Определение физико-химических характеристик аллилацетата и его горение

Размещено на http://www.allbest.ru

Контрольная работа

«ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АЛЛИЛАЦЕТАТА И ЕГО ГОРЕНИЕ»

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. молекула аллилацетат горючесть термодинамический
• 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.
• Т_кип 103,5-104,5°,
• Т_всп 6є;
• d₄²⁰ 0,9277; n_D²⁰ 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.

Таблица 1

Характер свечения пламени в зависимости от состава горючего вещества

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

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.

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

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

n_ПГ = n(CO₂) + n(H₂O) +…+ n(N₂) + n_ИЗБ(N₂) + n_ИЗБ(O₂)

n_ИЗБ(O₂) = ( - 1), кмоль

n_ИЗБ(N₂) = 3,76( - 1), кмоль

Т.к. не указаны коэффициенты б и в,

n_ПГ = 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 V_ПГ или общее количество вещества продуктов горения n_ПГ принимается за 100 %.

В мольных процентах:

;

;

В объемных процентах:

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

(H₂O) = 100 • V_(H2O) /V_ПГ = 100*2672,74/18572,74 = 12,67 %

(N₂) = 100 • V_(N2)/V_ПГ = 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:

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

?Н⁰_f = ??(?H⁰_f )_i*n_i

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

??(?H⁰_f )_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 ?H⁰_f 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 = 5,9C_p = 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

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