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1、 第一章 免责声明本书是由杜文峰组织编写的消防工程学，以下电子版内容仅作为学习交流，严禁用于商业途径。本人为西安科技大学消防工程专业学生，本专业消防燃烧学科目所选教材为这版的书籍，无奈本书早已绝版，我们从老师手上拿的扫描版的公式已基本看不清楚，严重影响我们专业课的学习。并且此书为消防工程研究生的专业课指定教材，因此本人花费一个月时间将此书整理修改为电子版，希望可以帮助所有消防工程的同学。由于本人能力有限，书上的图表均使用的是截图的，可能不是很清楚，还有难免会有错误，望广大读者海涵。 西安科技大学 消防工程专业 2009级 赵盼飞 2012、5、28 第一章燃烧的化学基础基础化学、热化学、化学动
2、力学等方面的知识对燃烧的研究起着重要作用。 第一节燃烧的本质和条件 一、燃烧的本质 所谓燃烧，是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和(或)发烟的现象。燃烧区的温度较高，使其中白炽的固体粒子和某些不稳定(或受激发)的中间物质分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；发光的气相燃烧区就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颖粒，这样就形成了烟。 从本质上讲，燃烧是一种氧化还原反应，但其放热、发光、发烟、伴有火焰等基本特征表明它不同于一般的氧化还原反应。 如果燃烧反应速度极快，则因高温条件下产生的气体和周围气体共同膨胀作用，使反
3、应能量直接转变为机械功，在压力释放的同时产生强光、热和声响，这就是所谓的爆炸。它与燃烧没有本质差别，而是燃烧的常见表现形式。 现在，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。这里，游离基的链锁反应是燃烧反应的实质，光和热是燃烧过程中的物理现象。 二、燃烧的条件及其在消防中的应用 (一)燃烧的条件 燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂参加，此外还要有引发燃烧的能源。 1、可燃物(还原剂) 不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属、无机物还是有机物，凡是能与空气中的氧或其
4、它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物。如氢气、乙快、酒精、汽油、木材、纸张、硫、磷、钾、钠等。 2、助燃物(氧化剂)凡是与可燃物结合能导致和支持燃烧的物质，都叫做助燃物。如空气(氧气)、氯气、氯酸钾、高锰酸钾、过氧化钠等。空气是最常见的助燃物，以后如无特别说明，可燃物的燃烧都是指在空气中进行的。 3、点火源 凡是能引起物质燃烧的点燃能探，统称为点火源。如明火、高温表面、摩擦与冲击、自然发热、化学反应热、电火花、光热射线等。上述三个条件通常被称为燃烧三要素。但是既使具备了三要素并且相互结合、相互作用燃烧也不一定发生。要发生燃烧还必须满足其他条件，如可燃物和助燃物有一定的数量和浓度，点火源有一定
5、的温度和足够的热量等。燃烧能发生时，三要素可表示为封闭的三角形，通常称之为着火三角形，如图11(a)所示。经典的着火三角形一般足以说明燃烧得以发生和持续进行的原理。但是根据燃烧的链锁反应理论，很多燃烧的发生和持续有游离基(自由基)作“中间体”，因此着火三角形应扩大到包括一个说明游离基参加燃烧反应的附加维，从而形成一个着火四面体，如图11(b)所示。 (二)燃烧条件在消防中的应用 掌握发生燃烧的条件，就可以了解预防和控制火灾的基本原理。所谓火灾，是指在时间或空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。根据着火三角形，可以提出以下防火方法： 1.控制可燃物 在可能的情况下，用难燃或不燃材料代替易燃材料；对工
6、厂易产生可燃气体的地方，可采取通风；在森林中采用防火隔离林等。 2.隔绝空气 涉及易然易爆物质的生产过程，应在密闭设备中进行；对有异常危险的，要充入情性介质保护；隔绝空气储存某些物质等。 3.消除点火源 在易产生可燃性气体的场所，应采用防爆电器；同时禁止一切火种等。 根据着火三角形，可以得出以下灭火方法； l.隔离法 将尚未燃烧的可燃物移走，使其与正在燃烧的可燃物分开；断绝可燃物来源等，燃烧区得不到足够的可然物就会熄火。 2.窒息法 用不燃或难燃物捂住燃烧物表面；用水蒸气或惰性气体灌注着火的容器；密闭起火的建筑物的孔洞等，使燃烧区得不到足够的氧气而熄火。 3.冷却法用水等降低燃烧区的温度，当其
