Современная общая и неорганическая химия в пожарном деле
Покупка
Новинка
Основная коллекция
Тематика:
Физическая химия. Химическая физика
Издательство:
Сибирская пожарно-спасательная академия
Год издания: 2024
Кол-во страниц: 164
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
Профессиональное образование
Артикул: 837906.01.99
Учебное пособие посвящено вопросам современной общей и неорганической химии, предусматривает практическое освоение основных закономерностей протекания химических процессов; электрохимических процессов; свойств дисперсных систем, номенклатуру и способы применения огнетушащих веществ и составов. Пособие содержит справочные таблицы и материалы. Учебное пособие предназначено для очной формы обучения по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и может использоваться в качестве дополнительной литературы для направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». Учебное пособие написано таким образом, чтобы в соответствии с рабочей программой дисциплины «химия» способствовать формированию у обучающихся следующих компетенций: ПК8 Способность понимать основные закономерности процессов возникновения горения и взрыва, распространения и прекращения горения на пожарах, особенностей динамики пожаров, механизмов действия, номенклатуры и способов применения огнетушащих составов, экономических характеристик горючих материалов и огнетушащих составов на разных стадиях пожара. ПК-1.3. Способность понимать основные закономерности возникновения пожаровзрывоопасной среды в технологических аппаратах; ПК-1.4. Способность понимать основные закономерности процессов распространения и прекращения горения.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 20.03.01: Техносферная безопасность
- ВО - Специалитет
- 20.05.01: Пожарная безопасность
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ДЕЛАМ ГРАЖДАНСКОЙ ОБОРОНЫ, ЧРЕЗВЫЧАЙНЫМ СИТУАЦИЯМ И ЛИКВИДАЦИИ ПОСЛЕДСТВИЙ СТИХИЙНЫХ БЕДСТВИЙ ФГБОУ ВО СИБИРСКАЯ ПОЖАРНО-СПАСАТЕЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ ГПС МЧС РОССИИ Коваль Ю.Н., Кондратьева Л.В., Шарифуллина Л.Р. СОВРЕМЕННАЯ ОБЩАЯ И НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ В ПОЖАРНОМ ДЕЛЕ Учебное пособие Допущено Министерством Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий в качестве учебного пособия для курсантов, студентов и слушателей образовательных организаций МЧС России Железногорск 2024
УДК 544(075) ББК 24.1я73 К 56 Авторы: Коваль Юлия Николаевна, канд. биол. наук, Кондратьева Лариса Владимировна (ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России) Шарифуллина Лилия Ринатовна, доцент, канд. хим. наук, (ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России имени генерал-лейтенанта Д.И. Михайлика») Рецензенты: Мнускина Юлия Владимировна, канд. хим. наук, доцент (ФГКОУ ВО «Донецкий институт ГПС МЧС России») Мочалова Татьяна Александровна, канд. биол. наук, доцент (Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России) Коваль, Ю.Н. Современная общая и неорганическая химия в пожарном деле [Текст]: учебное пособие / Ю.Н. Коваль, Л.В. Кондратьева, Л.Р. Шарифуллина — Железногорск: ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2024. — 164 с.: ил. Учебное пособие посвящено вопросам современной общей и неорганической химии, предусматривает практическое освоение основных закономерностей протекания химических процессов; электрохимических процессов; свойств дисперсных систем, номенклатуру и способы применения огнетушащих веществ и составов. Пособие содержит справочные таблицы и материалы. Учебное пособие предназначено для очной формы обучения по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и может использоваться в качестве дополнительной литературы для направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». Учебное пособие написано таким образом, чтобы в соответствии с рабочей программой дисциплины «химия» способствовать формированию у обучающихся следующих компетенций: ПК8 Способность понимать основные закономерности процессов возникновения горения и взрыва, распространения и прекращения горения на пожарах, особенностей динамики пожаров, механизмов действия, номенклатуры и способов применения огнетушащих составов, экономических характеристик горючих материалов и огнетушащих составов на разных стадиях пожара. ПК-1.3. Способность понимать основные закономерности возникновения пожаровзрывоопасной среды в технологических аппаратах; ПК-1.4. Способность понимать основные закономерности процессов распространения и прекращения горения УДК 544(075) ББК 24.1я73 © ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2024 © Коваль Ю.Н., Кондратьева Л.В., Шарифуллина Л.Р., 2024 2
