8.5 Особливості горіння металів

Як вже відмічалося, горючими є тільки ті метали, які можуть підтримувати самостійне горіння на повітрі після впливу джерела запалювання середньої потужності.

Метали на пожежах можуть горіти суцільною масою (калій, кальцій, натрій, магній) або у вигляді стружок, порошків (алюміній, титан і ін.). Особливістю займання часток металу, яка відрізняє їх від інших горючих речовин, є утворення на поверхні окисної плівки внаслідок реакцій окислення, що передують горінню і прискорюються при нагріві. Початковою стадією реакції між металом і киснем є адсорбція газу на його поверхні. Адсорбція може бути зумовлена фізичними і хімічними силами. Якість і поведінка поверхневої окисної плівки, що утворилася, впливають на горючість часток. Пориста, рихла окисна плівка не перешкоджує подальшому окисленню металу. Щільна плівка, що добре пов'язана з основним металом, ускладнює окислювальний процес.

Характер горіння металів залежить від температури кипіння самого металу, а також від температури плавлення оксиду та його властивостей. За співвідношенням цих температур метали поділяють на дві групи: летючі і нелетучі. (табл. 8.1)

Таблиця 8.1

Летючі метали
метал	Тпл, К	Ткип, К	Оксид Ме	Тпл, К	Ткип, К
Li	454	1620	Li2O	1700	2823
Na	317	1156	Na2O	1190	2190
K	337	1052	K2O	700	1750
Mg	923	1381	MgО	3075	3350
Ca	1124	1755	CaО	2858	3800
Нелетучі метали
метал	Тпл, К	Ткип, К	Оксид Ме	Тпл, К	Ткип, К
Al	932	2679	Al2О3	2418	3800
Be	1556	2750	BeО	2823	4123
Ti	1950	3550	TiО2	2138	4100
Zr	2125	4650	ZrО2	2960	5200

Летючі метали володіють відносно низькими температурами фазового переходу - Т_пл менше за 1000К, Т_кип не перевищує 1500К (виключення лише кальцій). Т_кип. летючих Ме < Т_пл. їх оксидів, тому при нагріванні метал буде переходити в рідкий стан, але на поверхні рідкого металу буде знаходитися кірка твердого пористого оксиду. Крім того, температура кипіння летючих металів менше температури їх полум'я, тому в процесі горіння такі метали киплять.

До цієї групи відносяться лужні метали (літій, калій, натрій і інші) і лужноземельні (магній, кальцій).

При піднесенні джерела запалювання до летючого металу відбувається нагрівання і подальше його окислення. При подальшому нагріванні оксидна плівка залишається твердою (велика температура плавлення), а метал починає плавиться і переходить в рідкий стан. Пара металу дифундує крізь пористий твердий окисел в повітря. Коли концентрація пари металу в повітрі досягне НКМПП, відбувається займання. Зона гомогенного дифузійного горіння встановлюється у поверхні оксиду і велика частка тепла передається металу, внаслідок чого він нагрівається до температури кипіння. Кипіння металу спричиняє періодичне руйнування оксидної плівки, що інтенсифікує горіння.

Продукти горіння (оксиди металів) дифундують не тільки до поверхні металу, сприяючи утворенню кірки оксиду, але і в повітря, де вони, охолоджуючись, конденсуються і утворюють тверді частинки у вигляді білого диму. Утворення білого щільного диму є візуальною ознакою горіння летючих металів.

ДОСЛІД: горіння магнієвої стружки.

До нелетучих металів відносяться насамперед алюміній, берилій, титан та цирконій. Температури фазових переходів нелетких металів значно вище, ніж у летючих. Так, Т_пл таких металів, як правило, вище за 1000К, а їх Т_кип більше 2500К, до того ж Т_кип. нелетучих Ме > Т_пл. їх оксидів. При нагріванні метал буде переходити в рідкий стан, а оксидна плівка буде в ньому плавитися.

На поверхні нелетучих металів утворюється досить щільна оксидна плівка, яка служить захистом від подальшого процесу окислення. При тепловому впливі на їх поверхню метал починає плавитися, однак температури кипіння таких металів більша, ніж температура їх горіння, крім того наявність щільної плівки обумовлює низьку інтенсивність випаровування, отже швидкість дифузії пари металу в повітря незначна. Концентрація пари металу в повітрі менше, ніж НКМПП, отже полум'яне горіння не виникає.

Якщо інтенсивність теплового впливу недостатня для нагріву окисної плівки до температури більшій, ніж температура її плавлення, то горіння не виникає, а відбувається лише збільшення окисного шару внаслідок протікання повільної реакції окислення за рахунок дифузії кисню через окисну плівку.

Збільшення тривалості теплового впливу та температури нагріву приводить до розплавлення оксидної плівки в розплаві металу, при цьому на поверхню вийде нагрітий до високої температури метал, який відразу ж починає окислюватися киснем повітря на кордоні розділу фаз. Горіння відбувається в гетерогенному режимі.

Якщо температура краплі металу всередині оболонки із рідкого окисла досягає температури кипіння, то оболонка вибухає і утворюються краплі металу меншого розміру, що, природно, веде до інтенсифікації горіння.

Як правило, пожежі таких металів мають місце в тому випадку, коли вони знаходяться у вигляді стружки, порошків і аерозолів. Їх горіння відбувається без утворення щільного диму.

Необхідно відмітити деякі особливості горіння металів:

1. Режим горіння металу залежить від природи окисної плівки, що утворюється на поверхні частки металу.

2. Горіння металів може відбуватися не тільки в окислювальному середовищі повітря, але і в продуктах горіння органічних речовин. У цьому випадку горіння протікає за рахунок екзотермічної реакції відновлення води до водню, а двоокиси вуглецю до його оксиду по реакціях:

Na + H₂O = NaOH + 0,5 H₂

2Na + CO₂ = Na₂O + CO.

3. Метали горять з виділенням великої кількості енергії і з могутнім світловим випромінюванням. Тому особливістю горіння металів є висока температура їх горіння 2500 - 3500 К. У зв'язку з цим заборонено:

а) гасіння металів, що горять, водою внаслідок її розкладання на водень і кисень:

H₂O = H₂ + 0,5O₂.

б) гасіння вуглекислотою (розкладається на вуглець і кисень).

CO₂ = С + O₂.

ВИСНОВОК: Знання особливостей поведінки металів в умовах пожежі дозволить працівникам пожежної охорони правильно вибрати вогнегасні засоби і розрахувати сили і кошти, необхідні для ліквідації пожежі.