1. PROCES A PODMÍNKY HOŘENÍ, HOŘLAVÉ LÁTKY V této kapitole se dozvíte: • • • • • •
Jak lze definovat hoření? Jak lze vysvětlit proces hoření? Jaké jsou základní podmínky pro hoření? Co jsou hořlavé látky (hořlaviny) a jak je lze klasifikovat? Které chemické vlastnosti ovlivňují hořlavost? Které fyzikální vlastnosti ovlivňují hořlavost?
Po jejím prostudování byste měli být schopni: • • • • • •
Definovat hoření. Vysvětlit proces hoření pomocí řetězové teorie oxidace. Popsat podmínky potřebné pro hoření. Znát způsob dělení hořlavých látek (hořlavin) dle nauky o fázích a příklady. Vysvětlit jak chemické vlastnosti ovlivňují míru hořlavosti. Znát ovlivnění hořlavosti fyzikálními vlastnostmi.
Klíčová slova této kapitoly: hoření, oxidace, hořlavá látka (hořlavina), oxidační prostředek, iniciační zdroj
Průvodce studiem Studium této kapitoly je náročnější pro ty z Vás, kteří dosud nemají potřebné znalosti anorganické chemie, týkající se především vysvětlení oxidačně-redukční reakce a potřebné znalosti z chemie organické. V takovém případě Vám zřejmě některé příklady budou připadat obtížně pochopitelné, ovšem nenechte se tím odradit, neboť pochopením této části se Vám usnadní studium následujících kapitol. Na studium této části si vyhraďte alespoň pět hodin. Doporučujeme studovat s přestávkami vždy po pochopení jednotlivých podkapitol. Po celkovém prostudování a vyřešení všech příkladů doporučujeme dát si pauzu, třeba 1 den, a pak se pusťte do vypracování korespondenčního úkolu.
Doba potřebná ke studiu: Na prostudování této kapitoly budete potřebovat 5 hodin svého volného času.
Proces hoření byl jedním z prvních chemických dějů, s nimiž se člověk setkal již na počátku své existence. Postupně se naučil tento proces ovládat a na základě uskutečněných vědeckých prací vznikla nauka o hoření.
Podle současné definice je hoření každá chemická reakce, která je doprovázena uvolňováním tepla a vyzařováním světla za současného vývinu zplodin hoření. Z této definice vyplývá, že hoření nemusí být pouze slučovací reakcí (slučování s oxidačním prostředkem → oxidace), ale i reakcí rozkladnou (výbuch).
1.1. Teorie oxidace Průběh procesu oxidace hořlavin lze vysvětlit peroxidovou a řetězovou teorií. Podle peroxidové teorie oxidace u těch hořlavých látek (hořlavin), u nichž neprobíhá oxidace při nižších teplotách, rozbíhá se reakční mechanismus zvyšováním teploty, tzn. dodáváním energie. Čím vyšší je obsah energie v molekule, tím jsou labilnější vazby v ní. Dosáhneme-li v molekule určité energetické hladiny, dochází k rozpadu molekuly na atomy a radikály, z nichž dále vznikají nové molekuly (o nižší molekulového hmotnosti). K podobnému uvolňování vazeb může dojít i při zahřívání. Je velice pravděpodobné, že současně s uvedenými reakcemi dochází i k aktivaci molekul kyslíku. O2 → – O – O – Aktivní molekula kyslíku se snadno slučuje s hořlavými látkami za vzniku primárních produktů oxidace tzv. hydroperoxidů a peroxidů. CH4 + – O – O – → CH3 – O – O –H CH3 – CH3 + – O –O – → CH3 – O –O – CH3
metylhydroperoxid dimetylperoxid
Primární produkty oxidace existují pouze krátkou dobu, vzhledem k jejich citlivosti při zahřívání se snadno rozkládají za vzniku nových látek nebo radikálů. Reakční mechanismus řetězové teorie oxidace lze vysvětlit na vzájemné reakci vodíku a chloru. Při osvětlení směsi H2 a Cl2 se molekula Cl2 vlivem energie rozpadá na atomy (aktivní částice) a slučuje se s H2 tak energicky, že dochází k výbuchu. Vysvětlení podává následující schéma reakcí: Cl2 + h . γ → Cl + Cl Cl + H2 → HCl + H H + Cl2 → HCl + Cl Cl + H2 → HCl + H H + Cl2 → Cl + Cl → Cl2 H + H → H2
primární reakce (iniciace) rozvoj reakčního řetězce (propagace)
další pokračování naznačeným způsobem ukončení řetězce (terminace)
Řetězová teorie oxidace doplňuje a rozvíjí peroxidovou teorii oxidace. Jestliže peroxidová teorie popisuje průběh počáteční oxidace a vznik peroxidů a hydroperoxidů, řetězová teorie oxidace dokazuje jak hydroperoxidy a peroxidy v důsledku tepelného rozkladu vytvářejí aktivní částice (radikály), které způsobují průběh řetězových reakcí.
