Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Задание

1. Анализ строения молекулы аллилацетата

2. Определение горючести аллилацетата

3. Вычисление состава аллилацетата в массовых долях процента

4. Определение характера свечения пламени аллилацетата

5. Определение степени окисления и валентности атомов, входящих в состав молекулы аллилацетата

6. Определение наименее и наиболее полярных химических связей в молекуле аллилацетата

7. Определение окислителя и востановителя в реакции сгорания аллилацетата в атмосфере кислорода

8. Определение объема, занимаемого аллилацетатом при различных условиях

9. Определение объема воздуха, необходимого для полного сгорания аллилацетата

10. Определение объема продуктов сгорания аллилацетата в атмосфере воздуха

11. Рассчет количества молекул аллилацетата и О2, участвующих в полном сгорании всей массы горючего вещества

12. Расчет термодинамических характеристик процесса горения аллилацетата

13. Оценка пожарной опасности аллилацетата

Список использованной литературы

Задание

Произошел взрыв на ректификационной башне с разрывом основного стального корпуса. При этом жидкое горючее вещество аллилацетат массой 460 кг, находящееся в ректификационной башне переходит в газообразное состояние и полностью сгорает.

Задания:

1. Проанализируйте строение молекулы вещества. К какому классу соединений относится вещество? С5Н8О2

2. Определите горючесть вещества.

3. Используя закон кратных отношений, вычислите состав вещества в массовых долях процента.

4. Определите характер свечения пламени вещества.

5. Определите степени окисления и валентность атомов, входящих в состав молекулы вещества.

6. Определите наименее и наиболее полярные химические связи в молекуле вещества.

7. Определите окислитель и востановитель в реакции сгорания вещества в атмосфере килорода. Определите стехиометрические коэффициенты методом электронного баланса. Рассчитайте количество моль вещества, вступившего в реакцию сгорания.

8. Определите объем, занимаемый веществом при переходе из жидкого в газообразное состояние при t = 13500C и р = 101,325 кПа. Рассчитайте объем, занимаемый газообразным вещетсвом при 1273 К и р = 1 атм.

9. Определите объем воздуха, необходимый для полного сгорания вещества при t = 15000C и р = 101,325 кПа.

10. Определите объем продуктов сгорания вещества в атмосфере воздуха и их процентное соотношение.

11. Рассчитайте количества молекул вещества и О2, участвующих в полном сгорании всей массы горючего вещества.

12. Рассчитайте ?rH0, ?rS0, ?rG0(T = 298,15 K) реакции полного сгорания вещества в атмосфере кислорода. Определите, какое количество тепла выделится при сгорании 0,73 т вещества.

13. Воспользовавшись справочной литературой, оцените пожарную опасность вещества. Приведите составы и способы тушения пожаров с участием вещества.

1. Анализ строения молекулы аллилацетата

Аллилацетат с бруттоформулой С5Н8О2 является сложным эфиром, образованным аллиловым спиртом и уксусной кислотой:

Физико-химические свойства. C5H8O2.

М.м. 100,12.

Ткип 103,5-104,5°,

Твсп 6є;

d420 0,9277; nD20 1,4040.

Растворимость в воде 3%,

Растворяется в бензоле, смешивается с этанолом и эфиром.

Получение. Взаимодействием уксусной кислоты с пропиленом при окислении.

Применение. Растворитель в лакокрасочной промышленности.

Химическое поведение, реакционная способность молекулы зависит от природы составляющих ее атомов и от их взаимного расположения. Образуя молекулы, атомы изменяют свое состояние, влияют друг на друга. Наиболее сильно взаимодействуют между собой атомы, образующие химические связи.

Реагенты и продукты изучаемой реакции имеют неполярные (С - С, С = С) и полярные (С - Н, С - О, С = О) ковалентные связи, возникающие в результате обобщения не спаренных валентных электронов с противоположными спинами. Зная число электронов во внешней оболочке атомов для любого органического и неорганического соединения легко написать октетные формулы. В них учитываются только внешние электроны атомов, как образующих так и не образующих химические связи.

Электронное строение аллилцетата

Строение аллилацетата как сложного эфира может быть представлено двумя резонансными структурами:

Эфирная группировка планарна или близка к планарной: простая связь С -- О (структура I) имеет конформацию с цисоидным расположением карбонильной двойной связи и связи О -- R.

