合,或者与第三个惰性分子相撞后,则失去能量而成为稳或者与第三个惰性分子相撞后,则失去能量而成为稳定分子,则链被终止。定分子,则链被终止。第13页/共93页14连锁
10、反应的类型连锁反应的类型直链反应直链反应一次反应只生成一个自由基的反应。一次反应只生成一个自由基的反应。支链反应支链反应一次反应可生成两个及以上自由基的反一次反应可生成两个及以上自由基的反应。应。第14页/共93页15链的引发阶段链的引发阶段 Cl2 2Cl链的传递阶段链的传递阶段 ClH2 HClH H Cl2 HClCl ClH2 HClH H Cl2 HClCl 链的终止链的终止 HCl HCl ClCl Cl2 H H H2 h直链反应直链反应第15页/共93页16总反应总反应 H2+Br2 2HBr链的引发链的引发 M+Br2 2 Br+M 链的传递链的传递 Br+H2 HBr+H
11、H+Br2 HBr+Br H+HBr H2+Br 链的终止链的终止 M+2 Br Br2+M 直链反应直链反应第16页/共93页17 链的引发链的引发 H2 O2 2HO H2 M 2H M(M为惰为惰性气体)性气体)链的传递链的传递 HO H2 H H2O链的支化传递链的支化传递 H O2 O HO O H2 H HO H O2M HO2M HO2 H2 H2O HO链的终止链的终止 2H H2 器壁器壁 H HO H2O H H H2支链反应支链反应器壁效应器壁效应第17页/共93页18图图1-2 氢自由基数目增加示意图氢自由基数目增加示意图第18页/共93页1.2.6.2 连锁反应的反应
12、速度连锁反应的反应速度19F(c)反应物浓度函数;反应物浓度函数;fs链在器壁上销毁因素;链在器壁上销毁因素;fc链在气相中销毁因素;链在气相中销毁因素;A与反应物浓度有关的函数;与反应物浓度有关的函数;链的分支系数,在直链反应中链的分支系数,在直链反应中 1,在支链反,在支链反应中应中 l。第19页/共93页自由基的产生与积累是着火的条件;自由基的产生与积累是着火的条件;体系自由基的生成速度用体系自由基的生成速度用W1与与温度温度温度温度成正比,成正比,增长速度也与温度成正比。增长速度也与温度成正比。链传递过程中自由基增长速度为链传递过程中自由基增长速度为W2大于自由大于自由基销毁速度为基销
13、毁速度为W3,则燃烧持续,差值越大,则燃烧持续,差值越大,燃烧反应越快,否则将趋于熄灭。燃烧反应越快,否则将趋于熄灭。自由基销毁速度与温度关系不大,主要取决于自由基销毁速度与温度关系不大,主要取决于与惰性分子、器壁的碰撞概率。与惰性分子、器壁的碰撞概率。20第20页/共93页1.3 燃烧三要素燃烧三要素1.3.1 燃烧的特征及其与氧化反应的区别燃烧的特征及其与氧化反应的区别燃烧过程是氧化还原化学反应的过程,燃烧过程是氧化还原化学反应的过程,是否所有的氧化还原反应都是燃烧过程是否所有的氧化还原反应都是燃烧过程呢?呢?21第第第第5 5页页页页第21页/共93页燃烧过程具有燃烧过程具有三个特征三个
14、特征:生成新的物质;生成新的物质;放热;放热;发光和(或)发烟。发光和(或)发烟。与一般氧化反应的区别在于,燃烧反应与一般氧化反应的区别在于,燃烧反应的速度快。的速度快。22第22页/共93页1.3.2 燃烧三要素燃烧三要素23图图1-3 1-3 燃烧条件示意图燃烧条件示意图是防范火灾和灭火的基础知识可燃物可燃物助燃物助燃物点火源点火源燃烧注意:着火的发生和持续,不仅仅是需要都有,而是要保持在一定范围内,不符合比例要求也不能发生或持续。第23页/共93页24狭义与广义狭义与广义狭义的燃烧狭义的燃烧助燃物是空气助燃物是空气广义的燃烧广义的燃烧可燃物质与氧化性物质可燃物质与氧化性物质的燃烧反应的燃
