Le mécanisme des réactions chimiques lors de la combustion. Le processus de combustion et ses types

13.10.2019

Réactions de connexion

Dans une réaction composée, au moins deux éléments forment un produit :

2Na (t) + Cl2 (g) → 2NaCl (t)- la formation de sel.

Il convient de prêter attention à une nuance essentielle des réactions composées: selon les conditions de la réaction ou les proportions des réactifs qui entrent dans la réaction, différents produits peuvent en résulter. Par exemple, lorsque conditions normales La combustion du charbon produit du dioxyde de carbone :
C (t) + O2 (g) → CO2 (g)

S'il n'y a pas assez d'oxygène, du monoxyde de carbone mortel se forme :
2C (t) + O2 (g) → 2CO (g)

Réactions de décomposition

Ces réactions sont, pour ainsi dire, opposées par essence aux réactions du composé. Suite à la réaction de décomposition, la substance se décompose en deux (3, 4...) plus élément simple(Connexions):

2H 2 O (g) → 2H 2 (g) + O 2 (g)- décomposition de l'eau
2H 2 O 2 (g) → 2H 2 (g) O + O 2 (g)- décomposition du peroxyde d'hydrogène

Réactions de substitution unique

À la suite de réactions de substitution simples, l'élément le plus actif remplace l'élément le moins actif dans le composé :

Zn (t) + CuSO 4 (solution) → ZnSO 4 (solution) + Cu (t)

Le zinc dans la solution de sulfate de cuivre déplace le cuivre moins actif, ce qui donne une solution de sulfate de zinc.

Le degré d'activité des métaux par ordre croissant d'activité :

Les plus actifs sont les métaux alcalins et alcalino-terreux.

L'équation ionique de la réaction ci-dessus sera :

Zn (t) + Cu 2+ + SO 4 2- → Zn 2+ + SO 4 2- + Cu (t)

La liaison ionique CuSO 4, lorsqu'elle est dissoute dans l'eau, se décompose en un cation cuivre (charge 2+) et un anion sulfate (charge 2-). À la suite de la réaction de substitution, un cation zinc est formé (qui a la même charge que le cation cuivre : 2-). Notez que l'anion sulfate est présent des deux côtés de l'équation, c'est-à-dire que, selon toutes les règles mathématiques, il peut être réduit. Le résultat est une équation ion-moléculaire :

Zn (t) + Cu 2+ → Zn 2+ + Cu (t)

Réactions de double substitution

Dans les réactions de double substitution, deux électrons sont déjà remplacés. De telles réactions sont également appelées réactions d'échange. Ces réactions se déroulent en solution pour former :

solide insoluble (réaction de précipitation);
l'eau (réactions de neutralisation).

Réactions de précipitation

Lors du mélange d'une solution de nitrate d'argent (sel) avec une solution de chlorure de sodium, du chlorure d'argent se forme :

Équation moléculaire : KCl (solution) + AgNO 3 (p-p) → AgCl (t) + KNO 3 (p-p)

Équation ionique : K + + Cl - + Ag + + NO 3 - → AgCl (t) + K + + NO 3 -

Équation moléculaire-ionique : Cl - + Ag + → AgCl (t)

Si le composé est soluble, il sera en solution sous forme ionique. Si le composé est insoluble, il précipitera, formant un solide.

Réactions de neutralisation

Ce sont des réactions entre acides et bases, à la suite desquelles des molécules d'eau se forment.

Par exemple, la réaction de mélange d'une solution d'acide sulfurique et d'une solution d'hydroxyde de sodium (lessive):

Équation moléculaire : H 2 SO 4 (p-p) + 2NaOH (p-p) → Na 2 SO 4 (p-p) + 2H 2 O (l)

Équation ionique : 2H + + SO 4 2- + 2Na + + 2OH - → 2Na + + SO 4 2- + 2H 2 O (l)

Équation moléculaire-ionique : 2H + + 2OH - → 2H 2 O (g) ou H + + OH - → H 2 O (g)

Réactions d'oxydation

Ce sont des réactions d'interaction de substances avec l'oxygène gazeux dans l'air, dans lesquelles, en règle générale, une grande quantité d'énergie est libérée sous forme de chaleur et de lumière. Une réaction d'oxydation typique est la combustion. Au tout début de cette page, la réaction de l'interaction du méthane avec l'oxygène est donnée :

CH 4 (g) + 2O 2 (g) → CO 2 (g) + 2H 2 O (g)

Le méthane fait référence aux hydrocarbures (composés de carbone et d'hydrogène). Lorsqu'un hydrocarbure réagit avec l'oxygène, une grande quantité d'énergie thermique est libérée.

Réactions redox

Ce sont des réactions dans lesquelles des électrons sont échangés entre les atomes des réactifs. Les réactions décrites ci-dessus sont également des réactions redox :

2Na + Cl 2 → 2NaCl - réaction composée
CH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O - réaction d'oxydation
Zn + CuSO 4 → ZnSO 4 + Cu - réaction de substitution simple

Les réactions redox les plus détaillées avec un grand nombre d'exemples de résolution d'équations par la méthode de l'équilibre électronique et la méthode de la demi-réaction sont décrites dans la section

La combustion- il s'agit d'un processus physico-chimique complexe d'interaction des composants combustibles avec un oxydant, en particulier, la combustion du carburant est une réaction d'oxydation rapide de ses composants, accompagnée d'un dégagement de chaleur intense et d'une forte augmentation de la température.

Considérez la réaction de combustion du méthane comme composant principal des composants du gaz naturel :

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O.