Длина связи С = О 0,119-0,122 нм, связи С -- О 0,131-0,136 нм, углы ОСО 122-126°, СОС 113-118°.

Кислород является более электроотрицательным элементом, по сравнению с углеродом, и поэтому электронная плотность смещена в сторону кислорода.

Карбонильная группа в молекуле аллилацетата отдалена от двойной связи, поэтому в данном соединении не наблюдается сопряжения связи с заместителем и поляризующее влияние на его р - связь проявляется в значительно меньшей степени, чем, например, в молекулах винильных соединений. Эти особенности химического строения аллилацетата обуславливают его малую реакционную способность в процессах полимеризации. Еще менее активен его радикал.

2. Определение горючести аллилацетата

По способности гореть вещества и материалы классифицируют на негорючие, трудногорючие, горючие.

Негорючие - вещества и материалы, не способные к горению в воздухе.

Трудногорючие - вещества и материалы, способные к горению в воздухе при воздействии источника зажигания, но не способные самостоятельно гореть после его удаления.

Горючие - вещества и материалы, способные самовозгораться, а также возгораться при воздействии источника зажигания и самостоятельно гореть после его удаления.

Горючесть вещества оценивается по коэффициенту горючести, обозначаемому буквой К, который рассчитывается по формуле:

К = 4nC + 4nS + nH + nN - 2nO - 2nCl - 3nF - 5nBr

где:

nC, nS, nH, nN, nO, nCl, nF, nBr - соответственно число атомов углерода, серы, водорода, азота, кислорода, хлора, фтора, брома в молекуле вещества.

Если расчётное значение К 0 - вещество негорючее, 0 К 2 - вещество трудногорючее, К > 2 - вещество является горючим.

Для аллиацетата

nC = 5

nH = 8

nO = 2

К = 4*5 + 8 - 2*2 = 24 > 2, следовательно, аллилацетат - горючее вещество.

3. Вычисление состава аллилацетата в массовых долях процента

М.м. аллилацетата = 100,12.

Таким образом, в 1 моль вещества содержится (согласно бруттоформуле C5H8O2):

5*12,01 г углерода,

1,00*8 г водорода,

15,999*2 г кислорода.

В массовых долях процента:

С: (5*12,01)/ 100,12*100 = 59,978 %

Н: (1,00*8)/ 100,12*100 = 7,99 %

О: (15,999*2)/ 100,12*100 = 31,959 %

или С : Н : О = 7,5 : 1 : 4

4. Определение характера свечения пламени аллилацетата

Характер свечения пламени зависит от состава горючего вещества (главным образом от процентного соотношения углерода и кислорода).

Таблица 1

Характер свечения пламени в зависимости от состава горючего вещества

Характер свечения пламени	Содержание кислорода в горючем веществе, %	Содержание углерода в горючем веществе, %
Пламя бесцветное	Более 30	До 50
Пламя яркое, не коптящее	Отсутствует или менее 30	Не более 75
Пламя яркое, коптящее	Отсутствует или менее 25	Более 75

Свечение пламени связано с наличием несгоревших раскалённых твёрдых частиц углерода.

При термическом разложении веществ с массовой долей углерода менее 50 % и содержащих в своём составе кислород (более 30 %) несгоревших частиц углерода образуется очень мало, и в момент образования они успевают окислиться до СО или СО2. Такие вещества имеют бесцветное пламя.

При горении веществ, содержащих более 75 % углерода (бензол, керосин), в зоне горения образуется настолько много частиц углерода, что поступающего путём диффузии в зону горения воздуха не хватает для его полного окисления. Не окислившийся в пламени углерод выделяется в виде копоти, и пламя при горении таких веществ будет ярким коптящим.

В аллилацетате более 30 % кислорода и не более 75 % углерода, следовательно, пламя яркое, не коптящее.

5. Определение степени окисления и валентности атомов, входящих в состав молекулы аллилацетата

Степень окисления атома - условный заряд атома в молекуле, который получает атом в результате полной отдачи (принятия) электронов, вычисленный из предположения, что все связи имеют ионный характер.

Для определения степени окисления (СО) атомов в молекулах органических веществ существуют разные приёмы, вот один из способов. Он означает, что более электроотрицательный атом, смещая к себе одну электронную пару, приобретает заряд -1, две электронных пары - заряд -2. Связь между одинаковыми атомами не дает вклада в степень окисления.

