Wiesław Apostoluk

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:
P4 + 5O2 = 2P2O5.
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 (25o) i
ciśnienia 101.3 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:
CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O + Q, Q = 66,7 kJ/mol CH4,
gdzie Q jest ciepłem spalania. Mieszanina reakcyjna kosztem ciepła reakcji ogrzewa
się tak znacznie, że powstająca obok CO2 woda jest w postaci pary. Standardowym
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 1m3, 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:
CH4 + 3/2 O2 = CO + 2H2O + 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 1m3 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
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 Cl2 = FeCl3.
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
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
-1
MJ kg
MJ kg-1
2H2 + O2 = 2H2O
141.88
119.00
S(romb) + O2=SO2
9.27
9.27
C(diam)+ O2 = CO2
32.95
32.95
C(graf)+ O2 = CO2
32.89
32.89
P4 + 5O2 = 2P2O5
24.49
24.29
C(koks) + O2 = CO2
33.81
33.81
CO+ 0.5O2 = CO2
10.12
10.12
CH4+2O2=CO2+2H2O
55.56
49.80
C2H4+3O2=2CO2+2H2O
50.75
47.75
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 cm3. 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 cm3 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 CO2. 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
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 0.002 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 C9H3O zapisz reakcję jego spalania w powietrzu.
Do drugiego tygielka, który zawierał CaO, dodaj 10 cm3 0.001kmol/m3 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 cm3 0.01 kmol/m3 roztworu BaCl2. Opisz skąd wziął
się w popiele siarczan wapnia (gips) wiedząc, że węgiel zawierał około dwa procenty
pirytu (FeS2). Zapisz reakcje spalania pirytu wiedząc, że powstający SO2 w obecności
tlenu wiązany jest przez CaO.