1.2. Podmínky procesu hoření K procesu hoření je obvykle zapotřebí všech tří složek „spalovacího trojúhelníku“ (viz obr.1), výjimku představují samovzněcující se látky.
Obr.1.1 Jednotlivé složky spalovacího trojúhelníku budou dále rozebrány z potřebných hledisek, např. druhy oxidačních prostředků, dělení hořlavin, možné iniciační zdroje. V další kapitole budou diskutovány fyzikálně chemické vlastnosti, které poskytují první vstupní informace o možném nebezpečí i technicko bezpečnostní parametry, které míru nebezpečí kvantifikují.
1.3. Hořlaviny Hořlaviny představují širokou škálu přírodních a technických látek (tj. zpracované přírodní nebo zcela synteticky připravené), které v podmínkách požáru hoří a při chemické reakci, probíhající v těchto podmínkách, uvolňují teplo a zplodiny hoření. Z hlediska nauky o fázích rozdělujeme hořlaviny následovně(obr.1.2):
Obr.1.2 Čisté chemicky definované fáze dělíme na prvky a sloučeniny. Hořlavý prvek v plynném skupenství je vodík, v kapalném skupenství se hořlavý prvek nevyskytuje.
Nejvíce se hořlavé prvky vyskytují v tuhém skupenství, např. uhlík , síra, fosfor (nekovy) a sodík, draslík, hliník, hořčík. Čisté chemicky definované sloučeniny se vyskytují ve skupenství plynném (např. methan, ethan, propan, butan, ethen, fosfan, sulfan, oxid uhelnatý), ve skupenství kapalném (např. methanol, ethanol, propanol, butanol, aceton (2-propanon), kyselina octová,, diethylether (oxiran), sirouhlík, benzen, toluen, xylen) i ve skupenství tuhém (např. naftalen, antracen, kyselina palmitová, kyselina stearová). Jako příklad homogenních směsí lze uvést přírodní a technické směsi plynů (plynné skupenství), benziny, petroleje, mazací oleje (kapalné skupenství) a parafiny, asfalty, slitiny hořlavých kovů, (např. Elektron), uhlí, dřevo, bavlna (skupenství tuhé).
