1.5. Химические реакции горения

Горение – сложный физико-химический процесс, основу которого составляют химические реакции окислительно-восстановительного типа, приводящие к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул.

Примеры реакций горения

метана: СН₄ + 2О₂ = СО₂ + 2Н₂О;

ацетилена: С₂Н₂ + 2,5О₂ = 2СО₂ + Н₂О;

натрия: 2Na + Cl₂ = 2NaCl;

водорода: Н₂ + Cl₂ = 2НCl, 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О;

тротила: С₆Н₂(NO₂)₃CH₃ = 2,5H₂O + 3,5CO + 3,5C +1,5N₂.

Сущность окисления – отдача окисляющимся веществом валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается, Сущность восстановления – присоединение восстанавливающимся веществом электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вещества (элемента) в оболочку атомов другого.

Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительно заряженный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний уровень заполняется восемью электронами, и атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате действия кулоновских электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь):

Na⁺ + Cl^– = Na⁺Cl^– или 2Na + Cl₂ = 2Na⁺Cl^–.

Атом магния имеет в наружном слое два электрона. При взаимодействии с кислородом два атома магния отдают четыре электрона молекуле (двум атомам) кислорода и превращаются в положительные двухзарядные ионы. Последние связываются с образовавшимися отрицательно заряженными ионами кислорода в кристаллы оксида магния MgO:

4е^–

2Mg + O₂ = 2Mg²⁺O^2–.

Таким образом, горение магния (окисление) сопровождается переходом его электронов к кислороду. В других процессах электроны внешних оболочек двух разных атомов поступают как бы в общее пользование, стягивая тем самым атомы молекул (ковалентная или атомная связь):

.

И, наконец, один атом может отдавать в общее пользование свою пару электронов (молекулярная связь):

.

Выводы из положений современной теории окисления–восстановления:

1. Сущность окисления заключается в потере электронов атомами или ионами окисляющегося вещества, а сущность восстановления – в присоединении электронов к атомам или ионами восстанавливающегося вещества. Процесс, при котором вещество теряет электроны, называется окислением, а присоединение электронов – восстановление.

2. Окисление какого-либо вещества не может произойти без одновременного восстановления другого вещества. Например, при горении магния в кислороде или воздухе происходит окисление магния и одновременно – восстановление кислорода. При полном сгорании образуются продукты, неспособные к дальнейшему горению (СО₂, Н₂О, НСl и т.д.), при неполном – получившиеся продукты способны к дальнейшему горению (CO, H₂S, HCN, NH₃, альдегиды и т.д.). Схема: спирт – альдегид – кислота.

В условиях пожара при горении органических веществ в воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода.