Несмотря на то, что в практике отопления жилищ мы постоянно сталкиваемся с необходимостью обеспечения безопасности из-за присутствия в атмосфере помещений токсичных продуктов сгорания, а также образования взрывоопасных газовых смесей (при утечках используемого в качестве топлива природного газа), эти проблемы по-прежнему актуальны. Предупредить неблагоприятные последствия позволяет применение газоанализаторов.
Г орение, как известно, - частный случай реакции окисления, сопровождающейся выделением света и тепла. При сгорании углеродного топлива, в том числе газового, углерод и водород, входящие в состав органических соединений, или преимущественно углерод (при сжигании угля) окисляются до диоксида углерода (СО 2 - углекислого газа), монооксида углерода (СО - угарного газа) и воды (H 2 O). Кроме того, в реакции вступают азот и примеси, содержащиеся в топливе и (или) в воздухе, который подается к горелкам теплогенераторов (котельных агрегатов, печей, каминов, газовых плит и др.) для сжигания топлива. В частности, продуктом окисления азота (N 2) являются оксиды азота (NO x) - газы, также относящиеся к вредным выбросам (см. табл.).
Таблица. Допустимое содержание вредных выбросов в отводящихся от теплогенераторов газах по классам оборудования согласно Европейскому стандарту.
Угарный газ и его опасность
Риск отравления угарным газом сегодня по-прежнему достаточно высок, что связано с его высокой токсичностью и неосведомленностью населения.
Чаще всего отравление угарным газом случается при неправильной эксплуатации или неисправностей каминов и традиционных печей, установленных в частных домах, банях, но нередки и случаи отравления, вплоть до летальных исходов, при индивидуальном отоплении газовыми котлами. Кроме того, отравление угарным газом нередко наблюдается, и часто также с летальным исходом, при пожарах и даже при локализованных возгораниях вещей в помещениях. Общим и определяющим фактором при этом является горение при недостатке кислорода - именно тогда вместо безопасного для здоровья человека углекислого газа образуется в опасных количествах угарный газ.
Рис. 1 Сменный сенсор газоанализатора вместе с плато управления им
Поступая в кровь, монооксид углерода связывается с гемоглобином, образуя карбоксигемоглобин. При этом гемоглобин утрачивает способность к связыванию кислорода и транспортировке его к органам и клеткам организма. Токсичность угарного газа такова, что при присутствии его в атмосфере в концентрации всего 0,08 % у дышащего этим воздухом человека до 30 % гемоглобина переходит в карбоксигемоглобин. При этом человек уже чувствует симптомы легкого отравления - головокружение, головную боль, тошноту. При концентрации СО в атмосфере 0,32 % до 40 % гемоглобина превращается в карбоксигемоглобин, и человек находится в средней тяжести отравления. Состояние его таково, что не хватает сил самостоятельно покинуть помещение с отравленной атмосферой. При повышении содержания СО в атмосфере до 1,2 % в карбоксигемоглобин переходит до 50 % гемоглобина крови, что соответствует развитию у человека коматозного состояния.
Оксиды азота - токсичность и вред экологии
При сжигании топлива азот, присутствующий в топливе или воздухе, подающемся для сгорания, образует с кислородом монооксид азота (NO).Спустя некоторое время этот бесцветный газ окисляется под воздействием кислорода и образуется диоксид азота (NO 2). Из оксидов азота именно NO 2 наиболее опасен для здоровья человека. Он сильно раздражает слизистые оболочки дыхательных путей. Вдыхание ядовитых паров диоксида азота может привести к серьезному отравлению. Человек ощущает его присутствие даже при малых концентрациях, составляющих всего 0,23 мг/м 3 (порог обнаружения). Однако способность организма обнаруживать присутствие диоксида азота пропадает после 10 минут вдыхания. Ощущается чувство сухости и першения в горле, но и эти признаки исчезают при продолжительном воздействии газа в концентрации, в 15 раз превышающей порог обнаружения. Таким образом, NO 2 ослабляет обоняние.
Рис 2 Сигнализатор угарного газа
Кроме того, в концентрации 0,14 мг/м 3 , что ниже порога обнаружения, диоксид азота снижает способность глаз адаптироваться к темноте, а в концентрации всего 0,056 мг/м 3 затрудняет дыхание. Люди с хроническими заболеваниями легких испытывают затрудненность дыхания и при более низкой его концентрации.
Подвергающиеся действию диоксида азота люди чаще болеют заболеваниями дыхательных путей, страдают бронхитом и воспалением легких.
Диоксид азота и сам может вызывать поражение легких. Попадая в организм, NO 2 при контакте с влагой образует азотистую и азотную кислоты, которые разъедают стенки альвеол легких, следствием чего может стать отек легких, часто ведущий к летальному исходу.
Кроме того, выбросы диоксида азота в атмосферу под воздействием ультрафиолетового излучения, входящего в спектр солнечного света, способствуют образованию озона.
Образование оксидов азота зависит от содержания азота в топливе и подающемся для горения воздухе, времени пребывания азота в зоне горения (длины факела пламени) и температуры пламени.
По месту и времени образования выделяют быстрые и топливные оксиды азота. Быстрые NO x образуются в процессе реакции азота со свободным кислородом (избыточного воздуха) в реакционной зоне пламени.
Топливные NO x образуются при высоких температурах горения в результате соединения содержащегося в топливе азота с кислородом. Данная реакция поглощает тепло и характерна для сжигания дизельного и твердого органического топлива (дров, пеллет, брикетов). В процессе сгорания природного газа топливные NO x не образуются, поскольку природный газ не содержит азотных соединений.
Решающими критериями при образовании NO x являются концентрация кислорода в процессе сгорания, время пребывания воздуха, идущего на горение, в зоне горения (длина факела пламени) и температура пламени (до 1200 °C - низкое, от 1400 °C - значительное и от 1800 °C - максимальное образование термальных NO x).