Il résulte de l'équation de cette réaction que deux molécules d'oxygène sont nécessaires pour l'oxydation d'une molécule de méthane, c'est-à-dire la combustion complète de 1 m 3 de méthane nécessite 2 m 3 d'oxygène.

Utilisé comme agent oxydant air atmosphérique, qui est un mélange complexe de substances, dont 21 vol. %O2, 78 vol. %N2 et 1 vol. % CO 2 , gaz inertes, etc. Pour les calculs techniques, la composition conditionnelle de l'air est généralement prise à partir de deux composants : l'oxygène (21 vol.%) et l'azote (79 vol.%). Compte tenu de cette composition de l'air, pour que toute réaction de combustion ait lieu dans l'air, la combustion complète du carburant nécessitera 100/21 = 4,76 fois plus d'air en volume que d'oxygène.

Les produits de la combustion complète du gaz naturel sont : le dioxyde de carbone CO 2 , la vapeur d'eau H 2 O, un excès d'oxygène O 2 et d'azote N 2 . L'excès d'oxygène est contenu dans les produits de combustion uniquement dans les cas où la combustion se produit avec un excès d'air, et l'azote est toujours contenu dans les produits de combustion, puisqu'il est partie intégrante l'air et ne participe pas à la combustion. Les produits de la combustion incomplète du gaz sont : le monoxyde de carbone CO, l'hydrogène imbrûlé H 2 et le méthane CH 4, les hydrocarbures lourds C m H n et la suie. Ainsi, plus il y a de dioxyde de carbone CO 2 dans les produits de combustion, moins ils contiendront de monoxyde de carbone CO, c'est-à-dire plus la combustion sera complète. Le concept de la teneur maximale en CO 2 dans les produits de combustion est introduit - il s'agit de la quantité de CO 2 qui pourrait être obtenue dans les produits de combustion secs avec une combustion complète du gaz sans excès d'air.

Le moyen le plus parfait de contrôler le flux d'air dans le four et l'intégralité de sa combustion est l'analyse des produits de combustion à l'aide d'analyseurs de gaz automatiques. Les analyseurs de gaz prélèvent périodiquement un échantillon de gaz d'échappement et déterminent leur teneur en dioxyde de carbone, ainsi que la quantité de monoxyde de carbone et d'hydrogène non brûlé (CO + H 2) en pourcentage volumique. Si les lectures sur la flèche sur l'échelle (CO + H 2) sont 0, alors la combustion est complète et il n'y a pas de (CO + H 2) dans les produits de combustion. Si la flèche dévie de zéro vers la droite, alors il y a (CO + H 2) dans les produits de combustion, c'est-à-dire une combustion incomplète se produit. A une autre échelle, la flèche des analyseurs de gaz doit indiquer la teneur maximale en CO 2 max dans les produits de combustion. La combustion complète se produit au pourcentage maximal de dioxyde de carbone et à une teneur nulle (CO + H 2).

La combustion est une réaction d'oxydation qui se produit à grande vitesse, qui s'accompagne d'un dégagement de chaleur en grande quantité et, en règle générale, d'une lueur vive, que nous appelons une flamme. Le processus de combustion est étudié par la chimie physique, dans laquelle il est d'usage de désigner par combustion tous les processus exothermiques qui ont une réaction auto-accélérée. Une telle auto-accélération peut se produire en raison d'une augmentation de la température (c'est-à-dire avoir un mécanisme thermique) ou de l'accumulation de particules actives (c'est-à-dire avoir une nature de diffusion).

La réaction de combustion a une caractéristique claire - la présence d'une région à haute température (flamme), limitée dans l'espace, où se produit la majeure partie de la conversion des substances initiales (combustible) dans ce processus.Ce processus s'accompagne de la libération un grand nombre Pour démarrer la réaction (apparition d'une flamme), il faut dépenser une certaine quantité d'énergie à l'allumage, puis le processus se déroule spontanément. Sa vitesse dépend de propriétés chimiques substances participant à la réaction, ainsi que des processus dynamiques des gaz lors de la combustion. La réaction de combustion présente certaines caractéristiques dont les plus importantes sont le pouvoir calorifique du mélange et la température (dite adiabatique) qui théoriquement pourraient être atteintes avec une combustion complète sans tenir compte des pertes de chaleur.

La combustion homogène est la plus simple, a un taux constant, en fonction de la composition et de la conductivité thermique moléculaire du mélange, de la température et de la pression.

La combustion hétérogène est la plus courante à la fois dans la nature et dans des conditions artificielles. Sa vitesse dépend des conditions spécifiques du processus de combustion et des caractéristiques physiques des ingrédients. Pour les combustibles liquides, la vitesse de combustion est fortement influencée par la vitesse d'évaporation, pour les combustibles solides, la vitesse de gazéification. Par exemple, lors de la combustion du charbon, le processus forme deux étapes. Sur le premier d'entre eux (en cas de chauffage relativement lent), les composants volatils de la substance (charbon) sont libérés, sur le second, le résidu de coke brûle.

La combustion des gaz (par exemple, la combustion de l'éthane) a ses propres caractéristiques. Dans un environnement gazeux, la flamme peut se propager sur une grande distance. Il peut se déplacer dans le gaz à une vitesse subsonique, et cette propriété est inhérente non seulement au milieu gazeux, mais également à un fin mélange de particules combustibles liquides et solides mélangées à un agent oxydant. Pour assurer une combustion stable dans de tels cas, une conception spéciale du dispositif de four est nécessaire.

