Химия процессов горения

Министерство Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным 

ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий

ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

С.И. Матерова

ХИМИЯ ПРОЦЕССОВ ГОРЕНИЯ

Практикум

по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность»

Железногорск - 2017

УДК 614.841.11
ББК 24.54

М 34

Рецензенты:

В.С. Садыкова, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории 

химических 
исследований 
биологически 
активных 
соединений 
микробного 
происхождения. 

Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Институт по изысканию новых 

антибиотиков имени Г.Ф. Гаузе» РАН

А.А. Шубин, кандидат химических наук, доцент кафедры физической и неорганической химии 

СФУ.

Матерова
С.И. Химия процессов горения: учебное пособие / С.И. Матерова. –

Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017. – 63 

с.

Учебное пособие по дисциплине «Химия процессов горения» написано в соответствии с 

программой 
изучения 
дисциплины 
и 
с 
требованиями 
Федерального 
государственного 

образовательного стандарта высшего образования для осуществления основной образовательной 

программы по специальности 20.05.01 – «Пожарная безопасность».

В пособии рассматриваются теоретические вопросы и практические задачи. Значительное 

место уделено решению практических примеров и задач. Приведены
вопросы расчетного 

индивидуального задания, вопросы для самостоятельной подготовки и для самоконтроля, список 

необходимой литературы.

Учебное пособие предназначено для организации практических занятий и самостоятельной 

подготовки курсантов, студентов и слушателей, изучающих курс «Химия процессов горения».

УДК 614.841.11
ББК 24.54

ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2017

Практические 
и 
теоретические 
вопросы 
«Практикума» 
составлены 
в 

соответствии с требованиями Федерального государственного образовательного 

стандарта по химии для инженерно-технических специальностей вузов и учебной 

программой по дисциплине «Химия процессов горения» по специальности 20.05.01 –

«Пожарная безопасность», базируются на знаниях изученных ранее естественно
научных дисциплин.

Применен процессный подход, позволяющий представить дисциплину «Химия 

процессов горения» как предшествующую изучению профессиональных дисциплин: 

«Теория горения и взрыва», «Физико-химические основы развития и тушения 

пожаров» и других смежных с ними дисциплин.

В пособии представлено 7 тем. Для каждой темы приводятся перечень и 

основные теоретические вопросы дисциплины, примеры решения задач, вопросы для 

самоконтроля, вопросы расчетного индивидуального задания.

В конце каждой темы даны вопросы для самоконтроля. Их выполнение позволит 

успешно освоить дисциплину.

Предоставлен 
список 
литературы, 
который 
будет 
способствовать 

самостоятельному изучению дисциплины и успешной подготовки к экзамену. 

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Тема 1. Общие сведения о горении. Горение и окисление.
5

Тема 2. Пожарная опасность неорганических веществ.
11

Тема 3. Пожароопасные свойства углеводородов.                  
21

Тема 4. Пожароопасные свойства кислородосодержащих органических 

соединений.
30

Тема 5. Органические вещества, содержащие азот и серу.
39

Тема 6. Полимеры и полимерные материалы.
47

Тема 7. Химия огнетушащих веществ.
54

Вопросы расчетного индивидуального задания.
60

Список использованной литературы.
61

Тема 1. Общие сведения о горении. Горение и окисление.

Вопросы, рассматриваемые на теме 1.

Физико-химическая природа процессов горения веществ и материалов.  

Химические реакции, сопровождающие горение. Горение как окислительно
восстановительный процесс, тепловой эффект реакции горения. Законы Гесса.

Материальный баланс процессов горения. Брутто-уравнение реакции горения. 

Расход теоретического и практического воздуха на горение. Стехиометрический 

состав горючей смеси, стехиометрические коэффициенты. Коэффициент избытка 

воздуха.

По теме 1 необходимо изучить:

1. Физико-химическая природа горения веществ и материалов. Количественные 

показатели пожарной опасности веществ.

2. Материальный баланс процесса горения, тепловой эффект реакции.

3. Уравнения горения веществ в кислороде и в воздухе. Коэффициент избытка 

воздуха, стехиометрические коэффициенты.

4. Расчет объема воздуха и расчет продуктов горения при различных условиях.

5. Расчет относительной плотности газа (пара).

Теоретическая часть

Горение – это совокупность, как правило, самоподдерживающихся сложных 

физико-химических процессов, основой которых являются быстропротекающие 

химические реакции окисления, сопровождающиеся выделением большого количества 

тепла и света.