Образование NO x можно снизить с помощью современных технологий горения, таких как «холодное пламя», рециркуляция дымовых газов и низкий уровень избыточного воздуха.
Несгораемые углеводороды и сажа
Несгораемые углеводороды (C x H y) также образуются в результате неполного сгорания топлива и способствуют образованию парникового эффекта. В данную группу входят метан (CH 4), бутан (C 4 H 10) и бензол (C 6 H 6). Причины их образования аналогичны причинам образования CO: недостаточное распыление и перемешивание при использовании жидкого топлива и недостаток воздуха при использовании природного газа или твердого топлива.
Кроме того, в результате неполного сгорания в дизельных горелках образуется сажа - по сути, чистый углерод (С). При нормальных температурах углерод реагирует очень медленно. Для полного сгорания 1 кг углерода (C) требуется 2,67 кг O 2 . Температура воспламенения - 725 °C. Более низкие температуры ведут к образованию сажи.
Природный и сжиженный газ
Отдельную опасность представляет само газовое топливо.
Природный газ почти полностью состоит из метана (80-95 %), остальное, по большей части, приходится на этан (до 3,7 %) и азот (до 2,2 %). В зависимости от района производства, в него могут входить в незначительных количествах серные соединения и вода.
Опасность несут утечки газового топлива из-за повреждения газового трубопровода, неисправной газовой арматуры или просто забытой в открытом состоянии при подаче газа на конфорку газовой плиты («человеческий фактор»).
Рис 3 Проверка на утечку природного газа
Метан в тех концентрациях, в которых он может присутствовать в атмосфере жилых помещений или на улице, не токсичен, но в отличие от азота, очень взрывоопасен. В газообразном состоянии он образует с воздухом взрывоопасную смесь в концентрациях от 4,4 до 17 %, наиболее взрывоопасная концентрация метана в воздухе - 9,5 %. В бытовых условиях такие концентрации метана в воздухе создаются при накапливании его при утечках в объемах замкнутых помещений - кухонь, квартир, подъездов. К взрыву в таком случае может привести искра, проскочившая между контактами выключателя электросети, при попытке включить электрическое освещение. Последствия взрывов часто носят катастрофический характер.
Особую опасность при утечках природного газа представляет отсутствие запаха его компонентов. Поэтому накапливание его в замкнутом объеме помещения происходит незаметно для людей. Для обнаружения утечки в природный газ добавляют одорант (с целью имитации запаха).
В автономных системах отопления находит применение сжиженный углеводородный газ (СУГ), представляющий собой побочные продукты нефтяной и топливной промышленности. Основными его компонентами являются пропан (C 3 H 8) и бутан (C 4 H 10). СУГ хранится в жидком состоянии под давлением в газовых баллонах и газгольдерах. Он также образует взрывоопасные смеси с воздухом.
СУГ образует с воздухом взрывоопасные смеси при концентрации паров пропана от 2,3 до 9,5 %, нормального бутана - от 1,8 до 9,1 % (по объему), при давлении 0,1 МПа и температуре 15-20 °C. Температура самовоспламенения пропана в воздухе составляет 470 °C, нормального бутана - 405 °C.
При стандартном давлении СУГ является газообразным и тяжелее воздуха. При испарении из 1 л сжиженного углеводородного газа образуется около 250 л газообразного, поэтому даже незначительная утечка СУГ из газового баллона или газгольдера может быть опасной. Плотность газовой фазы СУГ в 1,5-2 раза больше плотности воздуха, поэтому он плохо рассеивается воздухе, особенно в закрытых помещениях, и может скапливаться в естественных и искусственных углублениях, образуя с воздухом взрывоопасную смесь.
Газоанализаторы как средство газовой безопасности
Вовремя обнаружить присутствие в атмосфере помещений несущие опасность газы позволяют газовые анализаторы. Эти приборы могут иметь разную конструкцию, сложность и функциональность, в зависимости от чего подразделяются на индикаторы, течеискатели, газосигнализаторы, газоанализаторы, газоналитические системы. В зависимости от исполнения они выполняют разные функции - от простейших (подача аудио и/или видеосигнала), до таких как мониторинг и регистрация с передачей данных по Internet и/или Ethernet. Первые, обычно используемые в системах безопасности, сигнализируют о превышении пороговых значений концентрации часто без количественной индикации, последние, в состав которых часто входят несколько датчиков, применяются при наладке и регулировании оборудования, а также в автоматизированных системах управления как составные части, отвечающие не только за безопасность, но и за эффективность.
Рис 4 Настройка работы газового котла с помощью газового анализатора
Важнейшим компонентом всех газоаналитических приборов являются сенсоры - чувствительные элементы небольших размеров, генерирующие сигнал, зависящий от концентрации определяемого компонента. Для повышения избирательности детектирования на входе иногда размещают селективные мембраны. Существуют электрохимические, термокаталитические/каталитические, оптические, фотоионизационные и электрические сенсоры. Их масса обычно не превышает нескольких граммов. Одна модель газового анализатора может иметь модификации с различными сенсорами.
В основе работы электрохимических сенсоров заложены превращения определяемого компонента в миниатюрной электрохимической ячейке. Используются инертные, химически активные или модифицированные, а также ионоселективные электроды.
Оптические сенсоры измеряют поглощение или отражение первичного светового потока, люминесценции или тепловом эффекте при поглощении света. Чувствительный слой может быть, например, поверхностью волокна световода или иммобилизованной на нем фазой, содержащей реагент. Волоконно-оптические световоды позволяют работать в ИК, видимом и УФ диапазонах.
В основе термокаталитического метода - каталитическое окисление молекул контролируемых веществ на поверхности чувствительного элемента и преобразование выделяющегося тепла в электрический сигнал. Его значение определяется концентрацией контролируемого компонента (суммарной концентрацией для совокупности горючих газов и паров жидкостей), выражаемой в процентах НКПР (нижнего концентрационного предела распространения пламени).
Важнейший элемент фотоионизационного сенсора - источник вакуумного ульрафиолетового излучения, который определяет чувствительность детектирования и обеспечивает его селективность. Энергия фотонов достаточна для ионизации большинства наиболее часто встречающихся загрязнителей, но мала для компонентов чистого воздуха. Фотоионизация происходит в объеме, поэтому сенсор легко переносит большие концентрационные перегрузки. Переносные газоанализаторы с такими сенсорами часто используют для контроля воздуха рабочей зоны.
К электрическим сенсорам относятся полупроводники с электронной проводимостью на основе оксидов металлов, органические полупроводники и полевые транзисторы. Измеряемыми величинами являются проводимость, разность потенциалов, заряд или емкость, изменяющиеся при воздействии определяемого вещества.
В разных приборах для определения концентрации CO применяются электрохимические, оптические, электрические сенсоры. Для определения газообразных углеводородов и, прежде всего, метана применяются фотоионизационные, оптические, термокаталитические, каталитические и электрические (полупроводниковые) сенсоры.
Рис 5. Газовый анализатор
Применение газоанализаторов на газораспределительных сетях регламентируется нормативными документами. Так, СНиП 42-01-2002 «Газораспределительные системы» предусматривает обязательную установку на внутренних газовых сетях газоанализатора, выдающего сигнал отсечному клапану на закрытие в случае скопления газа в концентрации 10 % от взрывоопасной. Согласно п. 7.2. СНиПа, «помещения зданий всех назначений (кроме жилых квартир), где устанавливается газоиспользующее оборудование, работающее в автоматическом режиме без постоянного присутствия обслуживающего персонала, следует оснащать системами контроля загазованности с автоматическим отключением подачи газа и выводом сигнала о загазованности на диспетчерский пункт или в помещение с постоянным присутствием персонала, если другие требования не регламентированы соответствующими строительными нормами и правилами.
Системы контроля загазованности помещений с автоматическим отключением подачи газа в жилых зданиях следует предусматривать при установке отопительного оборудования: независимо от места установки - мощностью свыше 60 кВт; в подвальных, цокольных этажах и в пристройке к зданию - независимо от тепловой мощности».
Предупреждение вредных выбросов и повышение эффективности котельного оборудования
Кроме того, что газоанализаторы позволяют предупредить об опасных концентрациях газа в объеме помещений, с их помощью производится настройка работы котельного оборудования, без которой невозможно обеспечить заявляемые производителем показатели эффективности, комфорта, снизить затраты на топливо. Для этого применяются газоанализаторы дымовых газов.
С помощью газоанализатора дымовых газов необходимо настраивать настенные конденсационные котлы на природном газе. Следует контролировать концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NO x .
В вентиляторных горелках, работающих на природном газе, также нужно контролировать концентрацию кислорода (3 %), угарного (20 ппм) и углекислого газа (13 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,6), NO x .
В вентиляторных горелках, работающих на дизельном топливе, помимо всего предыдущего, перед использованием газоанализатора необходимо измерять сажевое число и концентрацию оксида серы. Сажевое число должно быть меньше 1. Этот параметр измеряется с помощью анализатора сажевого числа и говорит о качестве распыла через форсунки. При его превышении нельзя использовать газоанализатор для настройки, так как будет загрязняться тракт газоанализатора и станет невозможно добиться оптимальных показателей. Концентрация оксида серы (IV) - SO 2 говорит о качестве топлива: чем она больше, тем хуже топливо, при локальных избытках кислорода и влажности превращается в H 2 SO 4 , разрушающую всю топливосжигающую систему.
В пеллетных котлах следует контролировать концентрацию кислорода (5 %), угарного (120 ппм) и углекислого газа (17 % об.), коэффициент избытка воздуха (1,8), NO x . Необходимы предварительная защита тонкой фильтрации от запыленности дымовыми газами и защита от превышения рабочего диапазона по каналу СО. Он в считанные секунды может превысить рабочий диапазон сенсора и достигнуть 10000-15000 ппм.
С 1965 по 1980 г. во всем мире из 1307 смертельных случаев в крупных авариях, включающих пожары, взрывы или токсичные выбросы как на стационарных установках, так и во время транспортировки, 104 смертельных случая (8 %) связаны с выбросом токсичного вещества. Статистика по несмертельным случаям такова: общее число пораженных - 4285 человек, пострадали от токсичных выбросов - 1343 человека (32 %). До 1984 г. соотношение пострадавших и погибших в результате токсичных выбросов сильно отличалось от соотношения аварий с пожарами и взрывами. Однако авария, происшедшая 3 декабря 1984 г. в г. Бхопал (Индия), унесла около 4 тыс. жизней и внесла существенную поправку в это соотношение. Аварии с выбросом токсичных веществ сильно волнуют общественность во всех промышленно развитых странах.
Многие токсичные вещества, широко используемые в промышленности, из которых наиболее важными являются хлор и аммиак, хранятся в виде сжиженных газов под давлением не менее 1 МПа. В случае потери герметичности резервуаров, где хранится такое вещество, происходит мгновенное испарение части жидкости. Количество испарившейся жидкости зависит от природы вещества и его температуры. Некоторые токсичные вещества, которые являются жидкостями при обычной температуре, хранятся в резервуарах (под атмосферным давлением), снабженных дыхательной арматурой и соответствующими устройствами для предотвращения утечки в атмосферу, например специальной ловушкой с активированным углем. Одной из возможных причин потери герметичности резервуара может стать появление избыточного давления инертного газа, например азота, внутри парового пространства резервуара, что происходит в результате отказа редукционного клапана в случае отсутствия системы автоматического регулирования давления в резервуаре. Другая причина - унос остатка токсичного вещества вместе с водой, например при промывке резервуара.