Les conséquences qu'entraîne une réaction de combustion dans un milieu gazeux sont de deux types. Le premier est la turbulence du flux de gaz, entraînant une forte augmentation de la vitesse du processus. Les perturbations acoustiques de l'écoulement survenant dans ce cas peuvent conduire à l'étape suivante - la génération d'un mélange conduisant à la détonation. Le passage de l'étape de combustion à l'étape de détonation dépend non seulement des propriétés intrinsèques du gaz, mais également des dimensions du système et des paramètres de propagation.

La combustion de carburant est utilisée dans l'ingénierie et l'industrie. La tâche principale dans ce cas est d'atteindre l'intégralité maximale de la combustion (c'est-à-dire l'optimisation du dégagement de chaleur) pendant une période donnée. La combustion est utilisée, par exemple, dans l'exploitation minière - les méthodes de développement de divers minéraux sont basées sur l'utilisation d'un procédé combustible. Mais dans certaines conditions naturelles et géologiques, le phénomène de combustion peut devenir un facteur porteur de grave danger. danger réel, par exemple, représente le processus de combustion spontanée de la tourbe, conduisant à l'apparition d'incendies endogènes.

Thème 3. BASES CHIMIQUES DE LA COMBUSTION.

3.1. Chimie des réactions de combustion.

Comme vous l'avez déjà compris, la combustion est une réaction chimique rapide accompagnée d'un dégagement de chaleur et de lueur (flamme). Il est généralement exothermique réaction oxydative composés d'une substance combustible avec un agent oxydant - l'oxygène atmosphérique.

substances combustibles peuvent être des gaz, des liquides et des solides-la. Ce sont H 2 , CO, soufre, phosphore, métaux, C m H n (hydrocarbures sous forme de gaz, liquides et solides, c'est-à-dire matière organique. Les hydrocarbures naturels, par exemple, sont gaz naturel, pétrole, charbon). En principe, toutes les substances capables d'oxydation peuvent être combustibles.

Oxydants servir : oxygène, ozone, halogènes (F, Cl, Br, J), protoxyde d'azote (NO 2), nitrate d'ammonium (NH 4 NO 3), etc. Dans les métaux, CO 2, H 2 O, N 2 peuvent également être agents oxydants.

Dans certains cas, la combustion se produit lors de réactions de décomposition de substances obtenues dans des processus endothermiques. Par exemple, lorsque l'acétylène se décompose :

C 2 H 2 \u003d 2C + H 2.

exothermique Les réactions sont des réactions qui dégagent de la chaleur.

Endothermique Les réactions sont des réactions qui se produisent avec l'absorption de chaleur.

Par exemple:

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q - réaction exothermique,

2H 2 O + Q \u003d 2H 2 + O 2 - réaction endothermique,

où : Q - énergie thermique.

Ainsi, les réactions endothermiques ne peuvent se dérouler qu'avec l'introduction d'énergie thermique externe, c'est-à-dire lorsqu'il est chauffé.

Dans les réactions chimiques, selon la loi de conservation de la masse, le poids des substances avant la réaction est égal au poids des substances formées après la réaction. En égalisant les équations chimiques, on obtient stoechiométrique formulations.

Par exemple, dans la réaction

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O

nous avons 1 mol CH 4 + 2 mol O 2 = 1 mol CO 2 + 2 mol H 2 O.

Le nombre de moles devant les formules des substances est appelé coefficients stoechiométriques.

En tenant compte des notions de "volume molaire", "concentration molaire", "pression partielle", on constate que pour une réaction complète du méthane, il faut mélanger 1 mole de CH 4 avec 2 moles d'O 2, soit 1 /3 \u003d 33,3% CH 4 et 2 / 3 = 66,7% O 2 . Une telle composition est dite stoechiométrique.

Si l'on considère la combustion du CH 4 dans l'air, c'est-à-dire dans un mélange de 21% O 2 + 79% N 2 ou O 2 + 79 / 21N 2 ou O 2 + 3,76N 2, alors la réaction s'écrira comme suit :

CH 4 + 2O 2 + 2 × 3,76N 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 2 × 3,76N 2.

1 mol CH 4 + 2 mol O 2 + 7,52 mol N 2 \u003d 10,52 mol d'un mélange de O 2, N 2 et CH 4.

Alors la composition stoechiométrique du mélange sera :

(1/10,52) * 100 % = 9,5 % CH 4 ; (2/10,52)*100 % = 19,0 % 02 ;

(7,52 / 10,52) * 100% \u003d 71,5% N 2.

Cela signifie que dans le mélange le plus combustible, au lieu de 100% (CH 4 + O 2) dans la réaction avec l'oxygène, il y aura 24% (CH 4 + O 2) dans la réaction avec l'air, c'est-à-dire beaucoup moins de chaleur sera dégagée.

La même image sera obtenue si nous mélangeons des compositions arbitraires non stoechiométriques.

Par exemple, dans la réaction 2CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + CH 4 1 mol de CH 4 ne pro-réagit pas.

En réaction CH 4 + 4O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + 2O 2 2 moles d'O 2 ne participent pas à la réaction, mais jouent le rôle de lest, nécessitant une certaine quantité de chaleur pour leur chauffage.

Ainsi, si l'on compare les réactions de combustion du méthane dans l'oxygène et l'air ou en excès de CH 4 et O 2, alors il est clair que la quantité de chaleur dégagée dans la première réaction sera plus importante que dans les autres, puisque dans celles-ci :

Moins de concentrations de réactifs dans le mélange total ;

Une partie de la chaleur sera dépensée pour chauffer le ballast : azote, oxygène ou méthane.

Posons-nous des questions :

Quelle énergie peut être libérée dans la réaction ?