ОГЛАВЛЕНИЕ СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ................................................................................. 6 Введение ................................................................................................................ 7 РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ХИМИЮ ................................................... 8 1.1 Введение в предмет. Основные понятия и законы химии ......................... 8 1.2 Общая характеристика химических элементов и их соединений ........... 14 1.3 Основы радиохимии .................................................................................... 20 1.4 Химические технологии и экологическая безопасность ......................... 23 1.5 Пожарная безопасность химически опасных объектов ........................... 25 РАЗДЕЛ 2. ОСНОВНЫЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОТЕКАНИЯ ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ........................................................................... 28 2.1 Термодинамика химических процессов .................................................... 28 2.1.1 Тепловой баланс процесса горения ..................................................... 28 2.1.2 Расчет низшей теплоты горения ...................................................... 30 2.1.3 Расчёты с применением термодинамических функций состояния 30 2.2 Элементы химической кинетики. Химическое равновесие .................... 31 2.2.1 Скорость химической реакции ........................................................... 31 2.2.2 Правило Вант-Гоффа. Уравнение Аррениуса ................................... 32 2.2.3 Химическое равновесие. Константа химического равновесия ....... 33 2.3 Синтез веществ с помощью физических воздействий ............................. 36 2.4 Нестехиометрия и реакционная способность неорганических соединений .......................................................................................................... 40 2.5 Физические средства воздействия на химические реакции .................... 44 2.6 Ингибиторы и катализаторы горения ........................................................ 47 2.6.1 Катализаторы горения ....................................................................... 47 2.6.2 Ингибиторы горения ........................................................................... 49 2.6.3 Применение катализаторов и ингибиторов в технологии порохов ......................................................................................................................... 53 РАЗДЕЛ 3. XИМИЯ РАСТВОРОВ. ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ. ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ ................................................................................ 56 3.1 Процесс растворения. Коллигативные свойства растворов .................... 56 3.1.1 Механизм образования растворов ..................................................... 56 3
3.1.2 Растворимость веществ. Факторы, влияющие на растворимость ......................................................................................................................... 63 3.1.3 Способы выражения состава растворов ......................................... 67 3.1.4 Коллигативные свойства разбавленных растворов ........................ 69 3.1.5 Давление насыщенного пара растворителя над раствором. Закон Рауля ............................................................................................................... 75 3.1.6 Коллигативные свойства растворов электролитов. Изотонический коэффициент Вант-Гоффа ............................................. 81 3.2 Растворы электролитов ................................................................................ 83 3.2.1 Теория электролитической диссоциации .......................................... 83 3.3 Основные дисперсные системы. Свойства и устойчивость коллоидных систем .................................................................................................................. 91 3.3.1 Свойства дисперсных систем ............................................................ 91 3.3.2 Мицеллярная теория строения коллоидных частиц ........................ 97 3.3.3 Устойчивость и коагуляция дисперсных систем ............................. 99 3.3.4 Разрушение дисперсных систем ......................................................... 99 3.4 Окислительно-восстановительные реакции ............................................ 101 3.5 Элементы в аномальных степенях окисления ..................................... 106 3.5 Электрохимические процессы ............................................................... 