Wiesław Apostoluk PROCESY SPALANIA

Transkrypt

1 Wiesław Apostoluk PROCESY SPALANIA Większość pierwiastków chemicznych i szereg innych substancji w odpowiednich warunkach reaguje z tlenem. Proces taki nazywamy utlenieniem. W temperaturze pokojowej tlen jest stosunkowo bierny chemicznie i tylko nieliczne substancje reagują z nim w tej temperaturze. Do takich substancji zalicza się np. fosfor, który w temperaturze pokojowej utlenia się na powietrzu, a z czystym tlenem reaguje w sposób gwałtowny zgodnie z równaniem: P 4 + 5O 2 = 2P 2 O 5. W procesach utleniania charakterystyczne jest, że łączenie się danej substancji z tlenem w niskich temperaturach zachodzi z bardzo małą szybkością. Pomimo tego, że w większości przypadków proces ten przebiega z wydzielaniem ciepła, aby reakcję przyspieszyć należy substancję ogrzać. Powyżej pewnej temperatury reakcja przebiega już bez naszej ingerencji i podtrzymywana jest kosztem wydzielającego się ciepła. Duże ilości wydzielającego się ciepła powodują znaczny wzrost temperatury utlenianej substancji, oraz zwiększają szybkość reakcji utleniania i doprowadzają do stanu, w którym przebieg jej ma charakter gwałtowny. Oprócz efektów cieplnych mamy wówczas do czynienia z rozżarzeniem się utlenianej substancji, emisją promieniowania cieplnego i pojawieniem się płomienia. Taki przebieg procesu utleniania nazywamy spalaniem. Temperaturę, w której następuje gwałtowny przebieg procesu utleniania danej substancji a charakter jego jest typowy dla procesu spalania, nazywamy temperaturą zapłonu. Ciepło wydzielone podczas reakcji utleniania (spalania) liczone na 1 mol utlenianej substancji, nazywamy ciepłem reakcji utleniania (spalania). Ciepło to jest odniesione do temperatury 298K (25 o ) i ciśnienia kpa oraz normalnych stanów skupienia substratów i produktów reakcji odpowiadających tej temperaturze i ciśnieniu (mówimy wówczas o stanie standardowym dla substratów i produktów). Wyjaśnimy to na przykładzie reakcji spalania metanu zachodzącej zgodnie z równaniem: CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + Q, Q = 66,7 kj/mol CH 4, gdzie Q jest ciepłem spalania. Mieszanina reakcyjna kosztem ciepła reakcji ogrzewa się tak znacznie, że powstająca obok CO 2 woda jest w postaci pary. Standardowym

2 stanem skupienia wody w temperaturze 298K jest stan ciekły, zaś pozostałych substancji gazowy. Ciepło powyższej reakcji należy więc zmierzyć po ochłodzeniu mieszaniny reakcyjnej do temperatury 298 K i po skropleniu się pary wodnej. W przypadku substancji o charakterze paliw ciepło spalania podaje się w przeliczeniu na 1kg lub 1m 3, przy czym ciepło to odniesione jest również do temperatury 298 K i standardowych stanów skupienia produktów spalania, gdy spalanie paliwa jest całkowite. Przy spalaniu metanu, spalanie niecałkowite mogłoby mieć np. następujący przebieg: CH 4 + 3/2 O 2 = CO + 2H 2 O + Q. Wydzielone w tej reakcji ciepło jest oczywiście mniejsze od ciepła wydzielonego w reakcji spalania całkowitego. Przez wartość opałową paliwa takiego, jak np. benzyna, gaz ziemny, metan itp., rozumiemy ciepło całkowitego spalania 1kg lub 1m 3 paliwa odniesione do temperatury 298 K, gdy woda powstała jako jeden z produktów spalania pozostaje w stanie pary. Wartość opałowa jest więc mniejsza od ciepła spalania o ciepło kondensacji wydzielonej wody. Do typowych reakcji utleniania zaliczyć można reakcje niektórych niemetali z tlenem powietrza lub czystym tlenem. Przebieg tych reakcji jest niejednokrotnie gwałtowny i jak już zaznaczono ma typowe cechy procesu spalania. Reakcje wielu substancji organicznych z powietrzem lub tlenem są również w wielu przypadkach reakcjami o charakterze spalania, a w ich wyniku jako produkty spalania całkowitego powstają dwutlenek węgla i woda. Jeżeli substancja organiczna zawiera azot, siarkę lub fosfor, to obok dwutlenku węgla i wody jako produkty spalania całkowitego tworzą się odpowiednie połączenia tlenowe tych pierwiastków. Powstanie popiołu w trakcie spalania substancji organicznych lub pochodzenia organicznego (węgiel kamienny, torf itp.) uwarunkowane jest zawartością metali lub substancji mineralnych. Aktywne chemicznie metale reagują nie tylko z powietrzem lub z tlenem lecz ulegają utlenianiu za pomocą fluoru, chloru itp. Bardzo często ogrzany metal spala się w wyniku takiej reakcji. Żelazo po rozżarzeniu do pewnej temperatury spala się w

3 tlenie. Zjawisko piroforyczności rozdrobnionego żelaza wykorzystuje się do produkcji "zimnych ogni". Liczne metale spalają się w gazowym chlorze. Przykładem takiej reakcji jest spalanie żelaza, które zachodzi zgodnie z równaniem: Fe + 3/2 Cl 2 = FeCl 3. Gazowy chlor podtrzymuje palenie. Dowodem na to jest fakt, że zapalona świeczka umieszczona w naczyniu z chlorem nie gaśnie, a spala się kopcącym płomieniem. Podobnie zachowuje się gazowy fluor. Do substancji o charakterze paliw zaliczamy drewno, torf, węgiel brunatny i kamienny, koks, benzynę, oleje napędowe, mazut, gazy: ziemny, generatorowy, wielkopiecowy i świetlny. Paliwa dzielimy na podstawie ich stanu skupienia na stałe, ciekłe i gazowe, zaś ze względu na sposób ich otrzymania na naturalne i sztuczne. Do paliw naturalnych zaliczyć należy drewno, torf, wszystkie gatunki węgli kopalnych, ropę naftową, gaz ziemny. Do paliw sztucznych zaliczamy brykiety z różnych gatunków węgli, węgiel drzewny, koks gazowniczy i hutniczy, produkty przeróbki ropy naftowej i upłynnienia węgla, gazy otrzymywane przez procesy destylacji rozkładowej drewna i węgli oraz przez zgazowanie paliw stałych itp. Wśród paliw sztucznych osobną grupę stanowią paliwa rakietowe. Paliwa te charakteryzują się dostarczaniem dużych ilości ciepła w przeliczaniu na jednostkę masy spalanej substancji. Do grupy tej zaliczamy takie substancje jak nitrometan, nitrogliceryna, roztwór azotanu amonu w ciekłym amoniaku, mieszaninę alkoholu metylowego z czystym nadtlenkiem wodoru, mieszaninę nitrocelulozy z nitrogliceryną, borowodory itp. Cechą charakterystyczną każdego paliwa jest jego wartość opałowa, na podstawie której określa się przydatność danego paliwa do określonych celów energetycznych. W tabeli 1 przedstawiono wartości opałowe niektórych substancji wykorzystywanych jako paliwa lub jako składnik paliw (koks, metan, tlenek węgla). Produktami spalania pospolitych paliw stałych, zarówno sztucznych jak naturalnych, są gazy spalinowe składające się z tlenków węgla, pary wodnej i zanieczyszczone z reguły związkami siarki, azotu itp., oraz popiół i części stałe unoszone w dymie (sadza). Paliwa ciekłe i gazowe charakteryzują się tym, że spalane nie dają popiołu, powstanie którego uwarunkowane jest zawartością substancji