Qu'est-ce qui détermine la quantité de chaleur, c'est-à-dire effet thermique re-

Quelle quantité d'énergie thermique faut-il ajouter à

réaction endothermique ?

Pour cela, le concept de contenu calorifique d'une substance est introduit.

3.2 Teneur en chaleur des substances.

D'où vient la chaleur dans la réaction de combustion du méthane ? Il était donc caché dans les molécules CH 4 et O 2 , et maintenant il a été libéré.

Voici un exemple de réaction plus simple :

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O + Q

Moyens niveau d'énergie Le mélange stoechiométrique d'hydrogène avec l'oxygène était supérieur à celui du produit de réaction H 2 O et l'énergie "supplémentaire" était libérée de la substance.

Dans la réaction inverse de l'électrolyse de l'eau, c'est-à-dire décomposition de l'eau à l'aide de l'énergie électrique, il y a une redistribution des atomes dans la molécule d'eau avec formation d'hydrogène et d'oxygène. Dans ce cas, l'enthalpie de H 2 et O 2 augmente.

Ainsi, chaque substance au cours de sa formation reçoit ou cède une certaine énergie, et la mesure de l'énergie thermique accumulée par une substance au cours de sa formation est appelée contenance thermique, ou enthalpie.

Contrairement à la chimie, en thermodynamique chimique, la chaleur de formation d'une substance est désignée non pas par le symbole Q, mais par le symbole DH avec un signe (+) si la chaleur est absorbée par un composé chimique, et avec un signe (-) si la chaleur est libérée pendant la réaction, c'est-à-dire qu'elle «part» des systèmes.

La chaleur standard de formation de 1 mole d'une substance à une pression de 101,3 kPa et une température de 298 K est notée.

Des ouvrages de référence donnent les chaleurs de formation de composés à partir de substances simples.

Par exemple:

Au CO 2 \u003d - 393,5 kJ / mol

Gaz U H 2 O \u003d - 241,8 kJ / mol

Mais pour les substances formées lors de processus endothermiques, par exemple l'acétylène C 2 H 2 \u003d + 226,8 kJ / mol, lors de la formation d'un atome d'hydrogène H + selon la réaction H 2 \u003d H + + H + \u003d + 217,9 kJ/mol.

Pour les corps purs constitués d'un élément chimique sous une forme stable (H 2 , O 2 , C, Na, etc.) DH est conditionnellement pris égal à zéro.

Cependant, si nous discutons des propriétés macroscopiques des substances, nous distinguons alors plusieurs formes d'énergie : cinétique, potentielle, chimique, électrique, thermique, nucléaire et travail mécanique. Et si nous considérons la question au niveau moléculaire, alors ces formes d'énergie peuvent être expliquées sur la base de seulement deux formes - l'énergie cinétique du mouvement et l'énergie potentielle au repos des atomes et des molécules.

Dans les réactions chimiques, seules les molécules changent. Les atomes restent inchangés. Énergie moléculaire est l'énergie de liaison de ses atomes, accumulée dans la molécule. Il est déterminé par les forces d'attraction des atomes les uns aux autres. De plus, il existe une énergie potentielle d'attraction des molécules les unes vers les autres. Il est petit dans les gaz, plus élevé dans les liquides et encore plus élevé dans les solides.

Chaque atome a de l'énergie, dont une partie est associée aux électrons et une autre au noyau. Les électrons ont l'énergie cinétique de rotation autour du noyau et l'énergie électrique potentielle d'attraction et de répulsion les uns des autres.

La somme de ces formes d'énergie moléculaire est la teneur en chaleur de la molécule.

Si nous additionnons l'enthalpie de 6,02×10 23 molécules d'une substance, nous obtenons l'enthalpie molaire de cette substance.

Pourquoi la teneur en chaleur des substances à un seul élément (molécules d'un élément) est considérée comme nulle peut être expliquée de la manière suivante.

Le DH d'un élément chimique, c'est-à-dire l'énergie de sa formation, est associé à des processus intranucléaires. L'énergie nucléaire est associée aux forces d'interaction des particules intranucléaires et à la transformation d'un élément chimique en un autre lors de réactions nucléaires. Par exemple, la réaction de désintégration de l'uranium :

ou plus simplement : U+n®Ba+Kr+3n.

où: n ’ o est une particule neutronique de masse 1 et de charge nulle.

L'uranium capture un neutron, à la suite de quoi il se divise (se désintègre) en deux nouveaux éléments - le baryum et le krypton - avec la formation de 3 neutrons, et l'énergie nucléaire est libérée.

Il faut dire que des millions de fois sont associés à des réactions nucléaires. Grands changementsénergie que dans les réactions chimiques. Ainsi, l'énergie de désintégration de l'uranium est de 4,5×10 9 kcal/mol×uranium. C'est 10 millions de fois plus que lorsqu'une mole de charbon est brûlée.

Dans les réactions chimiques, les atomes ne changent pas, mais les molécules oui. Par conséquent, l'énergie de formation des atomes par les chimistes n'est pas prise en compte et la DH des molécules de gaz à un seul élément et des atomes de substances pures est prise égale à zéro.

La réaction de désintégration de l'uranium ci-dessus est un exemple classique de réaction en chaîne. Nous examinerons plus tard la théorie du mécanisme en chaîne de la réaction de combustion. Mais d'où vient le neutron et qu'est-ce qui le fait réagir avec l'uranium - cela est dû à l'énergie dite d'activation, que nous examinerons un peu plus tard.