108 РАЗДЕЛ 4. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОГНЕТУШАЩИХ ВЕЩЕСТВ ............................................................................................................ 112 4.1 Огнетушащие порошки ............................................................................. 117 4.2 Парогазовые огнетушащие вещества ....................................................... 119 4.3 Нанопорошки .............................................................................................. 123 4.4 Антипирены на основе неорганических веществ ................................... 123 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ........................................... 128 ПРИЛОЖЕНИЕ А ............................................................................................... 132 ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.1 ТЕРМОДИНАМИКА ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ....................................................................................................... 132 ПРИЛОЖЕНИЕ Б ................................................................................................ 138 ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.2. ЭЛЕМЕНТЫ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ. ХИМИЧЕСКОЕ РАВНОВЕСИЕ ....................................................................... 138 ПРИЛОЖЕНИЕ В ................................................................................................ 148 4
ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 2.5. ФИЗИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКЦИИ ........................................................................ 148 ПРИЛОЖЕНИЕ Г ............................................................................................... 153 ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 3.1. ПРОЦЕСС РАСТВОРЕНИЯ. КОЛЛИГАТИВНЫЕ СВОЙСТВА РАСТВОРОВ; 3.2. РАСТВОРЫ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ............................................................................................... 153 ПРИЛОЖЕНИЕ Д .............................................................................................. 160 ЗАДАНИЯ К РАЗДЕЛУ 3.3. ОСНОВНЫЕ ДИСПЕРСНЫЕ СИСТЕМЫ. СВОЙСТВА И УСТОЙЧИВОСТЬ КОЛЛОИДНЫХ СИСТЕМ .................... 160 ПРИЛОЖЕНИЕ Е ............................................................................................... 163 СТАНДАРТНАЯ ЭНТАЛЬПИЯ ........................................................................ 163 ПРИЛОЖЕНИЕ Ж .............................................................................................. 164 КОНСТАНТЫ ДИССОЦИАЦИИ ..................................................................... 164 5
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ р – давление (удельная поверхностная сила) Т – температура (мера нагрева тела) m – масса ∆ – знак изменений функции Mr – молекулярная масса ж – жидкий г – газообразный к – кристаллический тв. – твердый изб. – избыток конц. – концентрированный ПАВ – поверхностно-активные вещества разб. – разбавленный экв. – эквивалент 6
Введение Учебный план ФГБОУ ВО Сибирская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России и ФГБВОУ ВО «Академия гражданской защиты МЧС России имени генерал-лейтенанта Д.И. Михайлика» по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и рабочая программа учебной дисциплины «Химия» предусматривают практическое освоение основных положений и законов неорганической химии. Основные теоретические положения по изучаемым темам доводятся до обучающихся на лекциях. Часть теоретических вопросов изучается самостоятельно, в частности для заочной формы обучения на самостоятельную работу отводится 114 часов. Главная отличительная особенность данного учебного пособия заключается в том, что в разделах обобщены актуальные в настоящее время научные результаты фундаментальных и прикладных исследований в области неорганической химии (теория растворов, мицеллярная теория строения коллоидных растворов, химия огнетушащих веществ). В учебном пособии акцентируется внимание на аспектах применения общих закономерностей для решения частных практических вопросов в разделе осваиваемой специальности. Одновременно достигается преемственность дисциплин (теория горения и взрыва, физико-химические основы развития и тушения пожара). В учебном пособии представлены вопросы и задания, которые обеспечивают активизацию учащихся и прочное усвоение знаний, формируют навыки самостоятельной работы. Учебное пособие поможет дать обоснования явлениям, с которыми приходится встречаться в пожарном деле. Учебное пособие предназначено для очной формы обучения по специальности 20.05.01 «Пожарная безопасность» и может использоваться в качестве дополнительной литературы для направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность». 7