Возможной причиной утечки из резервуаров может стать избыточное количество подводимого к резервуару тепла, например в виде солнечной радиации или тепловой нагрузки пожара на территории хранилища. Попадание в резервуар веществ, вступающих в химическую реакцию с содержимым, может также стать причиной токсичного выброса, причем даже в том случае, если само по себе содержимое обладало низкой токсичностью. Известны случаи, когда на предприятиях в результате неумышленных действий, например при смешивании соляной кислоты и отбеливателя (гипохлорита натрия), происходила утечка образовавшегося хлора. Попадание в резервуар веществ, ускоряющих полимеризацию или разложение, может привести к высвобождению такого количества тепла, которое вызовет выкипание части содержимого и приведет к образованию выбросов токсичных веществ.
Контрольная работа №1 11 кл
Вариант 1.
Из курса химии Вам известны следующие способы разделения смесей:
.
способов.
Рис.1 Рис.2 Рис.3
1) муки от попавших в неё железных опилок;
2) воды от растворённых в ней неорганических солей?
смеси. (
Мука и попавшие в неёжелезные опилки
Вода с растворёнными в ней неорганическими солями
элемента .
этот химический элемент.
Ответы запишите в таблицу
Символхимического
элемента
№ периода
№ группы
Металл/неметалл
3. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева – богатое хранилище
о нахождении их в природе. Так, например, известно, что с увеличением порядкового номера
химического элемента в периодах радиусы атомов уменьшаются, а в группах увеличиваются.
Учитывая эти закономерности, расположите в порядке увеличения радиусов атомов
следующие элементы: C, Si, Al, N.
последовательности.
4.
состояние;
кипения и плавления;
неэлектропроводные;
хрупкие;
тугоплавкие;
нелетучие;
электрический ток
Используя данную информацию, определите, какое строение имеют вещества азот N 2
и поваренная соль NaCl. (дайте развернутый ответ).
2
изделий и сладостей.
путём
CO 2
углекислого газа в воздухе.
содержит вещества (например, кислоты
упоминалась в тексте .
6.
.
9. Хотя растения и животные нуждаются в соединениях фосфора как элемента, входящего в состав жизненно важных веществ, загрязнение природных вод фосфатами крайне негативно сказывается на состоянии водоемов. Сброс фосфатов со сточными водами вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей, а жизнедеятельность всех прочих организмов угнетается. Определите количество катионов и анионов, образующихся при диссоциации 25 моль ортофосфата натрия.
10. Дайте объяснение: Иногда в сельской местности женщины совмещают окраску волос хной с мытьем в русской бане. Почему при этом окраска получается более интенсивной?
11.
H 2 S + Fe 2 O 3 → FeS + S + H 2 O .
12. Пропан сгорает с низким уровнем выброса токсичных веществ в атмосферу, поэтому его используют в качестве источника энергии во многих областях, например, в газовых
Какой объём углекислого газа (н.у.) образуется при полном сгорании 4, 4 г пропана?
13. Физиологическим раствором в медицине называют 0,9%-ный раствор хлорида натрия в воде. Рассчитайте массу хлорида натрия и массу воды, которые необходимы для приготовления 500 г физиологического раствора.
Запишите подробное решение задачи .
Контрольная работа №1 11 кл
Вариант 2.
1.Из курса химии Вам известны следующие способы разделения смесей:
отстаивание, фильтрование, дистилляция (перегонка), действие магнитом, выпаривание, кристаллизация .
На рисунках 1–3 представлены примеры использования некоторых из перечисленных
способов.
Рис.1 Рис.2 Рис.3
Какие из названных способов разделения смесей можно применить для очищения:
1) серы от попавших в неё железных опилок;
2) воды от частичек глины и песка?
Запишите в таблицу номер рисунка и название соответствующего способа разделения
смеси. ( таблицу перечертите в тетрадь)
2.На рисунке изображена модель электронного строения атома некоторого химического
элемента .
На основании анализа предложенной модели выполните следующие задания:
1) определите химический элемент, атом которого имеет такое электронное строение;
2) укажите номер периода и номер группы в Периодической системе химических
элементов Д.И. Менделеева, в которых расположен этот элемент;
3) определите, к металлам или неметаллам относится простое вещество, которое образует
этот химический элемент.
Ответы запишите в таблицу (таблицу перечертите в тетрадь)
Символхимического
элемента
№ периода
№ группы
Металл/неметалл
3. Периодическая система химических элементов Д.И. Менделеева – богатое хранилище
информации о химических элементах, их свойствах и свойствах их соединений,
о закономерностях изменения этих свойств, о способах получения веществ, а также
о нахождении их в природе. Так, например, известно, что у химического элемента в периодах электроотрицательность увеличивается, а в группах уменьшается.
Учитывая эти закономерности, расположите в порядке увеличения электроотрицательности
следующие элементы: F, Na, N, Mg. Запишите обозначения элементов в нужной
последовательности.
4. В приведённой ниже таблице перечислены характерные свойства веществ, которые имеют молекулярное и ионное строение.
при обычных условиях имеют жидкое,газообразное и твёрдое агрегатное
состояние;
имеют низкие значения температур
кипения и плавления;
неэлектропроводные;
имеют низкую теплопроводность
твёрдые при обычных условиях;
хрупкие;
тугоплавкие;
нелетучие;
в расплавах и растворах проводят
электрический ток
Используя данную информацию, определите, какое строение имеют вещества кислород О 2
и сода Na 2 CО 3 . (дайте развернутый ответ).
В пищевой промышленности используется пищевая добавка Е526, которая
представляет собой гидроксид кальция Ca(OH) 2 . Она находит применение при производстве:
фруктовых соков, детского питания, маринованных огурцов, пищевой соли, кондитерских
изделий и сладостей.
Получение гидроксида кальция в промышленном масштабе возможно путём
смешивания оксида кальция с водой , этот процесс называется гашение.
Широкое применение гидроксид кальция получил в производстве таких строительных
материалов, как белила, штукатурка и гипсовые растворы. Это связано с его способностью
взаимодействовать с углекислым газом CO 2 , содержащимся в воздухе. Это же свойство
раствора гидроксида кальция применяется для измерения количественного содержания
углекислого газа в воздухе.
Полезным свойством гидроксида кальция является его способность выступать в роли
флокулянта, очищающего сточные воды от взвешенных и коллоидных частиц (в том числе
солей железа). Он также используется для повышения рН воды, так как природная вода
содержит вещества (например, кислоты ), вызывающие коррозию в сантехнических трубах.
5. Составьте молекулярное уравнение реакции получения гидроксида кальция, которая
упоминалась в тексте .
6. Объясните, почему этот процесс называют гашением.
7. Составьте молекулярное уравнение реакции между гидроксидом кальция и углекислым
газом, которая упоминалась в тексте. Объясните, какие особенности этой реакции позволяют использовать её для обнаружения углекислого газа в воздухе.
8. Составьте сокращённое ионное уравнение упомянутой в тексте реакции между
гидроксидом кальция и соляной кислотой .
9. Хотя растения и животные нуждаются в соединениях фосфора как элемента, входящего в состав жизненно важных веществ, загрязнение природных вод фосфатами крайне негативно сказывается на состоянии водоемов. Сброс фосфатов со сточными водами вызывает бурное развитие сине-зеленых водорослей, а жизнедеятельность всех прочих организмов угнетается. Определите количество катионов и анионов, образующихся при диссоциации 15 моль ортофосфата калия.
10. Дайте объяснение: Почему все виды укладки волос обычно выполняют с помощью нагревания?
11. Дана схема окислительно-восстановительной реакции
Расставьте коэффициенты. Запишите электронный баланс.
Укажите окислитель и восстановитель.
12. Пропан сгорает с низким уровнем выброса токсичных веществ в атмосферу, поэтому его используют в качестве источника энергии во многих областях, например, в газовых
зажигалках и при отоплении загородных домов.
Какой объём углекислого газа (н.у.) образуется при полном сгорании 5г пропана?
Запишите подробное решение задачи.
13. Фармацевту необходимо приготовить 5%-ный раствор иода, который используют для обработки ран.
Какой объем раствора может приготовить фармацевт из 10 г кристаллического иода, если плотность раствора должна быть 0,950г/мл?
Широкое применение гидроксид кальция получил в производстве таких строительных материалов, как белила, штукатурка и гипсовые растворы. Это связано с его способностью взаимодействовать с углекислым газом CO2, содержащимся в воздухе. Это же свойство раствора гидроксида кальция применяется для измерения количественного содержания углекислого газа в воздухе.
Полезным свойством гидроксида кальция является его способность выступать в роли флокулянта, очищающего сточные воды от взвешенных и коллоидных частиц (в том числе солей железа). Он также используется для повышения рН воды, так как природная вода содержит вещества (например, кислоты), вызывающие коррозию в сантехнических трубах.
Составьте молекулярное уравнение реакции между гидроксидом кальция и углекислым газом, которая упоминалась в тексте.2. Объясните, какие особенности этой реакции позволяют использовать её для обнаружения углекислого газа в воздухе
Составьте сокращённое ионное уравнение упомянутой в тексте реакции между гидроксидом кальция и соляной кислотой.2. Объясните, почему эту реакцию используют для повышения рН воды
9. Дана схема окислительно-восстановительной реакции:
Составьте электронный баланс этой реакции.2. Укажите окислитель и восстановитель.
Расставьте коэффициенты в уравнении реакции.
10. Дана схема превращений: → → →
Напишите молекулярные уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить указанные превращения.
Установите соответствие между формулой органического вещества и классом/группой, к которому(-ой) это вещество принадлежит: к каждой букве подберите класс
В предложенные схемы химических реакций вставьте формулы пропущенных веществ и расставьте коэффициенты.
1) → 2) → 
13. Пропан сгорает с низким уровнем выброса токсичных веществ в атмосферу, поэтому его используют в качестве источника энергии во многих областях, например в газовых зажигалках и при отоплении загородных домов. Какой объём углекислого газа (н.у.) образуется при полном сгорании 4,4 г пропана? Запишите подробное решение задачи.
Изопропиловый спирт используют как универсальный растворитель: он входит в состав средств бытовой химии, парфюмерной и косметической продукции, стеклоомывающих жидкостей для автомобилей. В соответствии с приведённой ниже схемой составьте уравнения реакций получения этого спирта. При написании уравнений реакций используйте структурные формулы органических веществ.
15. Физиологическим раствором в медицине называют 0,9%-ный раствор хлорида натрия в воде. Рассчитайте массу хлорида натрия и массу воды, которые необходимы для приготовления 500 г физиологического раствора. Запишите подробное решение задачи.
7.
Элементы ответа:
2) В результате этой реакции образуется нерастворимое вещество - карбонат кальция, наблюдается помутнение исходного раствора, что и позволяет судить о наличии углекислого газа в воздухе (качественная реакция на )
8. Элементы ответа:
2) Наличие кислоты в природной воде обусловливает низкие значения pH этой воды. Гидроксид кальция нейтрализует кислоту, и значения pH повышаются.
9. Пояснение. 1) Составлен электронный баланс:
2) Указано, что сера в степени окисления –2 (или ) является восстановителем, а железо в степени окисления +3 (или ) - окислителем;
3) Составлено уравнение реакции:
10. Написаны уравнения реакций, соответствующие схеме превращений:
15.Пояснение. Элементы ответа:1) = 4,5 г 2) = 495,5 г
Рост моторизации приносит с собой необходимость проведения мер по охране окружающей среды. Воздух в городах все более загрязняется веществами, вредными для здоровья человека, особенно окисью углерода, несгоревшими углеводородами, окислами азота, соединениями свинца, серы и т. д. В значительной мере это продукты неполного сгорания топлив, применяемых на предприятиях, в быту, а также в автомобильных двигателях.