Известно, что для возникновения горения необходимо наличие:

горючего вещества;

окислителя;

источника зажигания (энергетический импульс).

Эти три составляющие часто называют треугольником пожара. Если исключить 

одну из них, то горение не возникнет. Это важнейшее свойство треугольника 

используют на практике для предотвращения и тушения пожара.

Баланс (от фр. balance - весы) - совокупность показателей для оценки какого
либо явления путем сопоставления или противопоставления отдельных его сторон. 

Для процессов массо- и теплообмена баланс - это математическое выражение закона 

сохранения массы или энергии, которое связывает значения массы или теплоты 

исходных (приход) и конечных (расход) веществ. При этом приход всегда равен 

расходу. 

Схематично с учетом прихода и расхода материальный баланс можно 

представить в виде:

Горючее + окислитель = Продукты горения 

Приход                            Расход

Общее уравнение реакции горения любого углеводорода:

СmHn + (m+n/4) O2 = mCO2 + n/2Н2О + Q

где m, n – число атомов углерода и водорода в молекуле;

Q – тепловой эффект реакции или теплота сгорания.

Расчеты ведутся для:

1. Индивидуальных химических веществ (углеводородов, неорганических веществ, 

кислородсодержащих, 
азотсодержащих 
и 
серосодержащих 
органических 

соединений);

2. Смесей газов и паров;

3. Горючих сложных веществ с известным элементным составом.

Общее уравнение материального баланса процесса горения в воздухе выглядит 

следующим образом:

Гор + (О2 + 3,76N2) =
ni [ПГi] + 
3,76N2.

Стехиометрическая концентрация – такая концентрация, когда реагирующие 

вещества взяты в эквивалентных отношениях, при этом коэффициент избытка воздуха 

равен единице.

Коэффициент избытка воздуха показывает, во сколько раз в зону горения 

поступило воздуха больше, чем теоретически необходимо для полного сгорания 

вещества:

α = Vв.пр./ Vв.теор.

Вычисление 
количества 
продуктов 
горения 
базируется 
на 
уравнении 

материального баланса процесса горения следующего вида:

Гор + (О2 + 3,76N2) = nССО2 + nНH2О + nSSО2 + nNN2 + 3,76N2 + Vв.

Вычисление тепловых эффектов реакции

По 1 следствию закона Гесса рассчитывают тепловой эффект реакции горения:

где  ∑∆Но пр. – сумма теплот образования продуктов реакции;

∑∆Ноисх. – сумма теплот образования исходных веществ;

При этом, необходимо учитывать, что теплота образования простых веществ 

равна нулю.

Задания, рассматриваемые на теме 1.

1. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав продуктов горения 29 кг 

ацетона (СНзСОСНз) при t=15 oС и Р = 760 мм рт. ст., если горение протекает с 

коэффициентом избытка воздуха, равным 1,4.

2. Рассчитать плотность паров по воздуху для хлора, аммиака, сероводорода и 

фтора, указать их пожарную опасность.

3. Рассчитать коэффициент горючести для С3Н8О3, H3PO4 , (CH3)3PO4.

4. Записать уравнение реакции горения метиламина в воздухе и рассчитать 

количество веществ, участвующих в этой реакции.

5. Записать уравнение и вычислить тепловой эффект реакции горения пропилового 

спирта по закону Гесса.

6. Сколько молей азота образовалось при полном сгорании 1 моля ацетилена в 

воздухе?

7. Какой объем воздуха потребуется для сгорания 1 кмоля этилацетата при 

температуре 27оС и давлении Р=770 мм рт.ст?

8. Написать уравнение материального баланса горения октана и диметилового эфира 

в воздухе. Определить стехиометрические коэффициенты, указать пожарную 

опасность веществ, участвующих в процессе горения.

Пример решения задач по т.1.

Задача 1. Сколько молей исходных веществ и продуктов реакции образуется при 

полном  сгорании 1 моля толуола С6Н5СН3 в воздухе.

Решение

1.Записываем уравнение реакции горения толуола в воздухе:

С6Н5СН3 + 9(О2 + 3,76N2) = 7CO2 + 4H2O + 9*3,76 N2

2. Исходные вещества: 1 моль толуола;

9 молей кислорода;

9*3,76 молей азота;

Всего молей исходных веществ: 1 + 9 + 9*3,76 = 43,84 моля.