РАЗДЕЛ 1. ВВЕДЕНИЕ В ОБЩУЮ ХИМИЮ 1.1 Введение в предмет. Основные понятия и законы химии Химия – это наука, изучающая структуру, состав и свойства веществ. Химия постоянно развивается как наука. Ранее химия считалась единой и целостной наукой, однако в конце XIX века произошли многочисленные открытия, что послужило толчком для ее дифференциации и деления на неорганическую и органическую химию. В данном учебном пособии мы рассмотрим непосредственно предмет неорганической химии, а также связь неорганической химии с пожарным делом. Предмет изучения неорганической химии – это периодический закон Д.И. Менделеева, химические элементы, входящие в разработанную Д.И. Менделеевым таблицу, а так же вещества, образованные этими элементами. На нынешнем уровне развития человечества химические открытия приобрели огромное практическое значение в самых разных сферах человеческой деятельности. Именно поэтому инновации в химической отрасли часто выступают не изолированно, а соотносятся с другими науками, таким как: химия процессов горения, физико-химические основы развития и тушения пожара, пожарная безопасность. В последнее десятилетие можно отметить, что произошло достаточное количество открытий и изобретений. Так, российские ученые синтезировали квазикристаллы, в которых атомы железа, меди и алюминия расположены в особом порядке. Добавляя данные кристаллы в резину и полимеры можно получить твердые вещества. В 2010 году российские ученые Андрей Гейм и Константин Новосёлов стали лауреатами Нобелевской премии за изобретение самого тонкого и прочного электропроводящего материала – графена. Графен состоит из слоя атомов углерода толщиной в один атом. Ученые уже предложили использовать графен в изготовлении современных сверхпрочных дорожных покрытий. 8
Ученые из Российского химико-технологического университета и Нижегородского государственного технологического университета разработали технологию, которая позволяет получать чистый аммиак с помощью мембранной очистки и современных абсорбентов. Основные определения и понятия в химии Химия – фундаментальная наука, инструмент исследования и познания процессов в живых системах. Она конкретна и имеет дело с веществами и мельчайшими частицами, которые нас окружают, а также определяет законы природы. Вещество – обладает массой покоя и обусловленными физическими свойствами. Свойства веществ – проявляются в их химических и физических изменениях (превращениях). В результате превращений вещества либо могут оставаться теми же самыми, либо образовывать новые. Атомно-молекулярное учение (Ломоносов М.В, 1741г.): 1. все вещества состоят из молекул (корпускул); 2. молекулы состоят из элементов (атомов); 3. молекулы и атомы находятся в непрерывном, хаотичном движении; 4. молекулы сложных веществ состоят из разных атомов, а простые вещества состоят из одинаковых. Атом – наименьшая частица химического элемента. Обладает химическими свойствами, которые определяют его строение. Химический элемент – вид атомов с одинаковым зарядом ядра. Существует в виде одиночных атомов (например, Al, Р, C), и в виде простых (Н2, N2) и сложных веществ (Н2О, СаСО3). Молекула – наименьшая частица вещества. Состав и химическое строение молекулы определяет химические свойства вещества. Может состоять из разного числа атомов (СО2, Н2). 9
Аллотропия – существование простых веществ в нескольких формах, разнообразных по свойствам и строению. Например: кислород О2 и озон О3 – образует простое вещество, а кислород (O) химический элемент. Фундаментальные физические постоянные – постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. Масса атома (ma, кг; г) – чрезвычайно мала и составляет 10–27–10–25 кг. Атомная единица массы (а. е. м. или u) – принята для удобства расчета и равна 1/12 части массы изотопа углерода С12: 1 1 1 а.е.м. = 12 1,993 10–26 = 1,667 10–27 кг. 12 𝑚12𝐶= Относительная атомная масса элемента (Аr) – безразмерная величина. Индекс r — «relative» — относительный. Представляет собой отношение массы его атома ma(Э) к 1/12 массы атома С12. Численно равна величинам, указанным в периодической системе элементов Д.И. Менделеева: кг 𝑚𝑎(Э) 1 𝐴𝑟= кг. (1) 12𝑚2𝐶, Относительная молекулярная масса (Мr) – безразмерная величина. Это отношение массы молекулы вещества mм(в-ва) к 1/12 массы атома 12С: кг 𝑚𝑀(в−ва) 1 𝑀𝑟= кг. (2) 12𝑚12𝐶 Количество вещества (n, моль) – физическая величина, определяемая числом структурных элементов системы (молекул, атомов, ионов). Моль вещества (N, моль) – количество, содержащее одно и то же число частиц. В моле вещества содержится 6,02 1023 частиц (закон Авогадро NA, 1/моль): NA = 6,02 1023 1/моль. (3) 10