Таким образом, связь между атомами С-С соответствует нулевой степени их окисления. В связи C-H углероду как более электроотрицательному атому соответствует заряд -1, а в связи C-O заряд углерода (менее электроотрицательного) равен +1. Степень окисления атома в молекуле подсчитывается как алгебраическая сумма зарядов, которые дают все связи данного атома.

Для аллилацетата степень окисления атома углерода:

- в аллильной группе Н2С = две связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный -2,

- в - в аллильной группе = СН - одна связь C-H дает суммарный заряд на атоме C, равный -1,

- в метиленовой группе - СН2 - две связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный -2,

- в эфирной группе - С - О - связь С>О дает заряд +1,

- в ацетогруппе Н3С - СОО - три связи C-H дают суммарный заряд на атоме C, равный (С0+3е->С-3) -3, двойная связь С=О (кислород как более электроотрицательный, забирает электроны у атома углерода) даёт заряд на атоме С, равный +2 (С0-2е->С+2), а связь С>О дает заряд +1, следовательно, суммарный заряд на атоме С, равен (-3+2+1=0) 0.

Тогда средняя степень окисления углерода в аллилацетате равна

(-2 - 1 - 2 + 1 + 0)/5 = - 0,8

Валентность атома измеряется только числом ковалентных химических связей, в том числе возникших и по донорно-акцепторному механизму.

Таким образом, валентность углерода в данном соединении равна IV.

6. Определение наименее и наиболее полярных химических связей в молекуле аллилацетата

Наименее полярными химическими связями в молекуле аллилацетата являютя связи С - Н в двух метильных СН3 и одной метиленовой СН2 группах. Это связано с тем, что

Наиболее полярной химической связью в молекуле аллилацетата является связь С - О в сложноэфирной группировке. Это связано с тем, что

Двойная связь С = С является практически ковалентной неполярной.

7. Определение окислителя и восстановителя в реакции сгорания аллилацетата в атмосфере кислорода

Реакция сгорания аллилацетата в атмосфере кислорода:

Н2С = СН - СН2 - О - С(=О) - СН3 + О2 > СО2 + Н2О

Окислителем является кислород, который восстанавливается до степени окисления -2.

Восстановителем являются атомы углерода в молекуле аллилацетата, которые окисляются до степени окисления +4.

Найдем стехиометрические коэффициенты методом электронного баланса:

аллилацетат горючесть химический молекула

О20 + 4е > 2О-2 +4е 6 4

5С-0,8 - 24е > 5С+4 -24е 24 1

C5H8O2 + 6О2 > 5СО2 + 4Н2О

В реакцию вступает 460 кг аллилацетата, в котором содержится n = 460/100,12 = 4,595 кмоль вещества.

8. Определение объема, занимаемого аллилацетатом при различных условиях

Находим объем аллилацетата из соотношения

где состояние газа при нормальных условиях.

При переходе из жидкого в газообразное состояние при t = 13500C и р = 101,325 кПа:

Объем, занимаемый газообразным веществом при 1273 К и р = 1 атм:

9. Определение объема воздуха, необходимого для полного сгорания аллилацетата

Принимаем, что состав воздуха 79 % объемн. азота и 21 % объемн. кислорода.

Следовательно, на 1 объём кислорода приходится 3,76 объёма азота (79:21 = 3,76). Так как равные объёмы газов содержат одинаковое количество молекул, то в воздухе на 1 моль кислорода приходится 3,76 моль азота. В уравнении реакции горения воздух записывается: O2 + 3,76N2.

Тогда уравнение сгорания аллилацетата запишем в следующем виде:

C5H8O2 + 6О2 + 6*3,76 N2> 5СО2 + 4Н2О + 6*3,76 N2

Для сгорания 1 кмоль аллилацетата необходимо 6 кмоль кислорода и 6*3,76 кмоль азота.

Для горания 460 кг аллилацетата необходимо 4,595*6 кмоль кислорода и 4,595*6*3,76 кмоль азота.

При t = 15000C и р = 101,325 кПа 1 кмоль газа занимает объем



Тогда объем воздуха, необходимый для сгорания 460 кг аллилацетата необходимо 4,595*145,41*6 = 4008,94 м3 кислорода

и 4,595*145,41*6*3,76 = 15073,67 м3 азота.