4 mineralnych. Spaliny składają się najczęściej z pary wodnej i tlenków węgla, które mogą być zanieczyszczone np. związkami siarki, czy azotu. Tabela 1. Ciepła spalania i wartości opałowe niektórych substancji. Reakcja spalania Ciepło spalania Wartość opałowa MJ kg -1 MJ kg -1 2H 2 + O 2 = 2H 2 O S (romb) + O 2 =SO C (diam) + O 2 = CO C (graf) + O 2 = CO P 4 + 5O 2 = 2P 2 O C (koks) + O 2 = CO CO+ 0.5O 2 = CO CH 4 +2O 2 =CO 2 +2H 2 O C 2 H 4 +3O 2 =2CO 2 +2H 2 O CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Doświadczenie 1. Do płytkiej dużej zlewki (krystalizatorki) nalej wody do połowy wysokości. Na małym, odwróconym wypukłością ku górze, szkiełku zegarkowym umocuj ogarek świecy. Szkiełko wraz ze świecą umieść w zlewce z wodą. Świeczkę zapal i przykryj ją zlewką o pojemności 250 cm 3. Zaobserwuj przebieg palenia się świeczki. Wyniki obserwacji zanotuj i wytłumacz. Doświadczenie 2. Spalanie magnezu w powietrzu. Na końcu żelaznego drutu umocuj kawałek cienkiej wstążki magnezowej. Do zlewki wlej około 50 cm 3 wody destylowanej i dodaj kilka kropel fenoloftaleiny. Następnie spal nad zlewką wstążkę magnezową. Wymieszaj roztwór. O czym świadczy powstała barwa roztworu. Napisz równanie reakcji spalania magnezu w powietrzu. Napisz równanie reakcji powstającego w wyniku spalania tlenku magnezu z wodą. Który z reagentów jest utleniaczem, a który reduktorem? Doświadczenie 3. Spalanie magnezu w CO 2. Umocuj kawałek cienkiej wstążki magnezowej na końcu drutu. Zapal magnez w płomieniu palnika i szybko wprowadź go do dużej probówki napełnionej dwutlenkiem węgla. Opisz zachodzącą reakcję oraz zapisz jej równanie. Co jest w tej reakcji reduktorem a co utleniaczem. Doświadczenie 4. Spalanie żelaza w powietrzu. Zapal metaliczne żelazo oklejone wokół pręcika drucianego lub popularny "zimny ogień" w płomieniu palnika. Określ produkty

5 spalania żelaza wiedząc, że poszczególne tlenki żelaza mają następujące właściwości: tlenek żelazowy (niemagnetyczny, brunatno-czerwony), tlenek żelazawo-żelazowy (magnetyczny, czarny), tlenek żelazawy (czarny, niemagnetyczny). Zapisz reakcje spalania żelaza w powietrzu. Doświadczenie 5. Spalanie węgla kamiennego i zawartych w nich związków siarki oraz określenie zawartości popiołu. Odważ w dwóch tygielkach porcelanowych po jednym gramie węgla z dokładnością do g. Do jednego z nich dodatkowo wprowadź 1.0 g CaO. Dobrze wymieszaj zawartość drugiego tygielka zawierającego węgiel z wapnem. Przez lekkie potrząsanie tygielkami spowoduj ułożenie się próbki w postaci równomiernej warstwy. Otwórz drzwiczki pieca ogrzanego do 800 o. Połóż tygielki otwartych drzwiczkach pieca i przesuwaj je w kierunku głębi pieca 1 cm na minutę. Gdy tygielki znajdą się w strefie żarzenia mufli zamknij drzwi pieca i pozostaw w nim próbki na 15 minut. Następnie wyciągnij próbki, ostudź tygielki na powietrzu. Określ wagę tygielka z popiołem, który nie zawierał CaO oraz oblicz zawartość popiołu w węglu. Zakładając, że zawartości pierwiastka węgla, wodoru i tlenu w badanym węglu kamiennym oddaje wzór sumaryczny C 9 H 3 O zapisz reakcję jego spalania w powietrzu. Do drugiego tygielka, który zawierał CaO, dodaj 10 cm kmol/m 3 HCl. Po kilku minutach mieszania zawiesiny odstaw tygielek, poczekaj na opadnięcie cząstek, a następnie zdekantuj roztwór wodny do probówki. Określ czy w roztworze znajdują się jony siarczanowe przez reakcję z 2 cm kmol/m 3 roztworu BaCl 2. Opisz skąd wziął się w popiele siarczan wapnia (gips) wiedząc, że węgiel zawierał około dwa procenty pirytu (FeS 2 ). Zapisz reakcje spalania pirytu wiedząc, że powstający SO 2 w obecności tlenu wiązany jest przez CaO.