Молярная масса (М, г/моль; кг/кмоль) – масса одного моля вещества. Численно равна относительной молекулярной массе: 𝑚 𝑉 𝑁 n = 𝑀; n = 𝑉 𝑚 ; n = 𝑁𝐴 , (4) где V – объем газа или пара, л (м3); VM – молярный объем газа или пара, л/моль (м3/кмоль). Валентность (n, В) – способность атомов образовывать химические связи. Равна числу связей (например, в Н2S сера двухвалентна, водород имеет валентность I). Стехиометрические коэффициенты – коэффициенты, стоящие перед веществами в уравнении реакции. Закон сохранения массы вещества (М.В. Ломоносов, 1748г.; А.Лавуазье, 1789г.): масса веществ, вступающих в реакцию, равна массе веществ, образующихся в результате реакции. Уравнение Эйнштейна (А.Эйнштейн, 1915г.) – определяет взаимосвязь массы и энергии: Е = m∙c2. (5) Закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1801 г.): всегда имеет постоянный количественный и качественный состав всякое чистое вещество, независимо от способа его получения. Закон кратных отношений (Д. Дальтон, 1803г.): если два элемента образуют друг с другом несколько химических соединений, то количество одного элемента, соединяющееся с одним и тем же количеством другого, относятся друг к другу как небольшие целые числа (только для соединений молекулярного состава, например, для оксидов азота). Закон кратных отношений не соблюдается для соединений переменного состава, а также для соединений, которые состоят из большого числа атомов (например, углеводороды С18Н38 и С20Н42, где массы углерода и водорода соотносятся как целые числа, но их нельзя назвать небольшими числами). 11
Закон объемных отношений (Гей-Люссак, 1808г.): объемы вступающих в реакцию газов относятся друг к другу и к объемам образующихся газообразных продуктов как малые целые числа. Эквивалент (z) – это условная или реальная частица, которая в данной химической реакции эквивалентна одному атому или иону водорода, или одному протону, или одному электрону (по-другому, способна замещать или присоединять 1 грамм водорода). Это 1/z часть частицы (молекулы, атома). Если z = 1 (1 /1 = 1), то эквивалент идентичен самой частице (реальной частице – атому или молекуле). Например: HBr Эквивалент Br = 1 моль H2O Эквивалент О = 1/2 моль PH3 Эквивалент Р = 1/3 моль SiH4 Эквивалент Si = 1/4 моль Фактор эквивалентности (f) – обратная величина числу эквивалентов (z). Он и показывает, какая часть от реальной частицы эквивалентна иону или атому водорода, или одному электрону (в ОВР). Он принимает дробные значения: 1/2, 1/3, 1/4 и т. д. 𝑓= 1 𝑧. (6) Закон эквивалентов (И. Рихтер, 1793 г.): массы реагирующих друг с другом веществ пропорциональны их эквивалентам. Молярный объем – объем, занимаемый молярной массой газообразного вещества. Молярный объем любого газа при нормальных условиях равен 22,4 л. Нормальные условия: t0 = 0C; T0 = 273 K; p0 = 1 атм = 760 мм рт.ст. = 101,3 кПа = 105 Па = 0,1 Мпа. Эквивалентный объем – объем, занимаемый молярной массой эквивалента газообразного вещества. 1 моль водорода содержит два эквивалента. Объем молярной массы эквивалента водорода (1 г/моль) – 22,4/2 12
= 11,2 л. 1 моль кислорода содержит четыре эквивалента. Объем молярной массы эквивалента кислорода (8 г/моль) 22,4/4 = 5,6 л. Химический эквивалент элемента (соединения) – такое количество (в молях), которое взаимодействует с 1 моль атомов водорода или замещает это же количество атомов водорода в химических соединениях (моль). Молярная масса эквивалента (M1/z, г/моль) – масса одного моля эквивалента вещества, равная произведению фактора эквивалентности на молярную массу вещества: 𝑀экв(х) = 𝑀(1/𝑧) = 𝑓 экв × 𝑀(𝑥). (7) Эквивалентная масса, (г/моль или кг/кмоль) – масса одного эквивалента. Массы реагирующих без остатка веществ. Пропорциональны их эквивалентам или молярным массам эквивалентов: = , (8) 𝑚(𝐴) 𝑚(𝐵) 𝑀(1/𝑧𝐴) 𝑀(1/𝑧𝐵) где M(1/zA) и M(1/zB) – эквивалентные массы реагирующих или образующихся веществ, z – зависит от класса соединения: M(1/z) (оксида) = М оксида / число атомов кислорода·2; M(1/z) (основания) = М основания / кислотность основания; M(1/z) (кислоты) = М кислоты / основность кислоты; M(1/z) (соли) = М соли / число атомов металла валентность металла. В большинстве случаев кислотность основания равна числу гидроксильных групп в формуле основания, а основность кислоты равна числу атомов водорода в формуле кислоты. Теоретическую эквивалентную массу можно вычислить по соотношению: 𝑀(1/𝑧)т = 𝐴𝑧 валентность (9) где Аz – атомная масса взятого металла, г/моль. 13