安全工程燃烧学课件第一章 燃烧与爆炸的化学基础

第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
特征（3）光 燃烧区的温度很高，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。 可见光、紫外光、红外光：为探测火区提供了方 法和手段
特征（4）烟 由于燃烧不完全等原因，会使产物 中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
1.活化能理论
活化分子
有可能引起化学反应的分子为活化 分子；活化分子所具有的能量要比普 通分子高，这一能量超出值可使分子 活化并参加反应。
活化能
使普通分子变为活化分子所必需的能量
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
△E1正向反应活化能
K
△E2逆向反应活化能 △E2- △E1 反应热效应
氧化物是可燃物质被氧化时的最初产物，它们是不稳
定的化合物，能够在受热、撞击、摩擦等情况下分解
而产生自由基和原子，从而又促使新的可燃物质的氧
化。 CH- 烃基; HO-羟基; -COOH羧基 ----游离基团
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
过氧化物理论在一定程度上解释了为何物质在气态 下有被氧化的可能性。它假定氧分子只进行单键的破 坏，这比双键的破坏要容易一些。因为破坏1mol氧的 单键只需要29.3 ~33kJ的能量。但是若考虑到，C—H键 也必须破坏，氧分子也必须加合于碳氢化合物之上而 形成过氧化物，则氧化过程还是很困难的。
最初的游离基（或称活性中心、作用中 心等）是在某种能源的作用下生成的，产生 游离基的能源可以是受热分解或光照、氧化、
还原、催化和射线照射等。
各种物质的敏感源不同
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
游离基由于具有比普通分子平均动能更
多的活化能，所以其活动能力非常强，在一
般条件下是不稳定的，容易与其他物质分子
进行反应而生成新的游离基，或者自行结合
成稳定的分子。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
因此，利用某种能源设法使反应物产生少
量的游离基时，这些最初的游离基即可引起连
锁反应，因而使燃烧得以持续进行，直至反应
物全部反应完毕。在连锁反应中，如果作用中
心消失，就会使连锁反应中断，而使反应减弱 直至燃烧停止。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
如瓦斯爆炸等，气体爆炸现象。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件 3．爆炸电子本性假说
电子学说以原子间结合的不牢固来解释爆炸物 质的不稳定性。 特别灵敏的爆炸性化合物中，价电子的结合就 更弱。因此，在雷管中，甚至在很小的冲击下，也 会发生分子的变化，同时不仅以热的形式放出能量， 并且还放出带有动能的游离电子。 如特别易爆物质
连锁反应机理大致可分为三段：
链引发 链传递 链终止
即游离基生成，
使连锁反应开
始
游离基作用 于其他参与 反应的化合 物，产生新 的游离基
即游离基的 消耗，使连 锁反应终止
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件 三、燃烧的条件
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 中的氧或其它氧化剂起燃烧反应的物质，均称为可燃物， 如氢气、乙炔、酒精、汽油、木材、纸张等。 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、 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源，统称 为点火源，如明火、高温表面、摩擦与冲击、自燃发热、
形成一个着火四面体，如图1—2(b)所示。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
（a）
(b)
图1—2 着火三角形和着火四面体
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
四、爆炸及其特征
爆炸
物质从一种状态，经过物理变化或化学变化， 突然变成另一种状态，并放出巨大的能量，同 时产生光和热或机械功。
当物质从一种状态“突变”到另一种状态 时，它的物理状态或化学成分发生急剧的转变 ，使其本身所具有的能量(位能)以急剧的速度 释放出来，使周围的物体遭受到猛烈的冲击和 破坏。
这一理论设想了一个理想的爆轰过程，而且爆炸性气
体在爆炸波通过前后都服从理想气体定律，并假定气体 的等熵指数与温度、成分无关。在这种条件下，根据能 量守恒定律和理想气体定律，建立了一个爆炸物初始参 数与爆炸参数之间的关系，用此关系式表示爆炸波通过
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
在过氧化物的成分中有过氧基（—O—O—），
这种基中的氧原子较游离分子中的氧原子更不稳定。
因此，过氧化物是强烈的氧化剂，不仅能氧化形成过 氧化物的物质A，而且也能氧化用分子氧很难氧化的 其他物质B： AO2＋A＝2AO AO2＋B＝AO＋BO
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
3.连锁反应理论