Наряду с токсичными веществами при эксплуатации автомобилей вредное воздействие на население оказывает и их шум. За последнее время в городах уровень шума возрастал ежегодно на 1 дБ, поэтому необходимо не только приостановить возрастание общего уровня шума, но и добиться его снижения. Постоянное воздействие шума вызывает нервные заболевания, снижает трудоспособность людей, особенно занятых умственной деятельностью. Моторизация приносит шум в ранее тихие отдаленные места. Снижению шума, создаваемого деревообрабатывающими и сельскохозяйственными машинами, к сожалению, до сих пор не уделяется должного внимания. Цепная бензопила создает шум в значительной части леса, что вызывает изменения условий жизни животных и нередко бывает причиной исчезновения их отдельных видов.
Наиболее часто, однако, вызывает нарекания загрязнение атмосферы отработавшими газами автомобилей.
При оживленном движении отработавшие газы скапливаются у поверхности почвы и при наличии солнечной радиации, особенно в промышленных городах, расположенных в плохо проветриваемых котловинах, образуется так называемый смог . Атмосфера загрязняется в такой степени, что пребывание в ней вредит здоровью. Сотрудники дорожной службы, стоящие на некоторых оживленных перекрестках, в целях сохранения своего здоровья применяют кислородные маски. Особенно вредна располагающаяся вблизи земной поверхности относительно тяжелая окись углерода, проникающая в нижние этажи зданий, гаражи и уже не однажды приводившая к смертельным случаям.
Законодательные предприятия ограничивают содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей, причем они постоянно ужесточаются (табл. 1).
Предписания приносят изготовителям автомобилей большие заботы; они также косвенно влияют и на эффективность автомобильного транспорта.
Для полного сгорания топлива можно допустить некоторый избыток воздуха с тем, чтобы обеспечить хорошее смещение с ним топлива. Необходимый избыток воздуха зависит от степени перемешивания топлива с воздухом. В карбюраторных двигателях на этот процесс отводится значительное время, поскольку путь топлива от смесеобразующего устройства до свечи зажигания достаточно большой.
Современный карбюратор позволяет образовать различные виды смеси. Наиболее богатая смесь нужна для холодного пуска двигателя, так как значительная доля топлива конденсируется на стенках впускного трубопровода и сразу в цилиндр не попадает. Испаряется при этом лишь небольшая часть легких фракций топлива. При прогреве двигателя также требуется смесь богатого состава.
При движении автомобиля состав топливовоздушной смеси должен быть бедным, что обеспечит хороший КПД и небольшой удельный расход топлива. Для достижения максимальной мощности двигателя нужно иметь богатую смесь, чтобы полностью использовать всю массу поступившего в цилиндр воздуха. Для обеспечения хороших динамических качеств двигателя при быстром открывании дроссельной заслонки необходимо дополнительно подать во впускной трубопровод некоторое количество топлива, что компенсирует топливо, осевшее и сконденсированное на стенках трубопровода в результате повышения в нем давления.
Для хорошего перемешивания топлива с воздухом следует создать высокую скорость воздуха и его вращение. Если сечение диффузора карбюратора постоянно, то при низких частотах вращения двигателя для хорошего смесеобразования скорость воздуха в нем мала, а при высоких - сопротивление диффузора приводит к уменьшению массы поступающего в двигатель воздуха. Этот недостаток можно устранить, используя карбюратор с переменным сечением диффузора или впрыск топлива во впускной трубопровод.
Существует несколько типов систем впрыска бензина во впускной трубопровод. В наиболее часто применяемых системах топливо подается через отдельную для каждого цилиндра форсунку, благодаря чему достигается равномерное распределение топлива между цилиндрами, устраняется оседание и конденсация топлива на холодных стенках впускного трубопровода. Количество впрыскиваемого топлива легче приблизить к оптимальному, требуемому двигателем в данный момент. Отпадает необходимость в диффузоре, исключаются возникающие при его прохождении воздухом потери энергии. В качестве примера такой системы подачи топлива можно привести часто используемую систему впрыска типа «Бош К-Джетроник», применяющуюся на .
Схема этой системы представлена на рис. 1. Конический патрубок 1 , в котором перемещается качающийся на рычаге 2 клапан 3 , выполнен так, что подъем клапана пропорционален массовому расходу воздуха. Окна 5 для прохода топлива открываются золотником 6 в корпусе регулятора при перемещении рычага под воздействием поступающего потока воздуха. Необходимые изменения состава смеси в соответствии с индивидуальными особенностями двигателя достигаются формой конического патрубка. Рычаг с клапаном уравновешен противовесом, силы инерции при колебаниях автомобиля не влияют на клапан.
 |
| Рис. 1. Система впрыска бензина «Бош К-Джетроник»: |
|---|
| 1 - впускной патрубок; 2 - рычаг воздушного пластинчатого клапана; 3 - воздушный пластинчатый клапан; 4 - дроссельная заслонка; 5 - окна; 6 - дозирующий золотник; 7 - регулировочный винт; 8 - топливная форсунка; 9 - нижняя камера регулятора; 10 - распределительный клапан; 11 - стальная мембрана; 12 - седло клапана; 13 - пружина распределительного клапана; 14 - редукционный клапан; 15 - топливный насос; 16 - топливный бак; 17 - топливный фильтр; 18 - регулятор давления топлива; 19 - регулятор подачи дополнительного воздуха; 20 - перепускной клапан топлива; 21 - топливная форсунка холодного пуска; 22 - термостатный датчик температуры воды. |
Расход воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой 4 . Демпфирование колебаний клапана, а с ним и золотника, возникающих при низких частотах вращения двигателя вследствие пульсаций давления воздуха во впускном трубопроводе, достигается жиклерами в топливной системе. Для регулирования количества подаваемого топлива служит также винт 7 , расположенный в рычаге клапана.
Между окном 5 и форсункой 8 размещен распределительный клапан 10 , поддерживающий с помощью пружины 13 и седла 12 , опирающегося на мембрану 11 , постоянное давление впрыска в распылителе форсунки 0,33 МПа при давлении перед клапаном 0,47 МПа.