3. Продукты горения: 7 молей углекислого газа;

4 моля воды;

9*3,76 молей азота.

Всего молей продуктов реакции: 7 + 4 + 9*3.76 = 44,84 моля.

Всего молей, участвующих в процессе горения толуола:  

43,84 + 44,84 = 88,68 моля.

Аналогичные расчеты проводятся при  сгорании 1 киломоля горючего 

вещества.

Задача 2. Каков тепловой эффект реакции образования этилацетата С4H8O2, если 

его энтальпия 
H = - 2256,3 кДж/моль.

Решение

По 1 следствию закона Гесса

тогда:

C4H8O2 + 5(O2+3,76N2)=4CO2+4H2O+5*3,76N2

Находим отсюда 

По 2 следствию закона: 
Hp= Hгор

Объединим оба уравнения: Hгор=4 HCO2+4 HH2O- HC4H8O2и получим

HP=4(-393,5)+4(-241,8) – (-2256,3)= - 284,9 кДж/моль

H<0 экзотермическая реакция

Mr (C4H8O2) = 88к г/кмоль 
H = -2256,3=Q=2256,3 кДж/моль

Q*= 

Q*=

Задача 3. Записать уравнение реакции горения 
– пентана, в кислороде. 

Указать параметры, влияющие на скорость реакции горения.

Решение 

Параметры, влияющие на скорость реакции горения:

1. Концентрация 
, чем больше концентрация исходных горючих веществ, 

тем выше скорость;

2. Давление: увеличение давления – снижает скорость (по принципу Ле Шателье).

3. Температура – при повышении температуры – увеличение скорости.

4. Катализатор;

5. Природа реагирующих веществ;

6. Дискретность: площадь соприкосновения частиц.

Задача 4. Рассчитать коэффициент горючести H2SO4 и C4H10O.

Формула для определения коэффициента горючести:

K = 4*n(C) + 4n (S) + n (H) + n(N)- 2n(O)-2n(Cl)- 3n(F)- 5n (Br),

где n – количество молей химических элементов;

В молекуле H2SO4 
n(H) = 2 
n (S) = 1
n(O)= 4

К = 4+2-2*4=-2 <1 следовательно – негорючие, т.к. К˂ 1;

К > 1 – горючее; к< 1 – негорючее

В молекуле C4H10O n(С) = 4 n(H) = 10 n (O) = 1

K = 4*4+10-2 = 24 следовательно – горючее вещество, т.к. К˂ 1.

Вопросы для самоконтроля

1. Что такое процесс горения и его основные стадии? Виды и режимы горения, 

пламя.

2. Перечислить первичные и вторичные опасные факторы пожара.

3. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав продуктов горения 20 кг 

С2Н5ОН при t=10 oС и Р=740 мм рт. ст.

4. Рассчитать объем воздуха, объем и процентный состав продуктов горения 37 кг 

бензола (С6Нб) при t=8 °С и Р = 750 мм рт. ст., если горение протекает с 

коэффициентом избытка воздуха, равным 1,8.

5. Записать выражение скорости реакции горения декана в кислороде и указать 

факторы, влияющие на нее.

6. Привести примеры природных источников тепла и их опасности. 

7. На какие группы подразделяются горючие вещества при расчете материального 

баланса процесса горения?

8. Определить % состав и количество продуктов горения 100 м3 генераторного газа, 

состоящего из 25% СО2, 5% Н2, 2% СН4, 8% СО, 60% N2.Условия стандартные. 

Коэффициент избытка воздуха равен 1,2.

9. Напишите уравнение реакции горения в воздухе  этилбензола С6Н5С2Н5 и укажите 

стехиометрические коэффициенты. Напишите выражение для теплового эффекта 

этой реакции и рассчитайте его, используя энтальпии образования веществ.

Распределение учебного времени по изучению темы 1.

Лекций – 6 часов. 

Практических занятий – 8 часов. 

Лабораторных работ – 4 часа. 

Самостоятельной работы – 10 часов.

Всего по теме: 28 часов.

Рекомендуемая литература:

Основная: [1- 4]

Дополнительная:[1-3]

Нормативно-правовые акты:[1,3,4].

Тема 2. Пожарная опасность неорганических веществ

Вопросы, рассматриваемые на теме 2.

Общая характеристика физико-химических и пожароопасных свойств элементов 

главных подгрупп Периодической системы элементов Д.И.
Менделеева и их 

соединений.

Простые вещества – металлы, неметаллы.