Механізми горіння гетерогенних реакцій

Горіння твердого вуглецю і розпад оксиду вуглецю (II) відносяться до гетерогенних процесів. Вуглець існує в природі в двох кристалічних формах – у вигляді алмазу і графіту. Зустрічається і аморфний вуглець – сажа – це сукупність дрібнодисперсних кристалів, що мають кристалічні решітки графіту. В металургійному виробництві застосовують основний вид вуглецю – графіт, який входить до складу коксу (металургійного палива) як важливий хімічний реагент і до складу електродів дугових печей.

Кристалічна структура графіту є гексагональну шарувату решітку. Атоми вуглецю в графіті розпорядженні паралельними шарами, які називаються базисними площинами. В площині атоми розміщені на вершинах правильних шестикутників на відстані 0,141 нм, відстань між площинами складає 0,334 нм. Базисні площини зсунуті щодо один одного так, що вершини шестикутників співпадають між собою через одну площину (рис. 3.6).

Рис. 3.6 – Кристалічна решітка графіту

У зв'язку з великою відстанню між базисними площинами зв'язку між атомами вуглецю в різних площинах значно слабкіше, ніж зв'язки між атомами вуглецю в самих площинах. Проте в напрямі, перпендикулярному площинам, графіт має високу твердість, в 6 разів перевищуючу твердість по напряму шарів.

Розчинення речовин в графіті починається з адсорбції на поверхні. Цей процес відбувається тому, що атоми вуглецю, що знаходяться на ребрах і вершинах решіток, мають ненасичені зв'язки, володіють надлишком енергії, завдяки чому атоми різних речовин адсорбуються на поверхні.

Чим дрібніше графіт, тим більше спотворень і порушень в його кристалічних решітках, тим більше можливостей відкривається для адсорбції речовини на його поверхні. При аналізі процесів горіння вуглецю (рис. 3.7) першорядне значення придбаває адсорбція кисню на його поверхні і утворення поверхневих з'єднань.

На рис.3.7 представлені схеми поверхневих комплексів в системі вуглець – кисень.

Рис.3.7 - Поверхневі комплекси вуглець–кисень на графіті: а – кето-комплекс; б – кетенний комплекс; в – пероксидна форма

1. Кето-комплекс: С_реш·О_адс. Адсорбований атом кисню міцно пов'язаний з атомом вуглецю базисної площини, який пов'язаний з двома найближчими сусідами.

2. Кетенний комплекс: С_реш·СО_адс. Атом вуглецю решітки графіту пов'язаний з киснем за допомогою вільного атома вуглецю. Цей комплекс менш міцний, ніж кето-комплекс, при нагріванні > 600°С відбувається десорбція кетенного комплексу з відривом від поверхні графіту молекули СО.

3. Пероксидна форма. Краєві атоми вуглецю базисних площин утримують слабо деформовані молекули кисню, при руйнуванні такого комплексу відділяються молекули СО₂.

Під час удару кисню об поверхневі комплекси при нагріві може відбуватися їх руйнування з виділенням в атмосферу СО і СО₂.

У результаті взаємодії вуглецю з киснем одночасно утворюються молекули СО і СО_2. При низьких температурах у складі газової суміші переважає СО_2, що утворюється завдяки руйнуванню пероксидної форми – паралельно з цим відбувається утворення і руйнування кето-комплексів по схемах:

а) при ударі молекули кисню в краєвий атом вуглецю, що знаходиться по сусідству з кето-комплексом: С_реш·О + С_реш + О₂ = СО + СО_2, утворюються молекули СО і СО₂;

б) при ударі молекули кисню в атом вуглецю, розташований між двома кето-комплексами: 2(С_реш·О)+ С_реш + О₂ = 2СО + СО₂. Тут кількість СО удвічі перевищує кількість СО_2. Цей процес переважно відбувається при підвищених температурах.

в) термічний розпад кето-групи з виділенням чистої СО: С_решО = СО. Цей процес відбувається при високих температурах.

Таким чином, при підвищенні температури кількість СО в газовій фазі зростає, а вміст СО₂ падає.

Дата добавления: 2014-11-20