Топливо из бака 16 подается электрическим бензонасосом 15 через регулятор давления 18 и топливный фильтр 17 в нижнюю камеру 9 корпуса регулятора. Постоянное давление топлива в регуляторе поддерживается редукционным клапаном 14 . Мембранный регулятор 18 предназначен для сохранения давления топлива при неработающем двигателе. Это предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает хороший пуск горячего двигателя. Регулятор также замедляет рост давления топлива при пуске двигателя и гасит его колебания в трубопроводе.
Холодный пуск двигателя облегчают несколько устройств. Перепускной клапан 20 , управляемый биметаллической пружиной, открывает при холодном пуске сливную магистраль в топливный бак, что снижает давление топлива на торец золотника. Этим нарушается равновесие рычага и одному и тому же количеству поступающего воздуха будет соответствовать больший объем впрыскиваемого топлива. Другим устройством является регулятор подачи дополнительного воздуха 19 , диафрагму которого также открывает биметаллическая пружина. Дополнительный воздух необходим для преодоления повышенного сопротивления трения холодного двигателя. Третье устройство – это топливная форсунка 21 холодного пуска, управляемая термостатом 22 в водяной рубашке двигателя, который держит форсунку открытой, пока охлаждающая двигатель жидкость не достигнет заданной температуры.
Оснащение электроникой рассмотренной системы впрыска бензина ограничено минимумом. Электрический бензонасос при остановленном двигателе выключен и, меньшее количество избыточного воздуха, чем при непосредственном впрыске топлива, однако большая охлаждающая поверхность стенок приводит к большим потерям теплоты, что вызывает падение .
Образование окиси углерода CO и углеводородов CH x
При сгорании смеси стехиометрического состава должны образоваться безвредные двуокись углерода CO 2 и водяной пар, а при нехватке воздуха вследствие того, что часть топлива сгорает неполностью, – дополнительно токсичные окись углерода CO и несгоревшие углеводороды CH x .
Эти вредные для здоровья компоненты отработавших газов можно дожечь и обезвредить. С этой целью необходимо специальным компрессором K (рис. 2) подавать свежий воздух в такое место выпускного трубопровода, где вредные продукты неполного сгорания можно сжечь. Иногда для этого воздух подают непосредственно на горячий выпускной клапан.
Как правило, термический реактор для дожигания CO и CH x размещают сразу за двигателем непосредственно на выходе из него отработавших газов. Отработавшие газы M подводятся в центр реактора, а отводятся с его периферии в выпускной трубопровод V . Внешняя поверхность реактора имеет теплоизоляцию I .
В наиболее нагретой центральной части реактора размещена жаровая камера, нагретая отработавшими газами, где дожигаются продукты неполного сгорания топлива. При этом высвобождается теплота, поддерживающая высокую температуру реактора.
Несгоревшие компоненты в отработавших газах можно окислить и без горения при помощи катализатора. Для этого к отработавшим газам необходимо добавить вторичный воздух, нужный для окисления, химическую реакцию которого проведет катализатор. При этом также высвобождается теплота. Катализатором служат обычно редкие и драгоценные металлы, поэтому он весьма дорог.
Катализаторы можно применить в любом типе двигателя, однако они имеют относительно небольшой срок службы. Если в топливе присутствует свинец, то поверхность катализатора быстро отравляется, и он приходит в негодность. Получение высокооктанового бензина без свинцовистых антидетонаторов является достаточно сложным процессом, при котором расходуется много нефти, что при ее дефиците экономически нецелесообразно. Ясно, что дожигание топлива в тепловом реакторе ведет к энергетическим потерям, хотя при сгорании выделяется тепло, которое можно утилизировать. Целесообразно поэтому так организовать процесс в двигателе, чтобы при сгорании в нем топлива образовывалось минимальное количество вредных веществ. В то же время необходимо заметить, что для выполнения перспективных законодательных предписаний применение катализаторов будет неизбежным.
Образование окислов азота NO x
Вредные для здоровья окислы азота образуются при высокой температуре горения в условиях стехиометрического состава смеси. Уменьшение выброса соединений азота связано с определенными трудностями, так как условия их снижения совпадают с условиями образования вредных продуктов неполного сгорания и наоборот. В то же время температуру сгорания удается снизить введением в смесь какого-либо инертного газа или водяного пара.
Для этой цели целесообразно рециркулировать во впускной трубопровод охлажденные отработавшие газы. Уменьшающаяся вследствие этого мощность требует обогащения смеси, большего открытия дроссельной заслонки, что увеличивает общий выброс вредных CO и CH x с отработавшими газами.
Рециркуляция отработавших газов совместно с уменьшением степени сжатия, изменением фаз газораспределения и более поздним зажиганием может снизить содержание NO x на 80 %.
Окислы азота устраняют из отработавших газов, используя также и каталитические методы. В этом случае отработавшие газы вначале пропускаются через восстановительный катализатор,в котором происходит снижение содержания NO x , а затем вместе с добавочным воздухом – через окислительный катализатор, где устраняются CO и CH x . Схема такой двухкомпонентной системы дана на рис. 3.
Для снижения содержания вредных веществ в отработавших газах применяют так называемые α-зонды, которые могут быть также использованы совместно с двухкомпонентным катализатором. Особенность системы с α-зондом состоит в том, что добавочный воздух для окисления не подается к катализатору, но α-зонд постоянно следит за содержанием кислорода в отработавших газах и управляет подачей топлива таким образом, чтобы состав смеси всегда соответствовал стехиометрическому. В этом случае CO, CH x и NO x будут присутствовать в отработавших газах в минимальных количествах.
Принцип работы α-зонда заключается в том, что в узком диапазоне вблизи стехиометрического состава смеси α = 1 напряжение между внутренней и внешней поверхностью зонда резко меняется, что служит управляющим импульсом для устройства, регулирующего подачу топлива. Чувствительный элемент 1 зонда выполнен из двуокиси циркония, а его поверхности 2 покрыты слоем платины. Характеристика напряжения U , между внутренней и внешней поверхностями чувствительного элемента показаны на рис. 4.