3.3. Effet thermique de la réaction.

Ce qui est contenu dans chaque substance individuelle une certaine quantité de l'énergie, sert à expliquer les effets thermiques des réactions chimiques.

Selon la loi de Hess : L'effet thermique d'une réaction chimique ne dépend que de la nature des produits initiaux et finaux et ne dépend pas du nombre de réactions intermédiaires de passage d'un état à un autre.

Corollaire 1 de cette loi : L'effet thermique d'une réaction chimique est égal à la différence entre la somme des chaleurs de formation des produits finaux et la somme des chaleurs de formation des substances de départ, compte tenu des coefficients dans les formules de ces substances dans l'équation de réaction.

Par exemple, dans la réaction 2H 2 +O 2 \u003d 2H 2 O ± DH.

; ; .

Finalement équation générale les réactions ressembleront à ceci :

2H 2 + O 2 \u003d 2H 2 O - 582 kJ / mol.

Et si DH est signé (-), alors la réaction est exothermique.

Conséquence 2. Selon la loi de Lavoisier-Laplace, l'effet thermique de la décomposition d'un composé chimique est de signe égal et opposé à l'effet thermique de sa formation.

Alors la réaction de décomposition de l'eau sera :

2H 2 O \u003d 2H 2 + O 2 +582 kJ / mol, c'est-à-dire cette réaction est endothermique.

Un exemple de réaction plus complexe :

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O.

La réaction s'écrira alors :

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O - 742,3 kJ / mol, ce qui signifie que la réaction est exothermique.

3.4. Fondements cinétiques des réactions gazeuses.

Selon la loi de l'action de masse, la vitesse de réaction à température constante est proportionnelle à la concentration de substances réactives ou, comme on dit, de «masses agissantes».

La vitesse d'une réaction chimique ( υ ) il est d'usage de considérer la quantité d'une substance réagissant par unité de temps ( rét) par unité de volume ( dV).

Considérons la réaction se déroulant selon l'équation :

A + B = C + D.

Puisque la vitesse de réaction caractérise une diminution de la concentration des réactifs avec le temps et une augmentation de la concentration des produits de réaction, on peut écrire :

, (3.1)

où les moins aux dérivés indiquent la direction du changement de la concentration des composants, et les concentrations des composants sont indiquées entre crochets.

Ensuite, une réaction directe irréversible à T \u003d const se déroule à une vitesse de:

, (3.2)

où: k est la constante de vitesse d'une réaction chimique. Il ne dépend pas de la concentration des composants, mais ne change qu'avec la température.

Selon la loi d'action de masse, les concentrations des composants de la réaction sont incluses dans l'équation cinétique à un degré égal au coefficient stoechiométrique de ce composant.

Alors pour la réaction

aA + bB = cC + dD

L'équation cinétique a la forme :

Les exposants a, b, c, d sont généralement appelés les ordres de réaction pour les composants A, B, C, D, et la somme des exposants est appelée l'ordre général de la réaction.

Par exemple, des réactions comme

A ® bB + cC - Je commande,

2A \u003d ordre bB + cC - II,

A + B \u003d cC + dD - ordre III.

Étant donné que les concentrations de tous les composants réactifs sont interconnectées par des équations stoechiométriques, les équations cinétiques les plus simples du premier ordre sont équations différentielles Je commande avec une variable indépendante - la concentration - et peut être intégré.

le plus simple équation cinétique est une équation du premier ordre du type

Pour qui . (3.4)

Soit la concentration en composant A avant le début de la réaction et, en intégrant l'équation sous la condition aux limites t=0, [A]=[A 0 ], on obtient :

Soit [A]=×e - kt . (3.5)

Ainsi, la dépendance de la vitesse de réaction à la concentration des substances est exponentielle.

L'énergie cinétique des gaz l'explique ainsi. Selon l'hypothèse d'Arrhenius, la réaction entre molécules n'a lieu que si elles sont actives, c'est-à-dire avoir un excès d'énergie suffisant pour rompre les liaisons interatomiques, l'énergie dite d'activation E A.

Ceux. la vitesse d'une réaction chimique ne dépend pas du nombre de collisions de toutes les molécules, mais seulement de celles qui sont activées.

Selon la loi de Boltzmann, le nombre de molécules actives

n A \u003d non * e - E / RT, (3.6)

où : E est l'énergie d'activation,

T - température mélange de gaz,

n o est le nombre total de molécules.

Alors le nombre de collisions effectives, coïncidant avec la vitesse de réaction, est égal à :

υ p \u003d Z eff \u003d Z 0 * e - E / RT, (3.7)

où : Z 0 est le nombre total de collisions moléculaires.

1) la vitesse de réaction est proportionnelle à la concentration de molécules actives, dont le nombre dépend de la température et de la pression dans le mélange, puisque la pression est le nombre de molécules entrant en collision avec n'importe quelle surface ;

2) une réaction n'est possible que si les molécules en interaction reçoivent une certaine quantité d'énergie suffisante pour rompre ou affaiblir les liaisons interatomiques. L'activation consiste en la transition des molécules vers un état dans lequel la transformation chimique est possible.

Le plus souvent, le processus d'activation passe par la formation de composés d'atomes intermédiaires, instables mais hautement actifs.

Ainsi, non seulement pour l'apparition de processus endothermiques, un apport externe d'énergie est nécessaire, mais également pour les processus exothermiques. Pour qu'une réaction exothermique se produise, une certaine impulsion d'énergie thermique doit lui être communiquée. Par exemple, pour qu'une réaction de combustion se produise dans un mélange d'hydrogène et d'oxygène, il doit être allumé.