1.4 Hořlavost jako důsledek chemických vlastností látek Hořlavost látek závisí na jejich afinitě ke kyslíku jednak volnému, jednak chemicky vázanému ve sloučeninách. Celá řada látek organického nebo anorganického charakteru má takové složení molekuly, že ke spálení hořlavých prvků mají dostatek kyslíku ve vlastní molekule. Řadíme je do skupiny výbušnin, např. trinitrotoluen, trinitrofenol (kys. pikrová), nitroglycerin (podstata dynamitu). Výsledkem oxidace prvků, chemicky nejjednodušších látek, jsou jejich oxidy. Podle toho, jak snadno tvoří prvek oxidy, a tvoří-li je vůbec, rozdělujeme prvky na hořlavé a nehořlavé. Nehořlavé prvky buď oxidy vůbec netvoří (např. vzácné plyny) nebo vznikají za abnormálních podmínek (např. dusík, chlor, brom, jod). Hořlavé prvky oxidy tvoří a tato reakce je výrazně exotermní (např. sodík, draslík, vápník, hliník, vodík, uhlí, síra, fosfor). Z rozdělení prvků na hořlavé a nehořlavé vyplývá, že jejich zastoupení ve sloučeninách ovlivňuje i hořlavost. Z hlediska chemického složení rozdělujeme hořlaviny na takové, které obsahují pouze prvky hořlavé (samotné prvky, chemicky definované sloučeniny složené pouze z hořlavých prvků a směsi prvků) a ty, které obsahují prvky hořlavé a nehořlavé. Hořlavost této skupiny látek závisí na počtu a hmotnosti zastoupených hořlavých prvků. Obecně lze konstatovat, že sloučeniny nebo jejich směsi jsou hořlavé, jestliže v nich převládají hořlavé prvky v množství (počtu) i v hmotnosti. Přítomnost nehořlavých prvků v molekulách sloučenin snižuje jejich hořlavost, případně je činí nehořlavými. Rada autora Umíte vysvětlit vliv nehořlavého prvku při srovnání míry hořlavosti benzenu a anilinu nebo metanu a tetrachlormetanu (chloridu uhličitého).
1.5 Vliv fyzikálních vlastností látek na jejich hořlavost Hořlavost látek je rovněž ovlivňována jejich fyzikálními vlastnostmi, a to zejména stupněm dělitelnosti (stupněm rozptýlení), modifikací, skupenstvím a rozdílným obsahem vnitřní energie. Zvyšováním dělitelnosti stoupá obsah energie a tím i reakční schopnosti. Jako příklad lze uvést rozdílné chování hořčíku v kusové formě, ve formě drátku a v práškové formě a dále hoření nafty v nádobě a zapálení motorové nafty v Dieselově motoru. Rada autora Umíte popsat rozdílné chování hořčíku v kusové formě, ve formě drátku a v práškové formě. Hořlavost látky může podstatně ovlivnit i její modifikace. Příklad modifikací fosforu bílý fosfor se samovzněcuje na vzduchu při teplotách 50 až 60 °C, červený fosfor hoří při zahřátí na 400 °C a černý fosfor není hořlavý vůbec. Další fyzikální vlastností látek, která ovlivňuje jejich hořlavost, je skupenství. Reakční schopnost hořlavin klesá od plynného přes kapalné až k tuhému skupenství. Ukazatelem reakční připravenosti molekuly je její obsah energie. K reakci jsou způsobilé takové částice, které mají určité množství energie navíc, tzv. aktivační energie. Aktivace molekul nastává působením různých druhů energií, např. chemické, světelné. Většina se aktivuje energií tepelnou, např.při zahřívání hořlavých směsí se aktivují molekuly kyslíku a vytváří předpoklady pro vznik peroxidů a hydroperoxidů, které jsou citlivé k zahřívání a snadno se rozkládají za vzniku radikálů, které jsou pak aktivními centry dalších reakcí.
Kontrolní otázky: 1. Z jakých částí je tvořena řetězová reakce. 2. Na čem závisí hořlavost látek. 3. Kterými fyzikálními vlastnostmi je ovlivňována hořlavost látek.
Úkoly k zamyšlení: 1. Zamyslete se nad dalšími příklady definovaných chemických sloučenin a konkrétními příklady homogenních směsí ve všech skupenstvích.
Shrnutí obsahu kapitoly: V této kapitole jste se seznámili s podmínkami procesu hoření, s klasifikací hořlavých látek podle nauky o fázích rovněž s tím, které chemické a fyzikální vlastnosti ovlivňují hořlavost a jak.
Literatura [1] Remy, H.: Anorganická chemie I a II. SNTL Praha 1962 [2] Pacák , J.: Stručné základy organické chemie. SNTL Praha 1978 [3] Sanders, R.E.: Chemical Proces Safety, Butterwort-Heinemann 1999. ISBN 0-75067022-3
