Развитие представлений о механизме химического взаимодействия в реакциях горения

И наоборот, при высоких давлениях (выше критического) активные частицы образуются массово, а доля обрывов цепи незначительна, поэтому происходит быстрый рост скорости реакции. Семенов назвал такой механизм цепными разветвленными реакциями. В течение следующих нескольких десятилетий теория разветвленных цепей была проверена на многочисленных реакциях окисления (горение гремучего газа, окисление фосфина, серы и др.), а также на реакциях образования сероводорода, силана и т. д. и всюду блестяще подтвердилась [8, с. 251–252]. За выдающиеся заслуги перед мировым сообществом Семенов был удостоен Нобелевской премии по химии в 1956 г. «За исследования в области механизма химических реакций».Глава 2 Современные представления о механизмах горенияГорение можно определить как относительно быструю экзотермическую реакцию, а пламя – как реакцию горения, способную распространяться в пространстве с дозвуковой скоростью. На сегодня известно, что реакции горения осуществляются через элементарные реакции протекающие в горючем газе. В процессах горения концентрация некоторой определённой частицы (атом, молекула или радикал) может изменятся в результате большого числа элементарных реакций. Скорость изменения концентрации каждой такой частицы поэтому равна сумме скоростей всех элементарных реакций, в которых эти частицы возникают, за вычетом скоростей всех элементарных реакций, в которых эти частицы расходуются. Поскольку скорость каждого элементарного акта описывается дифференциальным уравнением, то получается система таких уравнений. Развитие системы во время горения определяется путем численного интегрирования соответствующей системы обыкновенных дифференциальных уравнений при помощи компьютера [3, с. 12–15]. Расчет кинетики реакций горения, а, следовательно, и их механизм очень важен при разработке двигателей внутреннего сгорания, а также при внедрении новых видов топлива.Элементарная реакция на молекулярном уровне протекает в соответствии с уравнением. Реакция образования воды выражается уравнением:2H2 + O2 = 2H2O.Однако на деле оказывается, что эта реакция, какой бы простой она не казалась включает в себя порядка 40 элементарных стадий. Ниже приведены только основные из них:O2 + H = OH + OH2+ O = OH + HH2 + OH = H2O + HOH + OH = H2O + OH + H + M* = H2 + M*O + O + M* = O2 + M*H + OH + M* = H2O + M*H + O2 + M* = HO2 + M*HO2 + H = OH + OHHO2 + H =H2 + O2HO2 + H = H2O + OHO2 + O = OH + O2HO2 + OH = H2O + O2HO2 + HO2 = H2O2 + O2OH + OH + M* = H2O2 + M*H2O2 + H = H2 + HO2H2O2 + H = H2O + OHH2O2 + O = OH + HO2H2O2 + OH = H2O + HO2Концепция использования понятия элементарной реакции имеет много преимуществ. Порядок элементарных реакций всегда постоянный (и, в частности, он независим от времени и условий протекания реакции) и может быть легко определен. Необходимо только следить за молекулярностью реакции. Это число компонентов, которые образуют реакционный переходный комплекс (переходное состояние между исходными компонентами и продуктами реакции). Фактически, только следующие три возможные величины молекулярностиреакции наблюдаются на практике.Мономолекулярные реакции описывают превращение и диссоциацию молекул: А → продукты.Они подчиняются закону первого порядка по концентрации. Если начальная концентрация удваивается, то и скорость реакции также удваивается. Бимолекулярные реакции принадлежат к наиболее распространенному типу реакций. Они протекают в соответствии со следующими уравнениями: А + В → продуктыилиА + А → продукты.Бимолекулярные реакции всегда имеют второй порядок по концентрации. Удвоение концентрации каждого компонента реакции приводит к тому, что скорость реакции возрастает в четыре раза.Тримолекулярные реакции чаще всего являются реакциями рекомбинации:А + В + С → продукты; А + А + В → продуктыили А + А + А → продукты.Они подчиняются закону третьего порядка по концентрации реагентов [2, с. 84–92].Механизм горения углеводородного топлива принято также оформлять в виде схем. Так, схема горения метанола в дизельном двигателе может быть отображена следующим образом (см. рис. 1).Рис. 1 – Схема окисления метанол в дизельном двигателеВ некоторых случаях суммарный процесс включает несколько тысяч элементарных реакций, например, в случае самовоспламенения дизельного топлива, основным компонентом которого является цетан – C16H34. Такие огромные кинетические механизмы требуют и столь же грандиозных вычислительных затрат при моделировании процессов горения в двигателях из-за пространственно неоднородной структуры трехмерных турбулентных потоков с изменяющимися концентрациями и температурой, которые наблюдаются в них[2, с. 107].ЗаключениеНаука проделала длинный и сложный путь к пониманию процессов горения. Во время господства теории флогистона химики понимали под процессом горения химическую реакцию разложения металла на невесомый флогистон и окалину. В то время это казалось вполне логичным, ведь все сложные вещества при нагревании должны разлагаться. Оксиды металлов не разлагались при нагревании и их считали простыми веществами, а металлы сложными. Несмотря на убедительность этой теории химики пошли дальше и обуздали количественный метод, который подвел их новой теории горения – кислородной. Дальнейшее развитие этой теории привело к появлению фундаментальных работ в области химической кинетики, а также послужило базисом для формулирования радикально-цепного механизма реакций горения.В настоящее время проводится большое количество исследований в области выяснения механизмов горения разных видов топлива. Россия находится в числе передовиков данных исследований. В частности, на протяжении более десятка лет изучаются механизмы горения дизельного топлива в двигателях внутреннего сгорания. Актуальность этой темы сложно переоценить, поскольку запасы нефти постепенно исчезают. Новые виды топлива (например, рапсовое масло) в недалеком будущем полностью вытеснят углеводородные виды топлива.Список использованной литературыАзимов, А. Краткая история химии. Развитие идей и представлений в химии [Текст] / А. Азимов. – М.: Мир, 1983. – 187 с.Варнатц, Ю. Горение. Физические и химические аспекты, моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ [Текст]/ Ю. Варнатц[и др.]. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 352 с.Гардинер, У. Химия горения [Текст] / У. Гардинер[и др.]. – М.: Мир, 1988. – 464 с.Джуа, М. История химии [Текст] / М. Джуа. – М.: Мир, 1975. – 477 с.Соловьев, Ю. И. История химии. Развитие основных направлений современной химии [Текст] / Ю. И. Соловьев [и др.]. – 2-е изд., перераб. – М.: Просвещение, 1984. – 335 с.Соловьев, Ю. И. Очерки по истории физической химии [Текст] / Ю. И. Соловьев. – М.: Наука, 1964. – 342 с.Теддер, Дж. Промышленная органическая химия [Текст] / Дж. Теддер[и др.]. – М.: Мир, 1977. – 700 с.Фигуровский, Н. А. История химия [Текст] / Н. А. Фигуровский. – М.: Просвещение, 1979. – 311 с.Хитрин, Л. Н. Физика горения и взрыва [Текст] / Л. Н. Хитрин. – М.: Изд-во Московского университета, 1957. – 442 с.Штрубе, В. Пути развития химии. В 2-х томах. Т. 1. [Текст] / В. Штрубе.– М.: Мир, 1984. – 239 с.