Кинетика реакции горения

При кинетическом принципе предварительно, до начала процесса горения, создаётся однородная горючая смесь, содержащая газ в несколько большем количестве, чем требуется по стехиометрическим соотношениям. Сгорание такой смеси происходит в коротком жёстком прозрачном факеле без видимых пиролитических процессов, приводящих к образованию в пламени сажистых частиц. При этом горение может протекать при неограниченно большом объёмном теплонапряжении, без образования продуктов неполного сгорания. Обычно для сжигания по кинетическому принципу применяют специальные смесители или инжекционные горелки, подготавливающие гомогенную газовоздушную смесь с коэффициентом избытка первичного воздуха α₁ = 1.02÷1.05. При меньшем содержании первичного воздуха по кинетическому принципу протекает только начальная стадия горения, до использования кислорода, находящегося в смеси с газом.

В зависимости от количества атомов или молекул, вступающих в соединение, реакции разделяют по порядку на мономолекулярные, бимолекулярные и тримолекулярные.

В мономолекулярных реакциях (реакция первого порядка) продукты образуются в результате химического превращения отдельной молекулы.

В бимолекурярных реакциях (реакциях второго порядка) происходит взаимодействие между двумя молекулами или атомами или атомом и молекулой.

В тримолекулярных реакциях (реакция третьего порядка) взаимодействуют три частицы.

Чем выше порядок реакции, тем медленнее она протекает, так как для её осуществления необходимо одновременное столкновение нескольких молекул или атомов. Реакции выше третьего порядка не встречаются, ибо одновременное столкновение четырех и более молекул, обладающих достаточной энергией для реакции, маловероятно.

Порядок реакции часто бывает ниже той величины, которая получается по стехиометрическому уравнению. Это объясняется тем, что стехиометрические уравнения в большинстве случаев не вскрывают механизма реакции, а являются лишь уравнениями итогового баланса.

Под скоростью химической реакции понимают изменение концентрации реагирующих веществ С, т. е. количество вновь образовавшегося вещества или уменьшение реагирующего вещества в единице объема в единицу времени. В общем виде мгновенная скорость реакции изображается уравнением

Так как вещества реагируют в эквивалентных количествах, то о скорости реакции можно судить по изменению концентрации любого из реагирующих веществ, поэтому в указанном уравнении стоит знак «плюс—минус». Скорость химических реакций зависит от природы реагирующих веществ и условий, в которых они протекают. Важнейшими условиями, влияющими на скорость реакции, являются: концентрация реагирующих веществ, температура и наличие катализаторов. По закону действующих масс скорость химических реакций пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. На основании этого закона скорости реакций можно выразить через концентрации реагентов следующим образом:

где «-» - концентрация реагирующих веществ уменьшается; к – константа скорости реакции; с₁, с₂ – концентрация реагирующих веществ.

В процессе теплового движения молекулы сталкиваются между собой. Если бы каждое столкновение приводило к реакции, то любая химическая реакция протекала бы практически мгновенно. Однако опыт показывает, что реакция протекает с определенными конечными скоростями. Следовательно, не всякое столкновение между разнородными молекулами приводит к реакции. Для того чтобы произошла реакция между столкнувшимися молекулами, необходимо, чтобы они к моменту столкновения обладали энергией (кинетической и колебательной), достаточной для разрушения старых внутримолекулярных связей, т.е. столкновение должно произойти между активными молекулами. После разрушения старых связей образуются новые. Это сопровождается выделением энергии. Если выделяющаяся энергия больше затраченной, то тепловой эффект положительный, т. е. реакция экзотермическая. У эндотермических реакций выделяющаяся энергия меньше затраченной.