Всего необходимо 4008,94 + 15073,67 = 19082,61 м3 воздуха.

10. Определение объема продуктов сгорания аллилацетата в атмосфере воздуха

Объём выделяющихся продуктов горения при сгорании заданного количества вещества определяется по формуле:

, м3

где:

m - масса горючего вещества, кг;

M - молярная масса горючего вещества, кг/кмоль.

Vt- мольный объём газа при заданных условиях, м3/кмоль;

nп.г - общее количество вещества продуктов горения, кмоль.

nПГ = n(CO2) + n(H2O) +…+ n(N2) + nИЗБ(N2) + nИЗБ(O2)

nИЗБ(O2) = ( - 1), кмоль

nИЗБ(N2) = 3,76( - 1), кмоль

Т.к. не указаны коэффициенты б и в,

nПГ = n(CO2) + n(H2O) + n(N2) = 4,595*(5 + 4 + 6*3,76) = 145,02

Расчёт объёма компонентов продуктов горения проводится по формулам:

;

;

;

Вычисленный объём образующихся в ходе реакции продуктов горения обычно незначительно превышает объём воздуха, необходимого для полного сгорания вещества.

Процентный состав компонентов продуктов горения рассчитывается по их объёмным и мольным долям или процентам. Общий объём VПГ или общее количество вещества продуктов горения nПГ принимается за 100 %.

В мольных процентах:

;

;

В объемных процентах:

(СО2) = 100 • V(CO2)/VПГ = 100*3340,42/18572,74 = 15,84 %

(H2O) = 100 • V(H2O) /VПГ = 100*2672,74/18572,74 = 12,67 %

(N2) = 100 • V(N2)/VПГ = 100*15071,98 /18572,74 = 71,48 %

11. Расчет количества молекул аллилацетата и О2, участвующих в полном сгорании всей массы горючего вещества

В одном моль вещества содержится 6,02*1023 молекул данного вещества.

Тогда в 460 кг аллилацетата содержится 6,02*1023*4,595*103 = 27,66*1026 молекул аллилацеата.

Для сжигания этого количества вещества необходимо

6,02*1023*6*4,595*103 = 165,96*1026 молекул кислорода.

12. Расчет термодинамических характеристик процесса горения аллилацетата

Выпишем из справочника термодинамические характеристики иходных веществ и продуктов реакции горения аллилацетата:

Термодинамические характеристики	CO2	H2O	C5H8O2	О2
Количество молей, n	5	4	-1	- 6
?rH0, кДж/моль	-393,51	-241,84	-180,863	0
?rS0, Дж/(моль*K)	213,6	188,74		205,03
?rG0, кДж/моль	-94,26	-54,635		0
a, Дж/(моль*K)	44,14	30	1,81	31,46
b, Дж/(моль*K)	9,04*10-3	10,71*10-3	0	3,39*10-3
c, Дж/(моль*K)	0	0	0	0
c', Дж/(моль*K)	-8,53*105	0,33*105	0	-3,77*105

Для аллилацетата значения стандартной энтальпии образования и энтропии вычислим, используя метод аддитивных связей:

?Н0f = ??(?H0f )i*ni

где ni -- число связей i-го типа в молекуле соединения;

??(?H0f )i -- аддитивный вклад связи i-го типа.

Связь С - С: вклад 4,692 ккал/моль*2 = 9,384 ккал/моль*4,1869 = 39,289 кДж/моль

Связь С - Н: вклад -4,706 ккал/моль*6 = -28,236 ккал/моль *4,1869 = -118,22 кДж/моль

Связь С = С: вклад 26,65 ккал/моль*1 = 26,65 ккал/моль *4,1869 = 111,58 кДж/моль

Связь С - О: вклад - 11,91 ккал/моль*1 = -11,91 ккал/моль *4,1869 = -49,866 кДж/моль

Связь С - О (С в карбоксильной группе): вклад -9,69 ккал/моль*1 = -9,69 ккал/моль*4,1869 = -40,57 кДж/моль

Связь С = О: вклад -32,05 ккал/моль*1 = -32,05 ккал/моль*4,1869 = -134,19 кДж/моль

- СН2 -: вклад -4,721 ккал/моль*2 = -4,721 ккал/моль*4,1869 = -19,766 кДж/моль

Тогда ?H0f для аллилацетата составляет:

39,289 -118,22 +111,58 -49,866 -9,69 -134,19 -19,766 = -180,86 кДж/моль

Теплота сгорания 1 моль аллилацетата при 250С тогда составит:

?rH0298 = 5*(-393,51) + 4*(-241,84) + (-1)*(-180,86) - 6*0 = -2754,05 кДж/моль

При сгорании 0,73 т аллилацетата, в котором содержится 0,73*1000/100,12 = 7,29 кмоль вещества, выделится -2754,05*1000*7,29 = -20077024,5 кДж теплоты.

