Лекция 2. Кинетика химических реакций горения.

Цепные реакции

Скорость протекания реакций зависит от различных физических и химических факторов.

Скоростью гомогенной реакции называется количество вещества, реагирующего в единице объема за единицу времени, т.е. изменение концентрации одного из компонентов реагирующих веществ за единицу времени.

Скоростью гетерогенной реакции называется количество вещества, реагирующего на единице поверхности за единицу времени.

Скорость как гомогенной, так и гетерогенной реакции при постоянном давлении и неизменном количестве посторонних примесей зависит от температуры и концентрации реагирующих веществ.

Для необратимых реакций, имеющих место при сжигании твердых, жидких и газообразных топлив в распространенных топливосжигающих устройствах, скорость их протекания может быть описана зависимостью:

W = k∙C_гор^α∙C_ок^β = k^′С_ок ^β,

где k – константа скорости химической реакции;

С_гор и С_ок – концентрации горючего и окислителя;

α и β – порядок реакции по горючему и окислителю;

k^′=k C_гор^α∙ - постоянная реакции гетерогенного горения (при гетерогенном горении концентрация горючего на поверхности частицы жидкого или твердого топлива остается постоянной).

В реальных условиях при сжигании толива концентрации реагирующих веществ можно условно считать неизменными, так как в зону горения поступает непрерывный приток новых компонентов. Скорость химических реакций горения очень быстро возрастает с ростом температуры. Константа скорости реакции характеризует собой скорость химической реакции при данной температуре и определяется экспоненциальным уравнением Аррениуса:

k = k_o∙ e ^{-E / RT},

где k_o – коэффициент пропорциональности, характеризующий полное число столкновений всех молекул в единице объема реагирующей смеси (его величина пропорциональна и зависит от природы реагирующих веществ);

R = 8,31 кДж/(кмоль∙К) – универсальная газовая постоянная;

Т – абсолютная температура.

Быстрое протекание реакции горения вызывается не только влиянием температуры, но и в результате особого характера химических превращений - цепных реакций. Носителями этих реакций являются особые активные частицы – радикалы и атомы, обладающие свободными валентными связями. Появление этих активных частиц объясняется тем, что в действительности реакции горения протекают не непосредственно между молекулами исходных веществ, а через промежуточные стадии, в которых образуются промежуточные активные продукты.

При столкновении активных частиц с исходными молекулами или конечными продуктами горения взаимодействие между ними происходит при значительно меньших значениях энергии активации (избыточной энергии), чем при молекулярных процессах. Причем в особого рода цепных реакциях – разветвленных – скорость реакции может бурно расти за счет того, что в результате взаимодействия активного центра с молекулой образуется несколько активных центров. Дополнительно созданные активные частицы начинают собственные цепи превращений, приводя к еще большему накоплению активных центров и лавинообразному нарастанию скорости суммарного процесса.

Однако в некоторых реакциях активные частицы могут взаимодействовать с другими частицами таким образом, что активные центры вообще не будут образовываться. Такие реакции ведут к обрыву цепной реакции.