15、烧反应第24页/共93页(1)有可燃物存在)有可燃物存在 通常,物质都处于氧气含量约为通常,物质都处于氧气含量约为21%的空气中,的空气中,在此条件下能燃烧才是可燃物质。在此条件下能燃烧才是可燃物质。固态固态固态固态的:如木材、棉纤维、煤等;的:如木材、棉纤维、煤等;液态液态液态液态的:如酒精、汽油、甲苯等;的:如酒精、汽油、甲苯等;气态气态气态气态的:如甲烷、乙炔、一氧化碳等。的:如甲烷、乙炔、一氧化碳等。可燃物质大部分是有机物,少量为无机物,可可燃物质大部分是有机物,少量为无机物,可燃物在燃烧过程中都是燃物在燃烧过程中都是还原剂还原剂还原剂还原剂。注意:注意:氧气浓度高、温度高、压力高、其
16、它助氧气浓度高、温度高、压力高、其它助燃物存在的特殊情况。燃物存在的特殊情况。25第25页/共93页(2)有助燃物存在)有助燃物存在 助燃物本身也参与化学反应,在燃烧反应中为助燃物本身也参与化学反应,在燃烧反应中为氧化剂。氧化剂。如:如:气体:空气(其中的氧)、氧气、氯气、氟气气体:空气(其中的氧)、氧气、氯气、氟气等等;等等;液体和固体,如硝酸钾、硝酸锂等硝酸盐,高液体和固体,如硝酸钾、硝酸锂等硝酸盐,高氯酸、氯酸钾等氯的含氧酸及其盐类,高锰酸氯酸、氯酸钾等氯的含氧酸及其盐类,高锰酸钾、重铬酸钾、重铬酸钠等高价金属盐,过氧钾、重铬酸钾、重铬酸钠等高价金属盐,过氧化钾、过氧化钠等过氧化物。化钾
17、、过氧化钠等过氧化物。26第26页/共93页(3)有能导致着火的能量)有能导致着火的能量 此能量一般称为此能量一般称为点火源点火源点火源点火源或或引火源。引火源。引火源。引火源。高温灼热体高温灼热体撞击或摩擦所产生的热量或火花撞击或摩擦所产生的热量或火花电气火花电气火花静电火花静电火花明火明火化学反应热化学反应热绝热压缩产生的热能等都是点火源。绝热压缩产生的热能等都是点火源。27第27页/共93页28燃烧的充分条件燃烧的充分条件 1 1、可燃物和助燃物具有适当的浓度和比例。、可燃物和助燃物具有适当的浓度和比例。A、少量液化气泄漏不能被点燃,浓度达、少量液化气泄漏不能被点燃,浓度达不到爆炸极限,
18、如天然气浓度低于不到爆炸极限,如天然气浓度低于5%。B、氧气浓度低于、氧气浓度低于14%时,燃着的木块也时,燃着的木块也会自行熄灭。会自行熄灭。2 2、点火源的能量足够。、点火源的能量足够。物质都有各自不同的点火能,点火源能量物质都有各自不同的点火能,点火源能量低于点火能则不能着火。有些物质点火能低,低于点火能则不能着火。有些物质点火能低,容易被点燃,相反,点火能高的物质不易被容易被点燃,相反,点火能高的物质不易被点燃。点燃。第28页/共93页29在有化工原料(如:苯系物、氢气、乙炔、在有化工原料(如:苯系物、氢气、乙炔、丙酮、汽油)的场所,人体静电火花就能够丙酮、汽油)的场所,人体静电火花就
19、能够引发火灾或爆炸,但静电不可能引起木材着引发火灾或爆炸,但静电不可能引起木材着火。火。电火花的能量比静电火花大的多,由其引发电火花的能量比静电火花大的多,由其引发的矿山、工厂、住宅、办公室、宿舍的火灾的矿山、工厂、住宅、办公室、宿舍的火灾事例很多。事例很多。电焊渣温度达电焊渣温度达12001200,一个电焊渣不能引发,一个电焊渣不能引发木材火灾,但大量电焊渣就能够引燃,因为木材火灾,但大量电焊渣就能够引燃,因为其能量总量大。其能量总量大。第29页/共93页301.4 燃烧化学反应速度方程1.4.1 质量作用定律质量作用定律 对于反应式对于反应式 aAbB eE+fF 第第第第1414页页页页
20、第30页/共93页311.4.2 阿累尼乌斯公式阿累尼乌斯公式K反应速度常数反应速度常数温度每升高温度每升高l,反应速度大约加快,反应速度大约加快24倍。倍。此式反映了物质此式反映了物质浓度浓度浓度浓度和和温度温度温度温度对反应速度的影响。对反应速度的影响。第31页/共93页321.4.3 燃烧速度方程燃烧速度方程结论:结论:可燃物和氧气的浓度越低,燃烧反应速度越慢;可燃物和氧气的浓度越低,燃烧反应速度越慢;可燃物和氧气的浓度越低,燃烧反应速度越慢;可燃物和氧气的浓度越低,燃烧反应速度越慢;火灾现场温度越低,燃烧反应速度越慢,这是冷却灭火灾现场温度越低,燃烧反应速度越慢,这是冷却灭火灾现场温度
