Вычислено, что при температуре 0 градусов и давлении 760 мм. рт. ст. объем 1 граммолекулы газа 22,4 л. Отсюда, зная количество граммолекул газов, выделившихся в результате реакции горения пиротехнического состава, легко определить их объем.
Разберем сказанное на примере.
Требуется определить объем газов, выделившихся в результате сгорания пиротехнической двойной смеси, состоящей из нитрата калия (селитры) и угля. Реакция горения будет выражаться уравнением:
4 KNO3 + 5 C 2 K2CO3 + 3 CO2 + 2 N2
Количество молекул газообразных продуктов:
3 + 2 = 5 моль.
Следовательно, объем газов, выделившихся при сгорании 4 граммолекул селитры и 5 граммолекул углерода:
5 * 22,4 = 112 л.
Для вычисления объема газообразных продуктов реакции, выделившихся в результате сгорания 1 кг состава, найденную выше величину нужно умножить на 1000 и разделить на число, выражающее сумму молекулярных весов компонентов, входящих в состав в соответствующих количествах:
где 101 – молекулярный вес KNO3;
12 – атомный вес С.
Исходя их уравнения реакции, можно определить и вес образующихся в результате ее твердых продуктов. Разберем, например, реакцию горения дымного пороха, состоящего из смеси калиевой селитры KNO3 серы S и угля С. Реакцию разложения пороха можно выразить уравнением:
10 KNO3 +4 S + 12 C = 8 CO2 + 3 CO + 5 N2 + K2CO3 + 2 K2SO4 + K2S. (1)
Сначала по известному уже нам способу определим объем газов. Количество молекул газов будет:
8 + 3 + 5 = 16 мол.
Следовательно, из 1 кг пороха выделится:
л газов;
здесь 1282 – сумма молекулярных весов компонентов пороха в соответствующих количествах.
Но в результате реакции, кроме газообразных продуктов, образовались и твердые продукты K2CO3, K2SO4 и K2S с количеством молекул в каждом по уравнению (1). Следовательно, вес K2CO3 будет равен его молекулярному весу, а веса K2SO4 и K2S будут равны их молекулярным весам, умноженным на число граммолекул, т.е. на 2. Итак,
вес K2CO3 = 138 г;
вес 2 K2SO4 = 2 * 174 = 348 г;
вес 2 K2S = 110 г.
Следовательно, вес всех твердых веществ 596 г.
Чтобы вычислить количество твердых веществ, получаемое на 1 кг пороха, делим полученный вес на 1282.
Получим:
кг твердых продуктов.
§ 9. ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТ ГОРЕНИЯ ПИРОТЕХНИЧЕСКИХ СОСТАВОВ
Химические реакции можно разделить на реакции, которые протекают с выделением тепла, и на реакции, которые протекают с поглощением его. Реакции первого типа называются э к з о т е р м и ч е с к и м и , а второго типа – э н д о т е р м и ч е с к и м и .
Горение пиротехнических составов является экзотермической реакцией.
Образование веществ также происходит в результате либо экзо- либо эндотермических реакции. Выделение при реакции тепла обычно обозначают + Q и поглощение тепла – Q.
Уравнение экзотермической реакции разложения хлората калия можно представить в следующем виде :
KCIO3 KCI + 3 O + Q,
где Q =11,9 кал.
При соединении некоторых элементов в сложные химические вещества также происходит выделение или поглощение тепла. Для каждого соединения теплота образования ровна теплоте его разложения, но знаки у этих теплот взаимно противоположны. Следовательно, если при образовании воды в жидком виде из атомов водорода и кислорода выделяется Q кал тепла, то для разложения воды на водород и кислород надо затратить тоже Q кал. Сказанное можно условно выразить следующими реакциями:
Реакция эндотермическая, идущая с поглощением теплоты (закон Лавуазье и Лапласа)
Н2О 2 Н + О – 68,4 кал.
В некоторых случаях одно вещество можно получить различными путями. Изменяя условия, в которых протекает реакция, можно в один прием получать конечные ее продукты, либо, останавливаясь на промежуточных продуктах, дойти до тех же конечных. При этом теплота образования (или разложения) химического соединения будет одной и той же, независимо от того, произошло ли последовательных реакции (закон Гесса). При образовании 1 граммолекулы угольного ангидрида из 1 атома углерода и 2 атомов кислорода выделяется 94,5 кал, т.е.
2О + С СО2 + 94,5 кал.
При последовательном образовании угольного ангидрида, сначала получая окись углерода из 1 атома углерода и 1 атома кислорода, а затем присоединяя 1 атом кислорода к 1 молекуле окиси углерода, получим сумму теплот образования, также равную + 94,5 кал.