Для примерной оценки стандартной энтропии при 250С используем уравнение И.И. Стрелкова [11]:

?rS0298 = 5,9Cp = 5,9*1,81 = 10,68 Дж/(моль*град)

Тогда энергию Гиббса при T = 298,15 K рассчитаем по формуле:

?rG0 = ?rH0298 - 298*?rS0298 = -2754,05*103 - 298*10,68 = -2757,23 кДж/моль

13. Оценка пожарной опасности аллилацетата

Список использованной литературы

1. Архипов, В.А., Горение и взрывы. Опасность и анализ последствий: Учебное пособие / В.А. Архипов, Синогина Е.С. - Томск: Изд-во Томск. гос. пед. ун-та, 2008. - 156 с.

2. Баратов А.Н. Горение - Пожар - Взрыв - Безопасность. - М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2003. - 364 с.

3. Батов Д.В. Использование аддитивно - группового метода для расчета температуры вспышки спиртов, кетонов и сложных эфиров / Д.В.Батов, Т.А. Мочалова, А.В. Петров // Журнал прикладной химии. - 2011. - Т. 84. - Вып. 1. -С. 55 - 60.

4. Батов Д. В. Термохимия растворов органических неэлектролитов в смешанных растворителях. Автореф. дисс. … докт. хим. наук. Иваново, 2002, 33 с.

5. Батов Д.В., Батов Д.Д. // Журн. структ. химии. 2005. Т. 46. № 2. С. 293 - 302.

6. Батов Д.В. Аддитивная схема для расчета свойств растворов органических соединений. Предельные парциальные молярные объемы алканолов в водном растворе // Журн. прикл. химии. 2007. Т. 80. Вып. 3. С. 435 - 439.

7. Горшков В.И. Самовозгорание веществ и материалов. - М.:ВНИИПО, 2003. - 446 с.

8. ГОСТ - 12.1.044.- 89*. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов. Номенклатура показателей и методы их определения. М. Издательство стандартов. 1990.

9. Драздейл Д. Введение в динамику пожаров / Пер. с англ. К.Г. Бомштейна; Под ред. Ю.А. Кошмарова, В.Е. Макарова. - М.: Стройиздат, 1990. - 424 с., ил.

10. Зельдович Я.Б. Избранные труды. Химическая физика и гидродинамика. - М.: Наука, 1984. - 374 с.

11. Карапетьянц М.Х. Химичекая термодинамика. - М.: Госхимиздат, 1953.

12. Корольченко А.Я., Процессы горения и взрыва. - М.: Пожнаука, 2007. - 266 с., ил.

13. Корольченко А.Я., Корольченко Д.А. Пожаровзрывоопасность веществ и материалов и средства их тушения. Справочник: в 2-х ч. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Асс. «Пожнаука», 2004.

14. Малинин В.Р. Теория горения и взрыва / В.Р.Малинин, В.И.Климкин, С.В.Аникеев и др. - СПб. Ун-т ГПС МЧС России, 2007. 307 с.

15. Марков В.Ф., Физико-химические основы развития и тушения пожаров: Учебное пособие для курсантов, студентов и слушателей образовательных учреждений МЧС России / В.Ф.Марков, Л.Н. Маскаева, М.П. Миронов, С.Н. Пазникова, Екатеринбург: УрО РАН.2009.274 с.

16. Петров А.В., Основы теории самовоспламенения. Самовозгорание веществ и материалов. / Петров А.В., Мочалова Т.А., Батов Д.В. - Иваново: ООНИ ИвИ ГПС МЧС России, 2008. - 64 с.

17. Расчет основных показателей пожаровзрывоопасности веществ и материалов: Руководство. - М.: ВНИИПО, 2002. 77 с.

Размещено на Allbest.ru