Другие токсичные вещества
Для увеличения октанового числа топлива обычно применяют антидетонаторы, например тетраэтилсвинец. Чтобы соединения свинца не оседали на стенках камеры сгорания и клапанах, используют так называемые выносители, в частности, дибромэтил.
Эти соединения поступают в атмосферу с отработавшими газами и загрязняют растительность вдоль дорог. Попадая с пищей в организм человека, соединения свинца вредно влияют на его здоровье. Об осаждении свинца в катализаторах отработавших газов уже упоминалось. В этой связи важной задачей в настоящее время является удаление свинца из бензина.
Масло, проникающее в камеру сгорания, полностью не сгорает, и в выхлопных газах повышается содержание CO и CH x . Для исключения этого явления необходимы высокая герметичность поршневых колец и поддержание хорошего технического состояния двигателя.
Сгорание большого количества масла особенно характерно для двухтактных двигателей, у которых оно добавляется к топливу. Отрицательные последствия применения бензомасляных смесей частично смягчаются дозированием масла специальным насосом в соответствии с нагрузкой двигателя. Аналогичные трудности существуют и при применении двигателя Ванкеля.
Вредное воздействие на здоровье человека оказывают и пары бензина. Поэтому вентиляцию картера необходимо осуществлять таким образом, чтобы газы и пары, проникающие в картер из-за плохой герметичности, не поступали в атмосферу. Утечку паров бензина из топливного бака можно предотвратить адсорбцией и отсасыванием паров во впускную систему. Утечка масла из двигателя и коробки передач, загрязнение автомобиля вследствие этого маслами также запрещены в целях сохранения чистоты окружающей среды.
Уменьшение расхода масла с экономической точки зрения столь же важно, как и экономия топлива, поскольку масла значительно дороже топлива. Проведение регулярного контроля и технического обслуживания сокращают расход масла из-за возникновения неисправностей двигателя. Течи масла в двигателе могут наблюдаться, например, вследствие плохой герметичности крышки головки блока цилиндров. Из-за утечки масла загрязняется двигатель, что бывает причиной пожара.
Небезопасна утечка масла и вследствие низкой герметичности уплотнения коленчатого вала. Расход масла в этом случае заметно возрастает, и автомобиль оставляет грязные следы на дороге.
Загрязнение автомобиля маслом весьма опасно, и масляные пятна под автомобилем служат поводом для запрещения его эксплуатации.
Масло, вытекающее через уплотнение коленчатого вала, может попасть в сцепление и вызвать его пробуксовку. Однако более негативные последствия вызывает, попадание масла в камеру сгорания. И хотя расход масла при этом относительно невелик, но неполное его сгорание увеличивает выброс вредных составляющих с отработавшими газами. Горение масла проявляется в излишнем дымлении автомобиля, что типично для , а также значительно изношенных четырехтактных двигателей.
В четырехтактных двигателях масло проникает в камеру сгорания через поршневые кольца, что особенно заметно при большом износе их и цилиндра. Основная причина проникновения масла в камеру сгорания состоит в неравномерности прилегания компрессионных колец к окружности цилиндра. Отвод масла со стенок цилиндра осуществляется через прорези маслосъемного кольца и отверстия в его канавке.
Через зазор между стержнем и направляющей впускного клапана масло легко проникает во впускной трубопровод, где имеется разрежение. Это особенно часто наблюдается при использовании масел с малой вязкостью. Предотвратить расход масла через этот узел можно применением резинового сальника на торце направляющей клапана.
Картерные газы двигателя, содержащие много вредных веществ, обычно отводятся специальным трубопроводом во впускную систему. Поступая из нее в цилиндр, картерные газы сгорают вместе с топливовоздушной смесью.
Маловязкие масла снижают потери на трение, улучшают двигателя и уменьшают расход топлива. Однако не рекомендуется применять масла с вязкостью меньшей, чем предписано нормами. Это может вызвать повышенный расход масла и большой износ двигателя.
Вследствие необходимости экономии нефти сбор и использование отработанного масла становятся все более важными проблемами. Путем регенерации старых масел можно получить значительное количество качественных жидких смазывающих веществ и одновременно предотвратить загрязнение окружающей среды, прекратив сброс отработанных масел в водные потоки.
Определение допустимого количества вредных веществ
Устранение вредных веществ из отработавших газо - достаточно сложная задача. В больших концентрациях эти компоненты весьма вредны для здоровья. Конечно, невозможно сразу изменить создавшееся положение, особенно в отношении эксплуатируемого парка автомобилей. Поэтому законодательные предписания по контролю за содержанием вредных веществ в отработавших газах рассчитаны на производимые новые автомобили. Эти предписания будут постепенно совершенствоваться с учетом новых достижений науки и техники.
Очистка отработавших газов связана с увеличением расхода топлива почти на 10 %, снижением мощности двигателя и ростом стоимости автомобиля. Возрастает при этом и стоимость технического обслуживания автомобиля. Катализаторы также стоят дорого, так как их компоненты состоят из редких металлов. Срок службы должен быть рассчитан на 80000 км пробега автомобиля, однако сейчас он еще не достигнут. Используемые в настоящее время катализаторы служат около 40000 км пробега, и при этом применяется бензин без примесей свинца.
Сложившаяся ситуация ставит под сомнение эффективность жестких предписаний по содержанию вредных примесей, поскольку это вызывает значительный рост стоимости автомобиля и его эксплуатации, а также приводит в итоге к повышенному потреблению нефти.
Выполнение выдвигаемых на перспективу жестких требований к чистоте отработавших газов при современном состоянии бензиновых и дизельных двигателей пока не представляется возможным . Поэтому целесообразно уделять внимание радикальному изменению силовой установки механических транспортных средств.