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1.8 链式反应

链式反应理论是由苏联科学家谢苗诺夫提出的。他认为物质的燃烧经历以下过程:可燃物质或助燃物质先吸收能量离解为游离基,与其他分子相互作用发生一系列连锁反应,将燃烧热释放出来。这可以列举氯和氢的作用来说明。氯在光的作用下被活化成活性分子,于是构成一连串的反应。

以此类推

上述反应式表明,最初的游离基(或称活性中心、作用中心等)是在某种能源的作用下生成的,产生游离基的能源可以是受热分解或光照、氧化、还原、催化和射线照射等。游离基具有比普通分子平均动能更多的活化能,其活动能力非常强,在一般条件下是不稳定的,容易与其他物质分子进行反应而生成新的游离基,或者自行结合成稳定的分子。利用某种能源设法使反应物产生少量的活性中心——游离基时,这些最初的游离基即可引起连锁反应,使燃烧得以持续进行直至反应物全部反应完毕。在连锁反应中直至燃烧停止。

总的来说,连锁反应机理大致可分为 3 段:①链引发,即游离基生成,使链式反应开始;②链传递,游离基作用于其他参与反应的化合物,产生新的游离基;③链终止,即游离基的消耗,使连锁反应终止。造成游离基消耗的原因是多方面的,如游离基相互碰撞生成分子,与掺入混合物中的杂质起副反应,与非活性的同类分子或惰性分子互相碰撞而将能量分散,撞击器壁而被吸附等。

综上所述,燃烧是一种复杂的物理、化学反应。光和热是燃烧过程中发生的物理现象,游离基的连锁反应说明了燃烧反应的化学实质。按照链式反应理论,燃烧不是两个气态分子间的直接作用,而是它们离解形成的游离基这种中间物进行的链式反应。

在链式反应中,存在着链的增长速度和链的中断速度。当链的增长速度等于或大于链的中断速度时,燃烧方能产生和持续;当链的中断速度大于链的增长速度时,燃烧则不会发生或正在进行的燃烧会停止。

链式反应有分支连锁反应(又称支链反应)和不分支连锁反应(又称直链反应)两种。上述氯和氢的反应是不分支连锁反应的典型,即活化一个氯分子可出现两个氯的游离基,也就是两个连锁反应,每一个氯的游离基都进行自己的连锁反应,而且每次反应只引出一个新的游离基。

氢和氧的反应则属于分支连锁反应:

反应式Ⅲ和Ⅳ各生成两个活化中心,如图 1-23 所示,这些反应中连锁会分支。

图 1-23 分支连锁反应

从燃烧的机理上说,燃烧是可燃物分子或助燃物分子在一定条件下,被活化后,解离成活性自由基(游离基),然后活性自由基与可燃物分子、助燃物分子以及游离基之间相互碰撞,发生自由基的连锁反应,即发生了燃烧。燃烧就是自由基的连锁反应,当自由基反应完全或自由基失活消失,则自由基链的传播将终止,燃烧也即终止。

复习思考题

1.联系生产生活实际,解释燃烧的本质。

2.燃烧三角形和燃烧四面体有何区别?

3.固相、液相、气相可燃物的燃烧历程有何相同和不同之处?

4.分析闪燃、着火和自燃的危险特点,通过闪点、着火点和自燃点的测试方法解释这三种温度在表征物质火灾危险性方面的特点。

5.结合生产和生活实际,举例说明扩散燃烧、预混燃烧、蒸发燃烧、分解燃烧、表面燃烧等燃烧形式的火灾危险性。

6.简述燃烧链式反应理论的观点。 QzZLJtEK3SBEor1gNA4qchrx3hQAlhsbJ83h2vTO+Ef1jhPvYXqZXKrw7wTN9oV1

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