21、越低,燃烧反应速度越慢,这是冷却灭火灾现场温度越低,燃烧反应速度越慢,这是冷却灭火法的依据;火法的依据;火法的依据;火法的依据;可燃物反应时活化能越高,燃烧反应速度越慢。可燃物反应时活化能越高,燃烧反应速度越慢。可燃物反应时活化能越高,燃烧反应速度越慢。可燃物反应时活化能越高,燃烧反应速度越慢。注意:液态和固态可燃物的燃烧反应速度不能用上述方注意:液态和固态可燃物的燃烧反应速度不能用上述方程来表达。程来表达。第32页/共93页1.5 着火方式与着火条件着火方式与着火条件1.5.1 着火方式着火方式1.5.2 着火条件着火条件33第第第第7979页页页页第33页/共93页1.5.1 着火方式着火
22、方式可燃物质在助燃物质(多指空气)包围的情况可燃物质在助燃物质(多指空气)包围的情况下,可燃物与助燃物之间的氧化还原反应下,可燃物与助燃物之间的氧化还原反应从来从来从来从来没有停止没有停止没有停止没有停止,但在常温下反应速度较慢,热量释,但在常温下反应速度较慢,热量释放的速度也很慢,体系温度没有明显的提高,放的速度也很慢,体系温度没有明显的提高,燃烧不能开始,如果热量散失的速度较慢,燃烧不能开始,如果热量散失的速度较慢,热热热热量能够积累量能够积累量能够积累量能够积累,体系的温度升高,当温度高到某,体系的温度升高,当温度高到某一特征浓度时,化学反应速度明显提高,热量一特征浓度时,化学反应速度明
23、显提高,热量积累速度明显加快,此时燃烧就能开始。积累速度明显加快,此时燃烧就能开始。34第34页/共93页如果热量来自外部(被加热),氧化还如果热量来自外部(被加热),氧化还原反应速度同样提高,热量释放速度也原反应速度同样提高,热量释放速度也提高,温度达到特征温度时,燃烧同样提高,温度达到特征温度时,燃烧同样能开始。能开始。总之,可燃体系达到一定的总之,可燃体系达到一定的特征温度特征温度,燃烧就开始。燃烧就开始。35第35页/共93页图图1-4 物质自燃过程的温度变化物质自燃过程的温度变化36诱导期诱导期转到另一课件转到另一课件转到另一课件转到另一课件第36页/共93页自燃自燃(spontan
24、eous combustion)是指可)是指可燃物在空气中没有外来火源的作用,靠燃物在空气中没有外来火源的作用,靠自热或外热而发生燃烧的现象。自热或外热而发生燃烧的现象。可分为可分为热自燃热自燃(受热自燃)和(受热自燃)和化学自燃化学自燃(自热自燃)两种。(自热自燃)两种。自燃的特征是没有点火源。自燃的特征是没有点火源。37第37页/共93页(1)化学自燃(自热自燃)化学自燃(自热自燃)可燃物通过与助燃物发生氧化还原反应,自身可燃物通过与助燃物发生氧化还原反应,自身释放热量的积累使体系温度达到燃烧的开始温释放热量的积累使体系温度达到燃烧的开始温度,由此导致的着火称为化学自燃。度,由此导致的着火
25、称为化学自燃。例如:例如:黄磷在黄磷在30的空气中与氧气反应能自己着火;的空气中与氧气反应能自己着火;烟煤堆积过程中能自燃;烟煤堆积过程中能自燃;金属钠在潮湿空气中的自燃;金属钠在潮湿空气中的自燃;受潮的农作物秸秆堆积过程中能自燃。受潮的农作物秸秆堆积过程中能自燃。38第38页/共93页(2)热自燃)热自燃 (受热自燃)(受热自燃)如果将可燃物和氧化剂的混合物预先均匀地加如果将可燃物和氧化剂的混合物预先均匀地加热,随着温度的升高,当混合物加热到某一温热,随着温度的升高,当混合物加热到某一温度时便会自动着火(这时着火发生在混合物的度时便会自动着火(这时着火发生在混合物的整个容积中),这种着火方式
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