根据连锁反应理论，气态分子间的作用，不是 两个分子直接作用得到最后产物，而是活化分子自 由基与另一个分子起作用。作用结果产生新基，新 基又迅速参与反应，如此延续下去而形成一系列 :
Cl2 ＋ hv (光量子) → Cl·＋ Cl· 链的引发
第一章 燃烧与爆炸的化学基础
本章主要内容
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
第二节 燃烧反应速度理论
第三节 燃烧空气量的计算
第四节 燃烧产物及其计算
第五节 燃烧热的计算
第六节 燃烧温度的计算
第一节 燃烧与爆炸的本 质和条件
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
一、燃烧
燃烧
可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通 常伴有火焰、发光和发烟的现象。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
燃烧的本质
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。在氧化还原 反应中，失去电子的物质被氧化，获得电子的物质被还原。 如：氢气在氯气中燃烧。氯原子得到一个电子被还原，而氢 原子失去一个电子被氧化。虽然没有氧参与反应，但所发生的 是一个激烈的氧化还原反应，并伴随有光和热的发生，这个反 应也是燃烧。 电灯在照明时放出光和热，但未发生化学反应，不能称为
特征（1）热 当物质加热达到某个温度时，就会燃烧并放 出有色光，就是所谓的火光。 我们可以用目视的方法概估 出火光的温度。 红色(2000℃-3500℃)、橙色(3500℃4600℃)、黄色(4600℃-5700℃)、黄白色(5700℃-7400℃)、 白色(7400℃-11500℃)、蓝白色(11500℃-25000℃)、蓝色 (25000℃以上)。 特征（2）火焰 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 。是肉眼看得见火的部份。从物理 学的角度看，火焰是在细小空间由强劲放热反应所产生的
杂质能使链中断
杂质能产生新连锁反应 爆炸(燃烧)有极限浓度 惰性物质能灭火问题 爆炸有时间上的延滞问题（需要时间孕育）
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
2．爆炸波学说
气体的冲击能使一层爆炸物被加热和分解，此层 物质变为气体，并依次冲击到新的一层上。 爆炸是从冲击处以辐射状向外扩展的，并发生机
械的、热的和化学的相互交替作用，形成波浪。
四、考核方法
课程成绩：（1）作业与考勤成绩：20% （2）集中考试成绩：80%
你是否想知道？
• • • • • • 1.这些大火是怎样着起来的？ 2.哪些物质或因素是致灾的罪魁祸首？ 3.为什么冬天摩托车不好打火？ 4.为什么有的火横着串（蔓延）有的垂直着？ 5.为什么一个炸药爆炸临近的殉爆或拒爆？ 6. 气体、液体、固体在燃烧和爆炸方面有 何异同？ • 7.∙∙∙∙∙∙∙∙∙
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
雷电、火山爆发属于自然界的一种爆炸现象； 爆破是人为受控、造福人类的爆炸； 矿山井下瓦斯爆炸，锅炉、压力容器爆炸，粮食粉尘爆
炸等是事故性爆炸。
前面所谈到的几种爆炸现象，均有一个共同的特征， 即在爆炸地点的周围压力骤增，使周围介质受到干扰，邻 近的物质受到破坏，同时还伴有或大或小的声响效应。
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
爆炸特征
1、物理或化学的变化速度快 2、能量释放快
3、高温、高压
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
五、爆炸理论
爆炸连 锁反应 学说
爆炸波 学说
爆炸电 子本性 假说
流体动 力学爆 炸理论
气相爆 轰流体 动力学 理论
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
1．爆炸连锁反应学说
爆炸的连锁反应学说阐明了微量杂质对着火限 度的影响。
Cl· ＋ H2 → HCl ＋ H·
H· ＋ Cl2 → HCl ＋ Cl·
链的传递
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
Cl· ＋ H2 → HCl ＋ H·
H· ＋ Cl2 → HCl ＋ Cl·
以此类推
Cl· ＋ Cl·→ Cl2
链的中断
H· ＋ H·→ H2
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
上列反应式表明：
（a）
(b)
图1—2 着火三角形Fire Triangle和着火四面体Fire Tetrahedron
第一节 燃烧与爆炸的本质和条件
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，很多燃烧的发生都有持续的游离基(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
一、学习本课的要求
（1）掌握燃烧与爆炸学的基本知识和基本理论； （2）掌握常规实验仪器和仪器的使用方法；
（3） 掌握科学的研究方法。
二、课时安排
学课内总学时：32学时；（4学分）
实验学时：6学时.
三、本课程在整个教学计划中的位置和作用
本课程属专业基础课程，处于基础课程与专业课程之间。 学习本课程所需要的基础知识主要有： （1）高等数学、 （2）普通物理学、 （3）普通化学、 （4）计算机基础、 （5）流体力学 （6）热力学等