La quantité minimale d'énergie thermique requise pour "démarrer" une réaction chimique est appelée énergie d'activation.

3.5. Énergie d'activation de la réaction.

Pour expliquer ce phénomène, l'exemple suivant est souvent utilisé (Fig. 9) :

Il y a une balle sur la plate-forme. Le site est situé en face de la colline. Par conséquent, la balle pourrait rouler d'elle-même, sinon pour la glissade. Mais pour une descente spontanée, il faut remonter au sommet de la colline. Dans ce cas, non seulement l'énergie de monter la colline sera libérée, mais aussi l'énergie de descendre.

Riz. 9. Schéma d'activation de la réaction.

Considérez deux réactions :

1) H 2 + O 2 \u003d H 2 O-

2) H 2 O \u003d H 2 + O 2 +

Comme on peut le voir sur la figure, E 2 =+E 1;

En général, pour toute réaction

Et le signe de l'effet thermique dépend de la différence entre E 1 et E 2, qui sont toujours positifs.

Ainsi, l'énergie d'activation est l'énergie nécessaire à la transformation des substances réagissantes à l'état de complexe actif (rupture de liaisons interatomiques, rapprochement de molécules, accumulation d'énergie dans une molécule...).

Avec une augmentation de la température des gaz, la proportion de molécules actives (e - E / RT) augmente fortement, et donc la vitesse de réaction selon une dépendance exponentielle. Cette dépendance peut être illustrée comme suit :

Riz. 10. Dépendance de la vitesse de réaction à la température : 1 - la vitesse de la 1ère réaction, 2 - la vitesse de la 2ème réaction.

Comme on peut le voir sur la figure 10, la vitesse de la première réaction est inférieure à la vitesse de la seconde réaction, et l'énergie d'activation de la 1ère réaction est supérieure à E de la seconde. Et à la même température T 2 υ 2 > υ 1 . Plus l'énergie d'activation est élevée, plus la température requise pour atteindre une vitesse de réaction donnée est élevée.

La raison en est que lorsque E est plus grand, les liaisons interatomiques existantes dans les molécules des composants réactifs sont plus fortes et il faut plus d'énergie pour surmonter ces forces. Dans ce cas, la proportion de molécules actives est d'autant plus faible.

Il ressort de ce qui précède que l'amplitude de l'énergie d'activation est la caractéristique la plus importante d'un processus chimique. Il détermine la hauteur de la barrière énergétique, dont le franchissement est une condition pour que la réaction se déroule. D'autre part, il caractérise la vitesse de réaction en fonction de la température, c'est-à-dire plus l'énergie d'activation est élevée, plus la température pour obtenir une réaction donnée est élevée.

3.6. Catalyse.

En plus d'augmenter la température et la concentration des substances, pour accélérer une réaction chimique, ils utilisent catalyseurs, c'est à dire. substances qui sont introduites dans le mélange réactionnel, mais ne sont pas consommées dans la réaction, mais l'accélèrent en abaissant l'énergie d'activation.

Le processus d'augmentation de la vitesse de réaction à l'aide de catalyseurs est appelé catalyse.

Les catalyseurs participent à des réactions intermédiaires pour créer un complexe activé en affaiblissant les liaisons dans les molécules des substances de départ, leur décomposition, l'adsorption de molécules à la surface du catalyseur ou l'introduction de particules actives de catalyseur.

La nature de la participation du catalyseur peut être expliquée par le schéma suivant :

Réaction sans catalyseur : A + B = AB.

Avec catalyseur X : A + X = AX ® AX + B = AB + X.

Nous présentons une image similaire à celle montrée dans la Fig. 9.

Riz. 11. Schéma de l'action du catalyseur : E b.chat et E avec chat sont les énergies d'activation de la réaction sans catalyseur et avec catalyseur, respectivement.

Lorsqu'un catalyseur est introduit (Fig. 11), la réaction peut se dérouler selon un chemin différent avec une barrière d'énergie plus faible. Cette voie correspond à un nouveau mécanisme réactionnel par la formation d'un autre complexe activé. Et une nouvelle barrière d'énergie plus faible peut surmonter plus de particules, ce qui entraîne une augmentation de la vitesse de réaction.

Il convient de noter que l'énergie d'activation de la réaction inverse diminue de la même quantité que l'énergie d'activation de la réaction directe, c'est-à-dire les deux réactions s'accélèrent de manière égale, et les catalyseurs n'amorcent pas la réaction, ils accélèrent seulement la réaction, qui peut se produire en leur absence, mais beaucoup plus lentement.

Les produits de réaction intermédiaires peuvent devenir des catalyseurs, cette réaction est alors dite autocatalytique. Ainsi, si la vitesse des réactions ordinaires diminue à mesure que les réactifs sont consommés, alors la réaction de combustion due à l'autocatalyse s'auto-accélère et est autocatalytique.

Le plus souvent, les solides sont utilisés comme catalyseurs, qui adsorbent les molécules des réactifs. Lors de l'adsorption, les liaisons dans les molécules en réaction sont affaiblies, et ainsi la réaction entre elles est facilitée.

Qu'est-ce que l'adsorption ?

3.7. Adsorption.

Adsorption- absorption superficielle d'une substance à partir d'un milieu gazeux ou d'une solution par une couche superficielle d'une autre substance - liquide ou solide.

Par exemple, l'adsorption de gaz toxiques à la surface du charbon actif utilisé dans les masques à gaz.

Distinguer adsorption physique et chimique.

À physique adsorption, les particules piégées conservent leurs propriétés, et quand chimique– des composés chimiques de l'adsorbat avec l'adsorbant se forment.