7、低于可燃物的燃点时，燃烧就会停止。 着火四面体为另一种灭火方法抑制法提供了理论依据，这种方法的原理是：使灭火剂参与到燃烧反应中去，它可以销毁燃烧过程中产生的游离基，形成稳定分子或低活性游离基，从而使燃烧反应终止。根据燃烧的条件，防火和灭火最根本的原理就是防止燃烧条件的形成和破坏已形成的燃烧条件。 第二节燃烧反应速度理论 着火条件的分析、火势发展快慢的估计、燃烧历程的研究及灭火条件的分析等，都用到燃烧反应速度方程。此方程可以根据化学动力学理论得到。 一、反应效率的基本概念 化学反应进行的快慢，可以用单位时间内在单位体积中反应物消耗或生成物的摩尔数来衡量，并称之为反应速率，用公式表达为 (11)式
8、中是反应速率，；V是体积，m3；dn和dc分别是物质摩尔数和摩尔浓度的变化量，mol和mol/m3 是发生变化的时间，s。 虽然用反应物浓度变化和用生成物浓度变化得出的反应速率值不同，但是它们之间存在单值计量关系，这可由化学反应式得到。如已知任一反应aA+bBeE+F，反应速率可写成 (12) 以上四个反应速率之间有如下关系： (13)上式中，代表反应系统的化学反应速率，其数值是唯一的，称之为系统反应速率。 二、质量作用定律 通常用化学计量方程式来表达反应前后反应物与生成物之间的数量关系。这种表达式描述的只是反应的总体情况，没有说明反应的实际过程，即未给出反应过程中经历的中间过程。例如氢与氧化
9、合生成水的反应可用2H2+O2=2H2O表达，但实际上H2和O2需要经过若干步反应才能转化为H2O。 反应物分子在碰撞中一步转化为产物分子的反应。称为基元反应，一个化学反应从反应物分子转化为最终产物分子往往需要经历若干个基元反应才能完成。实验证明：对于单相的化学基元反应，在等温条件下，任何瞬间化学反应速度与该瞬间各反应物浓度的某次幂的乘积成正比。在基元反应中，各反应物浓度的幂次等于该反应物的化学计量系数。这种化学反应速度与反应物浓度之间关系的规律，称为质量作用定律。其简单解释为：化学反应是由于反应物各分子之间碰撞后产生的，因此单位体积内的分子数目越多，即反应物浓度越大，反应物分子与分子之间碰撞
10、次数就越多，反应过程进行得就越快，这样，化学反应速度是与反应物浓度成正比的。对于反应式aA十bBeE+fF，根据质量作用定律可以得出化学反应速度方程为： (14) 式中，比例常数K称为反应速度常数，其值等于反应物为单位浓度时的反应速率(a +b)称为反应级数。 必须强调指出，质量作用定律只适用于基元反应，因为只有基元反应才能代表反应进行的真实途径。对于非基元反应，只有分解为若干个基元反应时，才能逐个运用质量作用定律。 三、阿累尼乌斯定律 大量的实脸证明：反应温度对化学反应速度的影响很大，同时这种影响也很复杂，但是最常见的情况是反应速度随着温度的升高而加快。范德霍夫近似规则认为：对于一般反应，如
11、果初始浓度相等，温度每升高10，反应速度大约加快24倍。 温度对反应速度的影响，集中反映在反应速度常数K上。阿累尼乌斯提出了反应速度常数K与反应温度T之间有如下关系： (15) 式中，K0称为频率因子,与K单位相同，相对于温度对K0的影响可以忽略不计；E和R分别为活化能和通用气体常数。 式(15)所表达的关系通常称为阿累尼乌斯定律，它不仅适用于基元反应。而且也适用于具有明确反应级数和速度常数的复杂反应。 将式(l5)两边取对数，得 或者 (16) 由上式看出： 或对作图，可得到一条直线，由其斜率可求E，由其截距可求K0。根据质量作用定律和阿累尼乌斯定律，可得出基元反应的速度方程，即 (17)
12、四、燃烧反应速度方程 假定在燃烧反应中，可燃物的浓度为CF，反应系数为，助燃物(主要指空气)的浓度为，反应系数为；“频率因子”为；“活化能”为ES，反应温度为TS。这样，仿照式(17)可写出燃烧反应速度方程，即 (l8) 在处理某些燃烧问题时，常假定反应物的浓度为常数，因此各种物质的浓度比也为常数，一种物质的浓度可由另一种物质的浓度来表示。例如在方程(l8)中，设，为常数，且反应级数为，这样方程(18)可表示为 (19)式中，。 对于大多数的碳氢化合物的燃烧反应，反应级数都近似等于2，且x=y=1，因此燃烧反应速度方程可写为 (110) 假定反应物的浓度为常数，根据方程(l9)燃烧反应速度方程可写为 (111) 在实际工作中，用质量相对浓度表示物质的浓度时，使用起来比较方便。这样，方程(110)可表示为如下常见形式： (112) 方程(l11)可表示为如下形式： (113)式(112)推导过程为：假定可燃物和助燃物的摩尔质童分别为、，质量浓度分别为、燃烧反应过程的总质量浓度为，可燃物和助燃物的质量相对浓度分别为、。根据质量浓度和摩尔浓度之间的关系，有 ， 而 ， 则 ， 将此两式代入方程(l10)得： 令，