Le processus d'adsorption s'accompagne d'un dégagement de chaleur. Pour l'adsorption physique, elle est insignifiante (1-5 kcal/mol), pour l'adsorption chimique, elle est beaucoup plus élevée (10-100 kcal/mol). Ainsi, les réactions chimiques pendant la catalyse peuvent être accélérées.

Pour les processus de combustion et d'explosion, les exemples suivants peuvent être donnés :

1. La température d'auto-inflammation d'un mélange de H 2 + O 2 est de 500 0 C. En présence d'un catalyseur au palladium, elle diminue jusqu'à 100 0 C.

2. Les processus de combustion spontanée du charbon commencent par l'adsorption chimique de l'oxygène à la surface des particules de charbon.

3. Lorsque vous travaillez avec de l'oxygène pur, l'oxygène est bien adsorbé sur les vêtements (adsorption physique). Et en présence d'une étincelle ou d'une flamme, les vêtements s'enflamment facilement.

4. L'oxygène est bien adsorbé et absorbé par les huiles techniques avec formation d'un mélange explosif. Le mélange explose spontanément, sans source d'inflammation (absorption chimique).

I. Combustion et oxydation lente

La combustion est la première réaction chimique connue de l'homme. Le feu... Est-il possible d'imaginer notre existence sans feu ? Il est entré dans notre vie, en est devenu inséparable. Sans feu, une personne ne peut pas cuire les aliments, l'acier; sans lui, le transport est impossible. Le feu est devenu notre ami et allié, un symbole d'actions glorieuses, de bonnes actions, un souvenir du passé.

Mémorial de la gloire à Syktyvkar

La flamme, le feu, en tant que l'une des manifestations de la réaction de combustion, a son propre reflet monumental. Un exemple frappant est mémorial de gloire à Syktyvkar.

Une fois tous les quatre ans, un événement se produit dans le monde, accompagné du transfert de feu "vivant". En signe de respect pour les fondateurs des Olympiades, le feu est délivré de Grèce. Comme le veut la tradition, l'un des athlètes les plus remarquables livre cette torche sur l'arène principale de l'Olympiade.

Il y a des contes de fées et des légendes sur le feu. Autrefois, les gens pensaient que les petits lézards vivaient dans le feu - les esprits du feu. Et il y avait ceux qui considéraient le feu comme une divinité et construisaient des temples en son honneur. Pendant des centaines d'années, les lampes dédiées au dieu du feu ont brûlé dans ces temples sans se faner. Le culte du feu était une conséquence de l'ignorance des gens du processus de combustion.

feu olympique

M.V. Lomonosov a déclaré: "L'étude de la nature du feu et sans chimie n'est en aucun cas impossible."

La combustion - une réaction d'oxydation se déroulant à une vitesse suffisamment élevée, accompagnée d'un dégagement de chaleur et de lumière.

Schématiquement, ce processus d'oxydation peut s'exprimer comme suit :

Les réactions qui dégagent de la chaleur sont appelées exothermique(du grec "exo" - out).

Lors de la combustion, une oxydation intensive se produit, lors de la combustion, un feu apparaît, par conséquent, une telle oxydation se déroule très rapidement. Si un La vitesse de réaction sera-t-elle assez rapide ? Une explosion peut se produire. C'est ainsi que les mélanges de substances combustibles avec de l'air ou de l'oxygène explosent. Malheureusement, il existe des cas d'explosions de mélanges d'air avec du méthane, de l'hydrogène, des vapeurs d'essence, de l'éther, de la poussière de farine et de sucre, etc., entraînant des destructions et même des pertes humaines.

Pour que la combustion se produise, il vous faut :

substance combustible
comburant (oxygène)
le chauffage substance combustible jusqu'à la température d'allumage

La température d'inflammation de chaque substance est différente.

Alors que l'éther peut être enflammé par un fil chaud, pour mettre le feu au bois de chauffage, vous devez le chauffer à plusieurs centaines de degrés. La température d'inflammation des substances est différente. Le soufre et le bois s'enflamment à environ 270°C, le charbon à environ 350°C et le phosphore blanc à environ 40°C.

Cependant, toute oxydation ne doit pas nécessairement s'accompagner de l'apparition de lumière.

Il existe un nombre considérable de cas d'oxydation, que nous ne pouvons pas appeler des processus de combustion, car ils se déroulent si lentement qu'ils restent imperceptibles à nos sens. Ce n'est qu'après un certain temps, souvent très long, que nous pouvons attraper les produits d'oxydation. Ainsi, par exemple, la situation est avec une oxydation très lente (rouille) des métaux

ou pendant les processus de décomposition.

Bien sûr, de la chaleur est dégagée lors d'une oxydation lente, mais cette libération se fait lentement en raison de la durée du processus. Cependant, qu'un morceau de bois brûle rapidement ou subisse une oxydation lente à l'air pendant de nombreuses années, cela n'a pas d'importance - dans les deux cas, la même quantité de chaleur sera dégagée.

oxydation lente - Il s'agit d'un processus d'interaction lente des substances avec l'oxygène avec un dégagement lent de chaleur (énergie).

Exemples d'interaction de substances avec l'oxygène sans émission de lumière: décomposition du fumier, des feuilles, rancissement de l'huile, oxydation des métaux (les buses en fer deviennent plus fines et plus petites avec une utilisation prolongée), la respiration des créatures aérobies, c'est-à-dire celles qui respirent de l'oxygène, s'accompagne d'un dégagement de chaleur, de la formation de carbone dioxyde et eau.

Familiarisons-nous avec les caractéristiques des processus de combustion et d'oxydation lente indiqués dans le tableau.

Caractéristiques des processus de combustion et d'oxydation lente

Signes d'une réaction	Traiter
Signes d'une réaction	La combustion	oxydation lente
Formation de nouvelles substances	Oui (oxydes)	Oui (oxydes)
Dégagement de chaleur	Oui	Oui
Taux de dégagement de chaleur	Gros	petit (marche lentement)
L'apparition de la lumière	Oui	Pas

À conclusion : les réactions de combustion et d'oxydation lente sont des réactions exothermiques qui diffèrent par la vitesse de ces processus.

II. Effet thermique d'une réaction chimique.

Chaque substance contient une certaine quantité d'énergie stockée. Nous rencontrons cette propriété des substances déjà au petit-déjeuner, au déjeuner ou au dîner, car les produits alimentaires permettent à notre corps d'utiliser l'énergie d'une grande variété de composés chimiques contenus dans les aliments. Dans le corps, cette énergie est convertie en mouvement, en travail, et sert à maintenir une température corporelle constante (et plutôt élevée !).

Toute réaction chimique s'accompagne d'un dégagement ou d'une absorption d'énergie. Le plus souvent, l'énergie est libérée ou absorbée sous forme de chaleur (moins souvent, sous forme de lumière ou d'énergie mécanique). Cette chaleur peut être mesurée. Le résultat de la mesure est exprimé en kilojoules (kJ) pour une MOL de réactif ou (plus rarement) pour la mole de produit de réaction. La quantité de chaleur dégagée ou absorbée lors d'une réaction chimique est appelée l'effet thermique de la réaction (Q) . Par exemple, l'effet thermique de la réaction de combustion de l'hydrogène dans l'oxygène peut être exprimé par l'une ou l'autre des deux équations :

2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (g) + 572 kJ

2 H 2 (g) + O 2 (g) \u003d 2 H 2 O (g) + Q

Cette équation de réaction est appeléeéquation thermochimique. Ici le symbole "+ Q" signifie que lorsque l'hydrogène est brûlé, de la chaleur est libérée. Cette chaleur s'appelle l'effet thermique de la réaction. Les équations thermochimiques indiquent souvent états agrégés substances.

Les réactions qui libèrent de l'énergie sont dites EXOTHERMIQUES.(du latin "exo" - vers l'extérieur). Par exemple, la combustion du méthane :

CH 4 + 2O 2 \u003d CO 2 + 2H 2 O + Q

Les réactions qui se produisent avec l'absorption d'énergie sont appelées ENDOTHERMIQUES(du latin "endo" - à l'intérieur). Un exemple est la formation de monoxyde de carbone (II) CO et d'hydrogène H 2 à partir du charbon et de l'eau, qui ne se produit que lorsqu'il est chauffé.

C + H 2 O \u003d CO + H 2 - Q

Les effets thermiques des réactions chimiques sont nécessaires pour de nombreux calculs techniques.

Les effets thermiques des réactions chimiques sont nécessaires pour de nombreux calculs techniques. Imaginez-vous un instant en tant que concepteur d'une puissante fusée capable de lancer vaisseaux spatiaux et autres charges utiles (fig.).

Riz. La fusée russe Energia la plus puissante au monde avant son lancement au cosmodrome de Baïkonour. Les moteurs de l'un de ses étages fonctionnent aux gaz liquéfiés - hydrogène et oxygène.

Supposons que vous connaissiez le travail (en kJ) qui devra être dépensé pour livrer une fusée avec une charge de la surface de la Terre à l'orbite, vous connaissez également le travail pour surmonter la résistance de l'air et les autres coûts énergétiques pendant le vol. Comment calculer l'approvisionnement requis en hydrogène et en oxygène, qui (à l'état liquéfié) sont utilisés dans cette fusée comme carburant et comburant?

Sans l'aide de l'effet thermique de la réaction de formation d'eau à partir d'hydrogène et d'oxygène, cela est difficile à faire. Après tout, l'effet thermique est l'énergie même qui devrait mettre la fusée en orbite. Dans les chambres de combustion de la fusée, cette chaleur est convertie en énergie cinétique de molécules de gaz chaud (vapeur), qui s'échappe des tuyères et crée la poussée du jet.

À industrie chimique les effets thermiques sont nécessaires pour calculer la quantité de chaleur nécessaire pour chauffer les réacteurs dans lesquels se produisent les réactions endothermiques. Dans le secteur de l'énergie, en utilisant la chaleur de combustion du combustible, la génération d'énergie thermique est calculée.

Les nutritionnistes utilisent les effets thermiques de l'oxydation produits alimentaires dans le corps pour compiler les bons régimes non seulement pour les patients, mais aussi pour personnes en bonne santé- athlètes, travailleurs de diverses professions. Traditionnellement, pour les calculs, ce ne sont pas les joules qui sont utilisés ici, mais d'autres unités d'énergie - les calories (1 cal = 4,1868 J). La teneur énergétique des aliments se réfère à une certaine masse de produits alimentaires : à 1 g, à 100 g, voire à l'emballage standard du produit. Par exemple, sur l'étiquette d'un pot de lait concentré, vous pouvez lire l'inscription suivante : "teneur en calories 320 kcal/100 g".

№2. Puzzle "Lettres non répétitives".

Pour résoudre ce casse-tête, examinez attentivement chaque ligne. Choisissez parmi eux des lettres qui ne se répètent jamais. Si vous le faites correctement, vous pouvez utiliser ces lettres pour faire un proverbe sur les règles à suivre en cas d'incendie.

ADITIONELLEMENT: