Ниже приведены схемы термического разложения трех. Исследование процессов термического разложения биотоплива и разработка способов повышения эффективности его энергетического использования

Лекция №18. Термическое разложение

Библиографическая ссылка

Вариант 1.

1. Число нейтронов в атоме 4N14:
А. 7.

Б. Азоту.

3. Азот имеет степень окисления +5 в соединении с формулой:
Г. HN03.

4. Минимальная степень окисления азота в соединении (из перечисленных ниже) с формулой:
А. N2.

Б. Фосфор.

6. Наименьший радиус у атома:
Г. F.

Б. Са3Р2.

8. Азотистой кислоте соответствует оксид с формулой:
Б. N203.

10. Коэффициент перед окислителем в реакции, схема которой
Ag + HN03(KOHЦ) -> AgN03 + N02 + Н20:
Б. 4.

11. Составьте молекулярные уравнения реакций следующих превращений:
Р -> Р205 -> H3P04 -> Na3P04.

1. 4Р + 5О2 = 2Р2О5
P0 -5e →P+5 восстановитель
O20 + 2*2e→2O-2 окислитель
2. Р2О5 + 3Н2О = 2Н3РО4
3. Н3РО4 + 3NaOH = Na3PO4 + 3H2O
3Н+ + 3OH- = 3H2O

12. Дополните фразу: «Аллотропия - это...»
существование двух и более простых веществ одного и того же химического элемента, различных по строению и свойствам.

13. С какими из веществ, формулы которых: КОН, С02, Zn, CuO, НС1, СаС03, взаимодействует разбавленная азотная кислота? Запишите уравнения возможных реакций в молекулярном виде.
HNO3 + КOH → КNO3 + H2O
3CuO + 6HNO3 = 3Cu(NO3)2 + 3H2O
10HNO3 разбавл. + 4Zn = 4Zn(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O
2HNO3 + CaCO3 = Ca(NO3)2 + H2O + CO2

14. Закончите схему термического разложения нитрата меди (II):
Cu(N03)2 --> CuO + X + 02.

2Cu(NO3)2 = 2CuO + 4NO2 + O2
Сумма коэфф. = 9

15. При взаимодействии 37 г гидроксида кальция с сульфатом аммония было получено 15 г аммиака. Вычислите массовую долю выхода аммиака от теоретически возможного.
Ca(OH) 2 +(NH4)2 SO4 =CaSO4+2NH3*H2O
M Ca(OH)2=40+32+2=74г/моль.
n Ca(OH)2 =37: 74=0.5 моль
1 моль Са(ОH)2: 2 моль NH3
0.5:1 моль
M NH3 = 17г \моль
масса 17*1=17 г.
выход (NH3)=15: 17=0.88=88%

Вариант 2.

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа

1. Число нейтронов в атоме 7N15:
А. 8.

В. Фосфору.

3. Азот имеет степень окисления +4 в соединении с формулой:
B. N02.

4. Минимальная степень окисления фосфора в соединении с формулой:
Б. РН3.

5. Из перечисленных химических элементов наибольшей электроотрицательностью в соединениях обладает:
В. Сера

6. Наименьший радиус у атома, символ которого:
Г. С1.

7. Только восстановителем может быть вещество с формулой:
B. NH3.

8. Фосфористой кислоте Н3Р03 соответствует оксид с формулой:
В. Р2О3

Сu + HN03(KOHЦ) -> CU(N03)2 + N02 + Н20:
Б. 4.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

11. Составьте молекулярные уравнения реакций, идущих по схеме
NO → N02 → HN03 → NaN03.

1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 восстановитель
O20 +2*2e→2O-2 окислитель
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. HNO3 + NaOH = NaNO3 + H2O
H+ + OH- = H2O

12. Дополните следующую фразу: «Селитра - это...»
Азотнокислая соль калия, натрия, аммония, употребляемая в технике взрывчатых веществ и в агрономии для удобрений.

13. С какими из веществ, формулы которых: Mg, Ag, AgN03, BaO, C02, KN03, NaOH, взаимодействует ортофосфорная кислота? Запишите уравнения возможных реакций в молекулярном виде.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Mg + 2H3PO4 = Mg3(PO4)2↓ + 3H2
2H3PO4 +3BaO = Ba3(PO4)2 + 3H2O
Na3PO4 + 3AgNO3 = Ag3PO4↓ + 3NaNO3

14. Закончите схему термического разложения нитрата натрия
NaN03 → NaN02 + X.
Найдите сумму коэффициентов в уравнении.
2NaNO3 = 2NaNO2 + O2
Сумма коэффициентов – 5

15. Какой объем аммиака (н. у.) можно получить при взаимодействии 15 м3 азота с избытком водорода, если выход аммиака составляет 10% от теоретически возможного?
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 15 000 /22,4 = 669 (моль)
n(NH3) = 2*669 = 1339,28 (моль)
Vтеор.(NH3) = 1339,28*22,4= 29999 (дм3)
Vпракт. (NH3) = 29999*0,9 = 26999 (дм3) = 26, 999 м3

Вариант 3.

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа

1. Число нейтронов в атоме 20Са40:
Б. 20.

2. Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме элемента 2е, 5е соответствует:
А. Азоту.

3. Азот имеет степень окисления +2 в соединении с формулой:
Б. NO.

4. Максимальная степень окисления азота в соединении с формулой:
Г. HN03.

А. Бор.

А. С.

Г. Н3Р04.

8. Азотной кислоте соответствует оксид с формулой:
Г. N205.

10. Коэффициент перед окислителем в схеме
Ag + HN03(paзб) -> AgN03 + NO + H20:
Б. 4.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

11. Составьте молекулярные уравнения реакций по схеме
N2 → NH3 → NH3 Н20 → (NH4)2S04.
Уравнение 1 рассмотрите с точки зрения теории ОВР, уравнение 3 запишите в ионном виде.
1. N2 + 3H2 = 2NH3
N20 +2*3е→2N-3 окислитель
H20 -2*1е→2H+1 восстановитель
2. NH3 + H2O = NH3*H20
3. 2NH3*H20 + H2SO4 = (NH4)2SO4 +2H2O
2NH3*H20 + 2H+= 2NH4+ +2H2O

12. Дополните фразу: «Число атомов, входящих в катион аммония...»
равно 5.

13. С какими из веществ, формулы которых: S03, КОН, CaO, Mg, N205, Na2C03, взаимодействует разбавленная азотная кислота? Запишите уравнения возможных реакций в молекулярном виде.
HNO3 (разб.) + КOH = КNO3 + H2O
2HNO3 + CaO = Ca(NO3)2 + H2O
10HNO3 разбавл. + 4Mg = 4Mg(NO3)2 + N2O + 3H2O
2HNO3 + Na2CO3 = 2NaNO3 + H2O + CO2

14. Закончите схему термического разложения нитрата серебра
AgNOg → Ag + X + 02.
Укажите сумму коэффициентов в уравнении.
2AgNO3 = 2Ag + 2NO2 + O2
7

15. Азот объемом 56 л (н. у.) прореагировал с избытком водорода. Объемная доля выхода аммиака составляет 50% от теоретически возможного. Рассчитайте объем полученного аммиака.
N2 + 3H2 = 2NH3
n(N2) = 56 /22,4 = 2,5 (моль)
n(теор.)(NH3) = 2*2,5 = 5 (моль)
Vпракт. (NH3) = 5*22,4*0,5 = 56 л

Вариант 4.

ЧАСТЬ А. Тестовые задания с выбором ответа

1. Число нейтронов в изотопе 19K39:
В.20.

2. Распределение электронов по энергетическим уровням в атоме элемента 2е, 8е, 5е соответствует:
Б. Фосфору.

3. Азот имеет степень окисления 0 в соединении с формулой:
A. N2.

4. Максимальная степень окисления фосфора в соединении с формулой:
Г. Н3Р04.

5. Из перечисленных химических элементов наименьшей электроотрицательностью в соединениях обладает:
А. Бериллий.

6. Наибольший радиус у атома химического элемента, символ которого:
A. Si.

7. Только окислителем может быть вещество с формулой:
Г. HN03.

8. Ортофосфорной кислоте соответствует оксид с формулой:
Г. Р2О5.

10. Коэффициент перед окислителем в схеме
Си + HN03(paзб) -> CU(N03)2 + NO + Н20:
Г. 8.

ЧАСТЬ Б. Задания со свободным ответом

11. Составьте молекулярные уравнения реакций по схеме:
NO → N02 → HN03 → NH4N03.
Уравнение 1 рассмотрите с точки зрения ОВР, уравнение 3 запишите в ионном виде.
1. 2NO + O2 = 2NO2
N+2 -2e→N+4 восстановитель
O20 +2*2e→2O-2 окислитель
2. 4NO2 + O2 + 2H2O = 4HNO3
3. NH3 + HNO3 = NH4NO3
NH3 + H+ = NH4+

12. Дополните фразу: «Аллотропными видоизменениями фосфора являются...»
белый, красный и черный фосфор

13. С какими из веществ, формулы которых: Zn, CuO, Си, NaOH, S02, NaN03, K2C03, взаимодействует ортофосфорная кислота? Запишите уравнения возможных реакций в молекулярном виде.
3NaOH + H3PO4 = Na3PO4 + 3H2O
3 Zn + 2H3PO4 = Zn3(PO4)2↓ + 3H2
3CuO + 2H3PO4 = Cu3(PO4)2 + 3H2O
3K2CO3 + 2H3PO4 = 2K3PO4 + 3H2O + 3CO2

14. Закончите схему термического разложения нитрата железа (II):
Fe(N03)2 → FeO + N02 + X.
Найдите сумму коэффициентов в уравнении.
2Fe(NO3)2 = 2FeO + 4NO2 + O2

15. При сжигании в кислороде 62 г фосфора было получено 130 г оксида фосфора (V) от теоретически возможного. Вычислите массовую долю выхода оксида фосфора (V).
4P + 5O2 = 2P2O5
n(P) = 62/31 = 2 моль
nтеор.(P2O5) = 0,5*2 = 1 моль
mтеор.(P2O5) = 1*142 = 142 г
выход = mпракт./mтеор. = 130/142=0.92 = 92%

В данной работе представлен обзор литературы по термическим методам анализа различных топлив: углей разных марок, различных видов биотоплива и биомассы. Сделан обзор по термогравиметрическим исследованиям, описаны термогравиметрические кривые, проведен анализ процесса термического разложения разных топлив, как в инертной, так и в окислительной среде. Для расчета кинетических параметров, таких как энергия активации и предэкспоненциальный множитель применяются различные модели. В статье приведены описания данных моделей, сделано сравнение значений кинетических параметров, определенных на основе различных моделей. Дальнейшим перспективным направлением использования определенных кинетических характеристик является численное моделирование (CFD – Computational Fluid Dynamics Modelling) процессов горения, теплообмена, гидрогазодинамики. Сделан обзор коммерческих программных и разрабатываемых продуктов, используемых для данных целей. Сделаны выводы по дальнейшему применению кинетических характеристик при исследовании процессов горения.

биотопливо

термическое разложение

термогравиметрическое исследование

кинетическое исследование

энергия активации

предэкспоненциальный множитель

численное моделирование.

1. Любов В.К. Повышение эффективности энергетического использования биотоплив / В.К. Любов, С.В. Любова. – Архангельск, 2010. – 496 с.

2. Бойко Е.А. Совершенствование схемы комплексного термического анализа твердых органических топлив / Е.А. Бойко, Д.Г. Дидичин, М.Ю. Угай и др. // Сб. науч. тр.: Проблемы экологии и развития городов. Т.1. – Красноярск, 2001. – С.314-319.

3. Uribe M.I. Kinetic analysis for liquid-phase reactions from programmed temperature data. Sequential discrimination of potential kinetic models / M.I. Uribe, A.R. Salvador, A.I. Guilias // Thermochim. Acta. – 1995. – V.94. – №2. – P.333-343.

4. Бойко Е.А. Совершенствование схемы комплексного термического анализа твердых органических топлив / Е.А. Бойко, Д.Г. Дидичин, М.Ю. Угай и др. // Сб. науч. тр.: Проблемы экологии и развития городов. Т.1. – Красноярск, 2001. – С.314-319.

5. Шишмарев П.В. Совершенствование и внедрение комплексного термического анализа в практику энергетического использования Канско-Ачинских Углей: дисс. … канд. тех. наук. – ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный технический университет», 2006. – 208с.

6. Бодорев М.М. Совершенствование технологии производства столовых вин на основе использования дубовой щепы: дисс. … канд. тех. наук. Московская государственная технологическая академи. – Москва, 2002 – 258 с.

7. M. Braga R., M.A. Melo D., M. Aquino F. Characterization and comparative study of pyrolysis kinetics of the rice husk and the elephant grass. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3503.

8. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Thermogravimetric and kinetic analysis of energy crop Jerusalem artichoke using distributed activation energy model. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3115-2.

9. Zhao H., Yan H., Dong S., Zhang Y., Sun B., Zhang C., Ai Y., Chen B., Liu Q., Sui T., Qin S. Thermogravimetry study of the pyrolytic characteristics and kinetics of macro-algae Macrocystis pyrifera residue. J Therm Anal Calorim. 2013;111:1685-1690.

10. G. Mothe M., H.M. Carvelho C., F.C. Servulo E., G. Mothe C. Kinetic study of heavy crude oils by thermal analysis. J Therm Anal Calorim. 2013;111:663-668.

11. Oliveira L.E., Giordani D.S., Paiva E.M. Kinetic and thermodynamic parameters of volatilization of biodiesel from babassu, palm oil and mineral diesel by thermogravimetric analysis (TG). J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-011-2163-8.

12. Slopiecka K., Bartocci P., Fantozzi F. Thermogravimetric analysis and kinetic study of poplar wood pyrolysis. App Energy. 2012; 97: 491-497.

13. Villanueva M., Proupin J., Rodriguez-Anon J.A., Fraga-Grueiro L., Salgado J., Barros N. Energetic characterization of forest biomass by calorimetry and thermal analysis. J Therm Anal Calorim. 2011; 104:61-67.

14. Nowak B., Karlstrom O., Backman P., Brink A., Zevenhoven M., Voglsam S., Winter F., Hupa M Mass transfer limitation in thermogravimetry of biomass gasification. J Therm Anal Calorim. 2013;111:183-192.

15. Williams A., Jones J.M., Ma L., Pourkashanian M. Pollutants from the combustion of solid biomass fuels. Prog Energy Combustion Sci 2012;38:113-137.

16. http://www.netzsch-thermal-analysis.com/en/products-solutions/thermogravimetric-analysis/tg-449-f3-jupiter.html. Accesed 30 July 2014

17. http://ru.mt.com/ru/ru/home/products/Laboratory_Analytics_Browse/TA_Family_Browse/TGA.html

18. http://www.perkinelmer.com/Catalog/Product/ID/N53 70742

19. http://www.shimadzu.com/an/thermal/tga50.html

20. http://www.ssi.shimadzu.com/products/literature/Mass_Spec/GCMS-QP2010_Plus_F.pdf

21. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac60286a 799? journalCode=ancham

22. http://www.ulvac-riko.co.jp/English/index_eng.htm

23. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ac50049a774

24. http://www.linseis.com/ru/pribory/termogravimet rija/tga-pt1000/

25. http://www.leco.com/

26. http://www.tainstruments.com/product.aspx?id=31&n=1&siteid=11&gclid=CMzFn-iX0cECFcTVcgode0UARQ

27. Pokrobko S., Krol D. Thermogravimetric research of dry decomposition. J Therm Anal Calorim. 2012; doi: 10.1007/s10973-012-2398-z.

28. Li L., Wang G., Wang S., Qin S. Thermogravimetric and kinetic analysis of energy crop Jerusalem artichoke using distributed activation energy model. J Therm Anal Calorim. 2013; doi: 10.1007/s10973-013-3115-2.

29. D.K. Shen, S. Gu, K.H. Luo, A.V. Bridgwater, M.X. Fang Kinetic study on thermal decomposition of woods in oxidative environment. Fuel. 2009; doi: 10.1016/j.fuel.2008.10.034.

30. Prins M.J., Ptasinski K.J., Janssen FJJG. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:28-34.

31. Fang M.X., Shen D.K., Li Y.X., Yu C.J., Luo Z.Y., Cen K.F. J Anal Appl Pyrolysis 2006; 77:22-7.

32. Bilbao R., Mastral J.F., Aldea M.E., Ceamanos J. J Anal Appl Pyrolysis 1997; 39:53-64.

33. D.K. Shen, S. Gu, Baosheng Jin, M.X. Fang. Thermal degradation mechanisms of wood under inert and oxidative environments using DAEM methods. Bioresource Techn. 2011; 102:2047-52.

34. Korobeinichev O.P., Paletsky A.A., Munko B. Gonchikzhapov, Shundrina I.K., Haixiang Chen, Naian Liu. Combustion chemistry and decomposition kinetics of forest fuels. Procedia Eng. 2013; 62:182-193.

35. Van den Velden M., Baeyens J., Brems A., Janssens B., Raf Dewil. Fundamentals, kinetics and endothermicity of the biomass pyrolysis reaction. Renew Energy 2010;35:232-42.

36. Muller-Hagedorn M., Bockhorn H., Krebs L., Muller U. A comparative kinetic study on the pyrolysis of three different wood species. J Anal Appl Pyrol 2003; 68-69: 231-49.

37. Vecchio S., Luciano G., Franceschi E. Expolarative kinetic study on the thermal degradation of five wood species for applications in the archeological filed. Ann Chim 2006;96:715-25.

38. Shakya B. Pyrolysis of waste plastics to generate useful fuel containing hydrogen using a solar thermochemical process. Master of Engineering, March 2007, Sydney.

39. Senneca O., Chirone R., Masi S., Salatino P. A thermogravimetric study of nonfossil solid fuels 1. Inert pyrolysis. Energy Fuel 2002; 16:653-660.

40. Cai J., Liu R. Research on water evaporation in the process of biomass pyrolysis. Energy Fuel 2007; 21:3695-7.

41. Yao F., Wu Q., Lei Y., Guo W., Xu Y. Thermal decomposition kinetics of natural fibers: activation energy with dynamic thermogravimetric analysis. Polym Degrad Stabil 2008;93:90-8.

42. Li Z., Liu C., Che Z., Qian J., Zhao W., Zhu Q. Analysis of coals and biomass pyrolysis using the distributed activation energy model. Bioresource Techn 2009; 100: 948-952.

43. Authier O., Thunin E., Plion P., Schönnenbeck C., Leyssens G., Brilhac J-F., Porcheron L Kinetic study of pulverized coal devolatilization for boiler CFD modeling. Fuel 2014; 122:254-60.

44. Chapman P.J., Morrison S. biomass boiler CFD modeling and design validation. Engineering/ Finishing & Converting Conference Proceedings 2001.

45. Дектерев А.А. Математическое моделирование высокотемпературных технологических процессов. Конференция с международным участием «VIII Всероссийский семинар ВУЗОВ по теплофизике и энергетике». Тезисы докладов. – Екатеринбург, 2013.

46. Collazo J., Porteiro J., Miguez J.L., Granada E., Gomez M.A. Numerical simulation of a small-scale biomass boiler. Energy Conv and Manag 2012; 64:87-96.

47. Hajek J., Jurena T. Modelling of 1 MW solid biomass combustor: simplified balance-based bed model coupled with freeboard CFD simulation. Chem Eng Transactions 2012; 29:745-750.

48. Porteiro J., Collazo J., Patino D., Granada E., Gonzalez J.C.M., Miguez L. Numerical modeling of a biomass pellet domestic boiler. Energy & Fuels 2009; 23: 1067-75.

49. Chaney J., Liu H., Li J. An overview of CFD modelling of small-scale fixed-bed biomass pellet boilers with preliminary results from a simplified approach. Energy Conv and Manag 2012;63:149-56.

50. Papadikis K., Gu S., Bridgwater A.V., Gerhauser H. Application of CFD to model fast pyrolysis of biomass. Fuel Proc Techn 2009;90:504-12.

51. Ion V., Popescu F., Rolea G. A biomass pyrolysis model for CFD application. J Therm Anal Calorim 2013; 111:1811-15.

52. Al-Abbas A.H, Naser J., Dodds D CFD modelling of air-fixed and oxy-fuel combustion of lignite in a 100 KW furnace. Fuel 2011; 90: 1778-95.

53. Yang Y.B., Yamauchi H., Nasserzadeh V., Swithenbank J. Effects of fuel devolatilisation on the combustion of wood chips and incineration of simulated municipal solid wastes in a packed bed. Fuel 2003; 82: 2205-2221.

Введение

Биотопливо является чистым возобновляемым источником энергии. Важной особенностью древесной биомассы является то, что в ней практически отсутствует сера и фосфор, поэтому конечными газообразными продуктами ее сгорания являются углекислый газ и водяные пары. Кроме того, расширенное использование биотоплив - продуктов включенных в замкнутых цикл производства и потребления углекислого газа представляет собой привлекательную альтернативу в развитии современной энергетики .

Оценка возможности переработки древесных отходов показывает широкие перспективы их энергетического использования, однако существует множество факторов оказывающих определенное влияние на эффективность использования древесной биомассы. Например, влажность древесных топлив может меняться в довольно широких пределах. Это приводит к определенным трудностям при их использовании в существующих топочных устройствах. Также существенное влияние на эффективность сжигания оказывает гранулометрический состав топлива. Отклонения в размерах частиц, как в сторону увеличения, так и в сторону уменьшения от оптимального для данного типа топочного устройства снижают эффективность его работы. Кроме того, физико-химические и теплотехнические свойства различных видов древесной биомассы имеют некоторые отличия, поэтому знание специфических особенностей древесной биомассы позволяет обеспечить квалифицированную разработку и проведение мероприятий для экономически и экологически эффективной работы котлоагрегатов .

В связи с этим исследование процессов, протекающих при сжигании древесного топлива, изучение влияния различных факторов на эффективность сжигания древесного топлива является весьма актуальной задачей. Для ее решения используют методы термического анализа.

Термический анализ может проводиться как по схеме комплексного термического анализа, объединяющего в рамках единой установки термогравиметрию (ТГ-анализ), дифференциальный термический анализ (ДТА-анализ), газовую хроматографию (ГХ-анализ) и инфракрасную спектрофотометрию газов (ИК-анализ). Существуют как серийно выпускаемые уже длительное время дериватографы, так и современные синхронные термические анализаторы.

Успех исследований с помощью термического анализа во многом определяется уровнем технического оснащения. В первую очередь это касается таких физико-химических методов, как термогравиметрический и дифференциально-термический анализ.

В настоящее время в разных странах мира производится большое количество приборов, специально предназначенных для целей термического анализа. Если первоначально отдельные фирмы специализировались на производстве одного-двух типов приборов, то в настоящее время намечается тенденция к выпуску комплексов оборудования, обеспечивающих наиболее полное исследование термохимических и теплофизических свойств самых разнообразных материалов.

По тематике термических методов анализа биотоплива существует довольно большое количество работ, так как по термогравиметрическим анализам опубликовано 1868 работ, находящихся в международных базах данных (данные Science Direct). Если рассматривать российские базы данных, то в них не так много работ, связанных с термогравиметрическими исследованиями биотоплив.

В базе данных (elibrary) 1139 работ, посвященных вопросам термогравиметрии. В основном это термогравиметрические исследования разных химических компонентов, смесей и т.д. Что касается твердых топлив, то имеется ряд опубликованных работ по термогравиметрическому и кинетическому исследованию углей (Канско-Ачинского бассейна) , защищена кандидатская диссертация на тему: «Совершенствование и внедрение комплексного термического анализа в практику энергетического использования Канско-Ачинских углей» . Активно данной тематикой занимаются в Красноярском государственном техническом университете. Но работ по исследованию биотоплив методами термического анализа: древесины разных пород, древесных гранул (пеллет), брикетов и т.д. в российских журналах недостаточно.

По тематике комплексного термического анализа в Российских журналах опубликовано 284 работы. Из них только одна работа, посвящена исследованию биотоплива в пищевой и перерабатывающей промышленности: «Комплексный термический анализ процессов термолиза древесины» . Остальные работы описывают комплексный термический анализ различных металлов, процессов термохимического превращения и т.д. Российские журналы, печатающие работы по данной тематике, это «Химия твердого топлива», «Журнал прикладной химии», «Химия растительного сырья» и др.

Таким образом, в российской технической литературе недостаточно внимания уделяется исследованиям твердых топлив методами термического анализа, особенно древесного биотоплива.

Международные журналы, печатающие работы по данной тематике это: Journal of thermal analysis and calorimetry, Thermochimica Acta, Journal of Analytical and Applied Pyrolysis, Fuels, Bioresource and Biotechnology, Biomass and bioenergy, Fuel processing technology. В данных журналах опубликовано много работ, описывающих термогравиметрические исследования разных типов биомассы: шелуха риса, слоновая трава , артишоки, ореховая скорлупа (Areca catheu) , водной биомассы: микроводоросли и утиная трава . Также есть работы, связанные с исследованием сырой нефти , биодизеля, пальмового масла и минерального дизеля . Из работ по древесному биотопливу, имеются статьи по результатам термогравиметрических и кинетические исследований тополя и бука , плодовника и Адамового дерева , а также некоторых пород хвойных деревьев . Однако, публикаций, раскрывающих полную картину термогравиметрических и кинетических исследований разных пород древесины и древесного биотоплива в международных изданиях явно недостаточно.

Анализ приборного ряда
для проведения термического анализа

В работах экспериментальная часть проводилась в основном на оборудовании фирм: «Netzsch Geratebau GmbH. Selb» (Германия), «Mettler Toledo» (Швейцария), «Perkin-Elmer Instruments» (США), «Shimadzu Corporation» (Япония), «TA Instruments» (США).

Фирма «Netzsch Geratebau GmbH. Selb» (Германия) выпускает синхронный термоанализатор STA 449 Jupiter , работающий в интервалах температур 25-1300 °С. Регулятор температуры обеспечивает десять скоростей нагревания от 0,1 до 100 °С или от 0,1 до 10 °С/мин. Предел взвешивания - 10 г (вместе с тиглем), интервал измерения масс от 12,5 до 500 мг, точность + 0,05 мг. Для дифференциально-термического анализа чувствительность от 25 мкВ до 1 мВ. Прибор работает при продувке через реакционную камеру инертного и реакционного газа или в вакууме до 10-3 Па. Имеется возможность присоединения приставки ЕСА для регистрации выделяющихся газов, которые потоком газа-носителя направляются в катарометр термоанализатора 403 ЕТА, основанного на определении радиоактивных атомов газа.

Термоанализаторы TGA/SDTA фирмы «Mettler Toledo» (Швейцария) позволяет одновременно производить термогравиметрические и дифференциально-термические измерения. Рабочий диапазон температур от 20 до 1100 или 1600 °С, скорость нагрева от 0,01 до 100 °С/мин; время охлаждения от 1000 до 100 °С за 20 мин; встроенные ультрамикровесы с пределом взвешивания 1 или 5 г, дискретностью 1 или 0,1 мкг. В приборе реализована автоматическая калибровка ультрамикровесов встроенными гирями; разрешение сигнала ДТА составляет - 0,005 °С; калибровка по температурам плавления стандартных образцов чистых металлов; горизонтальное расположение печи минимизирует погрешности, вызываемые неравномерностью подачи рабочего газа; герметичная печь обеспечивает возможность работать в различных газовых средах, а также вакууме до 0,1 Па; блок автоматического контроля двух рабочих газов; автосэмплер для автоматического анализа серии образцов; интерфейсы, обеспечивающие подключение ИК-Фурье- и масс-спектрометров для анализа выделяющихся газообразных продуктов; широкий выбор тиглей для образцов из различных материалов объемом от 30 до 900 мкл.

Много лет разрабатывает аппаратуру для термического анализа фирма «Perkin-Elmer Instruments» (США) . Приборы для термогравиметрии представлены моделями Pyris TGA. Они отличаются высокой чувствительностью, простотой в использовании и обслуживании. Высокая степень автоматизации всех процессов позволяет свести к минимуму простои прибора и практически исключить случайные ошибки, вызванные неправильными действиями оператора на стадии загрузки прибора. Прибор рассчитан на работу до температур 1000 °С и 1500 °С. Дополнительно прибор может комплектоваться автосэмплером или масс-спектрометром для анализа отходящих газов. Кроме того, данная компания выпускает синхронный термический анализатор марки STA 6000, получивший широкое распространение среди исследователей, занимающихся вопросами термогравиметрии. Данный анализатор, как и многие другие, работает в автоматическом режиме с программным обеспечением, позволяющим получить ТГ, ДТГ ДСК и кривые изменения массы в автоматическом режиме.

Фирма «Shimadzu Corporation» (Япония) предлагает несколько типов термоаналитических приборов. К ним относятся приборы TGA 50/50H и TGA 51/51H , обеспечивающие анализ в диапазоне температур от 20 до 1000/1500 °С с темпом нагрева от 0,1 до 50/100 °С/мин. Диапазон изменения масс образца составляет от 20 мг до 2 г. К числу основных технических достоинств разработок данной фирмы относятся рабочая станция (Thermal Analysis Workstation) TA 600 WS, позволяющая объединить в рамках единого измерительного комплекса четыре термоанализатора по типу TGA51/51H с автоматической регистрацией и управлением измерения TG, DTG, DTA, DSC - данных и результатов газового анализа продуктов по интерфейсу RS 232. Также данная фирма выпускает приборы, позволяющие осуществлять запись хроматограмм. Последней новинкой является прибор GC-MS QP2010Plus (Shimadzu, Япония) , оснащенный системой пиролиза EGA/PY-3030D (Frontier Lab, Япония). Обработка полученных результатов проводится с помощью программного обеспечения GCMS Solution 2.72. Процесс термического разложения проходит без доступа кислорода, что позволяет проводить анализ выделяющихся газовых компонентов.

Кроме рассмотренных выше компаний, существует и много других фирм, занимающихся выпуском термоанализаторов, таких как «Stanton Redcroft» с анализатором «Unirelax» , позволяющим производить одновременно с термогравиметрическим и термическим анализами измерения механических и диэлектрических свойств материалов, измерения деполяризации, снятие термомеханических кривых, измерения вязкости. Фирма «Ulvac Sinku-Rika» (Япония) выпускает серию термоаналитических приборов; фирма «Du Pont» (США) производит комплекс термоаналитических приборов Thermal Analysis System ; компания «Linseis» (США) занимается разработкой промышленного оборудования для проведения термоаналитических исследований . Термоаналитическая аппаратура от фирмы «Leco Corporation» (США) имеет хорошие функциональные возможности ; высокую точность выполнения термоаналитических исследований обеспечивает серия термоанализаторов от фирмы «Rheometric Scientific, Inc» (США) . Однако многие из этих приборов не получили широкого распространения среди исследователей и в научных публикациях мало работ, где экспериментальная часть проводилась на приборах данных производителей.

Анализ литературы
по термогравиметрическим
исследованиям

Как упомянуто выше, опубликовано около двух тысяч работ по термогравиметрическим исследованиям. Большинство работ напечатаны в журналах Journal of Thermal Analysis and Calorimetry и Thermochimica Acta. В статье представлены результаты термогравиметрических исследований процесса пиролиза сухой биомассы: зерно, овес, солома, энергетические плантации (cukrosorgo). Приведены теплотехнические характеристики каждого их исследованных материалов. Это влажность, содержание летучих веществ, зольность и низшая теплота сгорания. Среднее содержание влажности в исследуемой биомассе варьировалось от 5 до 10 %, зольности от 2 до 5 %, содержание летучих веществ в среднем 85 %, низшая теплота сгорания 15,5 МДж/кг. Исходя из этих данных, можно сделать вывод о высоком содержании летучих веществ, низком содержание влаги, хотя в статье не описаны какие-либо процессы дополнительной сушки. Значение зольности также имеет небольшое значение, а значение низшей теплоты сгорания находится на уровне древесного биотоплива. По элементному составу испытуемых образцов приведены данные по содержанию углерода, водорода, азота и кислорода на воздушно-сухую массу, которые могут быть сопоставлены со значениями для древесного биотоплива и находятся в диапазоне, 45, 7, 1, 44 % соответственно. В отличие от древесного биотоплива в приведенных образцах сельскохозяйственных культур появляется небольшое содержание серы и хлора 1 и 0,05 % соответственно. Значение отношения Cl/S необходимо учитывать при выборе биотоплива для энергетических котлов. Предельное значение данного соотношения 0,454. При значении меньше данного интенсивность коррозийного воздействия хлора резко снижается, благодаря большей тенденции к формированию компонентов минеральной серы в топке котла. Далее в статье описаны процессы сушки и выхода летучих веществ в инертной среде (в среде аргона) с расходом газа 50 мл/мин, получены ТГ и ДТГ кривые для каждого образца. На основе метода массовой спектроскопии был проведен качественный и количественный анализ газообразных продуктов. В статье приведены значения также низшей теплоты сгорания, которая определялась с помощью калориметрической установке и процентные значения долей газообразных продуктов: Н2, СН4, Н2О, СО, СО2. Значения теплотворной способности продуктов пиролиза сельскохозяйственной биомассы показали, что они могут использоваться для газовых турбин и энергетических котлов.

Многие статьи по термогравиметрическому исследованию совмещены с кинетическим анализом . В данной статье на основе термогравиметрических данных произведено кинетическое исследование шелухи риса и слоновой травы. Приведено теоретическое описание процесса пиролиза, режимов его протекания и получаемых продуктов. Исследование нацелено на анализ процесса термического разложения и определение его кинетических параметров, таких как энергия активации, необходимая для разрушения связей гемицеллюлозы и целлюлозы (голоцеллюлозы). Кинетическое исследование было выполнено в диапазоне термического разложения голоцеллюлозы (гемицеллюлоза + целлюлоза) на основе данных термогравиметрического анализа с помощью моделей Озава-Флинн-Уолла и модели свободной кинетики. Математические выкладки определения энергии активации, предэкспоненциального фактора, порядка реакции также приведены в работе. Сравнивая шелуху риса и слоновую траву с помощью данных элементного теплофизического анализов, можно сделать вывод, что исследованные образцы отличаются по характеристикам как от древесного биотоплива, так и от биомассы сельскохозяйственных культур, а именно более низким содержанием летучих веществ: 52 % для шелухи риса и 65 % для слоновой травы, более высоким значением зольности: 34 % и 7 % соответственно, содержание влажности не превышало 10 %. Элементный анализ показал более низкое содержание углерода, кислорода, но более высокое содержание водорода в сравнении с древесным биотопливом и биомассой сельскохозяйственных культур. Классические ТГ и ДТГ кривые приведены в разделе результаты и обсуждения. Приведенные кривые четко показывают процесс сушки, выхода летучих веществ. ДТГ кривая имеет один выраженный пик, описывающий процесс выхода летучих веществ. Кривые для определения энергии активации в зависимости от степени разложения на основе моделей Озава-Флинн-Уолла и модели свободной кинетики также приведены в данной работе. Средние значения энергии активации для шелухи риса на основе модели Озава-Флинн-Уолла и модели свободной кинетики составили 221 и 229 кДж/моль соответственно, а для слоновой травы - 218 и 227 кДж/моль. Из полученных значений энергий активации сделан вывод, что шелуха риса требует больше энергии для разложения полимеров гемицеллюлозы и целлюлозы, что может быть объяснено более высоким содержанием зольности, что ведет к ограничениям в тепломассопереносе. Для исследованных биотоплив характерно схожее термическое поведение не смотря на разное соотношение их составляющих (гемицеллюлозы, целлюлозы, лигнина и зольности).

В статье представлены результаты термогравиметрических и кинетических исследований Иерусалимского артишока. Данный овощ был выращен в соляной земле в провинции Янтай (Китай). Клубень был высушен в течение четырех дней, затем размолот и просеян через сито 125 микрон. Термогравиметрическое исследование было проведено на анализаторе Mettler Toledo TGA/DSC1 STARe. Масса образца была выбрана 7-10 мг, что обычно используется в большинстве экспериментов. Для оценки кинетики процесса пиролиза была выбрана распределенная кинетическая модель энергии активации. Средние значения влажности, содержания летучих веществ, связанного углерода и зольности для Иерусалимского артишока составили: 3,0; 75,0; 18,0; 5,0 % соответственно. Содержание летучих веществ, углерода и зольность сопоставимы со значениями для древесного биотоплива. На характерных кривых ТГ и ДТГ анализов были разделены три стадии. Первая стадия, происходящая в диапазоне температур от окружающей среды до 170 °С, вторая от 170 °С до 420 °С. Третьей стадии соответствует диапазон температур от 420 °С до 700 °С. В зависимости от степени превращения испытуемого материала получены значения кинетических характеристик (энергии активации, предэкспоненциального множителя, порядка реакции). Средняя величина энергии активации для Иерусалимского артишока составила 172 кДж/моль, что близко по значению как для древесного биотоплива, так и для других видов биомассы. Сделан вывод о протекании процесса пиролиза для Иерусалимского артишока в три стадии, при этом основная часть термического разложения происходит в диапазоне температур от 190 до 380 °С. Энергия активации образцов клубней, рассчитанная на основе распределённой кинетической модели, находится в диапазоне от 146 до 232 кДж/моль в зависимости от степени разложения.

В приведен анализ экспериментальных данных для разных пород древесины: осина, береза, дуб и сосна. В данной работе ТГ исследования и кинетический анализ выполнены в воздушной среде. Древесное биотопливо состоит гемицеллюлозы, целлюлозы и лигнина, которые разлагаются в диапазонах температур: 225-325, 305-375 и 250-500 °С . Окислительный процесс состоит из двух стадий: первая - процесс выхода летучих веществ, основных компонентов биомассы, и вторая стадия - разложение лигнина и горение коксового остатка на ранних стадиях . Данный процесс имеет большое отличие от процесса термического разложения в инертной среде, так как наличие кислорода имеет огромное влияние и вызывает дополнительные сложности, такие как увеличение степени разложения материалов при низких температурах и горение коксового остатка . В данной статье рассмотрена экспериментальная установка для изучения процесса пиролиза и горения, получены классические ТГ и ДТГ кривые для березы, осины, дуба и сосны при скорости нагрева 10 °С в минуту. В отличие от инертной среды ДТГ кривые в окислительной среде имеют два характерных пика. Первый пик соответствует максимальной скорости выхода летучих веществ, а второй характеризует горение коксового остатка. Также проведено ТГ и ДТГ исследование при высокой скорости нагрева - 100 °С/мин. ДТГ кривая при высокой скорости нагрева имеет не такой ярко выраженный пик, описывающий процесс горения коксового остатка в отличие от низкой скорости нагрева. В статье определены энергии активации для процесса выхода летучих веществ. Кинетическая модель основывается на законе Аррениуса. При этом порядок реакции принимался первым. Основываясь на этой теории, кинетические параметры рассчитаны из кривой линейной регрессии со значениями корреляции. В данной статье весь процесс термического разложения разделен на две отдельные реакции и каждая из них описывается законом Аррениуса первого порядка. Энергия активации первой реакции при низкой температуре немного отличается для разных пород древесины и находится в диапазоне от 104 до 125 кДж/моль. Значение энергии активации увеличивается с увеличением скорости нагрева. Напротив, энергия активации второй стадии реакции между различными породами сильно отличается и находится в диапазоне от 89 до 220 кДж/моль и изменяется более плавно с увеличением скорости нагрева. В работе сделаны выводы по испарению влаги в образцах древесины, которая начинает испаряться при температуре, превышающей 80 °С и продолжается до достижения материалом температуры в 120 °С. От 120 °С до 240 °С происходит незначительное изменение массы испытуемого материала, в диапазоне температур от 240 до 360 °С процесс пиролиза считается эндотермическим, от 320 до 450 °С древесные частицы пиролизуются более быстро и происходит быстрая и значительная потеря массы. Структурные изменения представлены сжатием и раскалыванием слоя древесного угля.

В журнале «Bioresource Technology» опубликована статья , описывающая механизмы термического разложения древесины (на примере березы) в инертной и воздушной средах, используя методы распределенной модели энергии активации. Произведено сравнение значений энергии активации, определенных с помощью модели глобальной кинетики и распределенной модели энергии активации. Экспериментальная часть была выполнена на термическом анализаторе компании Mettler Toledo TGA/SDTA 8951E в инертной (азот) среде с разными скоростями нагрева: 5, 10, 15, 20, 30 и 40 °С/мин. Статья подробно раскрывает теоретические выкладки, описывающие распределённую модель определения энергии активации и глобальную кинетическую модель. Также в статье сделан вывод, что термическое разложение древесины в основном определяется процессом разложения целлюлозы. В зависимости от степени разложения значения энергии активации для березы, определенные по распределенной модели, находятся в диапазоне от 175 до 235 кДж/моль. Приведены данные по энергиям активации для березы и сосны, определенные по глобальной кинетической модели. В зависимости от скорости нагрева значения варьируются от 120 до 250 кДж/моль. Таким образом, среднее значение находится в пределах 180 кДж/моль. В заключении сделаны следующие выводы, что глобальная кинетическая модель описывает термическое разложение реакциями, преобладающими в основной стадии потери массы (в диапазоне выхода летучих веществ). Из-за высокого коэффициента корреляции (R2>0.9), экстраполированного из экспериментальных данных, глобальная кинетическая модель может быть применена для описания процесса термического разложения биотоплива как в инертной, так и в окислительной среде. Распределенная кинетическая модель описывает процесс разложения биомассы системой необратимых реакций первого порядка. По результатам распределенной кинетической модели, значения энергии активации имели большие значения, чем при использовании глобальной кинетической модели. Распределенная кинетическая модель не может быть применена для описания процесса термического разложения биотоплива в окислительной среде из-за сложности реакций, протекающих во второй стадии.

Ученые Новосибирского Государственного Университета под руководством проф. О.П. Коробейничева опубликовали работу , характеризующую процесс термического разложения и горения Сибирской сосны. Материалом для исследования были выбрана кора сосны, сосновые иголки и стволовая часть древесины. Исследования проводились при медленной скорости нагрева (10, 20, 30, 40 и 50 К/мин) на синхронном термоанализаторе Netzsch STA 409 PC и при быстром нагреве в кварцевом проточном реакторе (100-200 К/с). Также, в данной статье описаны все химические стадии процесса термического разложения и горения древесного топлива, описан состав газообразных продуктов, выделяющихся в результате процесса термического разложения. Для описания кинетики лесных топлив предложена «псевдо двухкомпонентная модель первого порядка с раздельными стадиями», при этом в процессе пиролиза выделяются три стадии. Энергия активации стволовой древесины сосны при скоростях нагрева от 10 до 100 К/мин находится в диапазоне от 112 до 125 кДж/моль. Энергия активации для второй стадии уменьшается со 145 до 80 кДж/моль с увеличением скорости нагрева от 10 до 100 К/мин. В статье также приведены классические кривые убыли массы в зависимости от температуры при разных скоростях нагрева: 10, 20, 30, 40, 50 К/мин для образцов из коры сосны в инертной среде (среде гелия) и окислительной среде (гелий и 21 % кислорода). Приведена таблица со средними значениями энергии активации для образцов из стволовой сосны, коры сосны и сосновых иголок. Значения энергий активации варьируются от 164 до 184 кДж/моль.

Статья, представляющая термогравиметрический и кинетический анализ процесса термического разложения тополя , опубликованная итальянскими учеными из университета Перуджии приводит не только значения кинетических характеристик, определенных на основе какой-либо модели, но также и представляет сравнение кинетических характеристик, определенных на основе разных моделей. Так в статье приводится значение энергии активации, определенное методом Киссинджера, которое составляет 153,92 кДж/моль. Метод Киссинджера относится к модели свободной кинетики к неизотермическим методам, среди которых также модель Озава-Флинн-Уолла и Вязовкина. Для сравнения в данной работе приведена таблица значений энергий активации, предэкспоненциального множителя и степени разложения для тополя, определенных на основе разных моделей: Озава-Флинн-Уолла и Киссинджера. Значения хорошо сочетаются между собой и имеют близкие величины. Так, среднее значение энергии активации, определенной на основе модели Озава-Флинн-Уолла равняется 158,58 кДж/моль, что очень близко к значению энергии активации, определённой на основе модели Киссинджера (153,92 кДж/моль). Эксперименты проводились в инертной среде (азота) при четырех разных скоростях нагрева: 2, 5, 10, 15 К/мин, и соответственно кинетические характеристики определялись на основе данных термогравиметрического анализа при низких скоростях нагрева. Также в статье приведено полученное значение энергии активации при высокой скорости нагревам 100 К/мин из статьи , которое равняется 54,1 кДж/моль. Разница в значениях объясняется тем, что в данной работе используется специальная методика исследования процесса пиролиза быстрорастущего тополя до конечной температуры 700 °С.

Также в литературе есть еще работы , описывающие ТГ и кинетический анализы разных пород древесины. Опубликовано несколько работ, описывающих ТГ анализ и поведение различных материалов: пластик , производные древесины , процесса испарения влаги , различных волокон .

Большое количество работ посвящено исследованию жидких топлив: мазута , биодизеля, пальмового масла и минерального дизеля .

Энергия активации мазута определялась также по стандартным моделям Фридмана и Озава-Флинн-Уолла. В зависимости от степени разложения значение энергии активации для мазута находится в диапазоне от 80 до 170 кДж/моль. Для некоторых типов мазута значения энергии активации при степени разложения α = 0,9 находится в пределах 244 кДж/моль. Среднее значение энергии активации для мазута в течение всего процесса горения находится в диапазоне 120-130 кДж/моль. Данные значения энергии активации определялись с помощью программного обеспечения Thermokinetics, рассчитывающего значения энергий активации на основе данных термогравиметрического исследования. Данная работа является одной из немногих, описывающей кинетику и термическое разложение жидких топлив на примере мазута.

В статье термогравиметрический анализ проводился на термовесах фирмы Shimadzu модели TGA-50 в диапазоне температур от 303 до 873 К со скоростью нагрева 283 К/мин в инертной среде с расходом азота 50 мл/мин. Исследовались образцы биодизеля, пальмового масла и минерального дизеля. Кинетическая модель основывается на общем уравнении Аррениуса, которое далее интегрируется на основе модели Озава-Флинн-Уолла. Кинетические параметры определялись на основе данных ТГ кривых, построенных при трех разных скоростях нагрева: 10, 15, 20 °С/мин. Для минерального дизеля среднее значение энергии активации было получено 44,9 кДж/моль, для биодизеля 76,37 кДж/моль, для пальмового дизеля 87 кДж/моль. В заключении сделаны выводы по определению точки кипения и ее зависимости от содержания летучих компонентов. Минеральный дизель имеет большое количество летучих веществ по сравнению с пальмовым дизелем и биодизелем и соответственно меньшее значение энергии активации.

Исследованию углей уделялось большое внимание, как за рубежом, так и в нашей стране. Статья приводит данные кинетического анализа битумного и тощего углей в сравнении с биомассой (стебель кукурузы). Угли имеют большее значение энергии активации, чем биотопливо, которое находится в диапазоне от 290 до 340 кДж/моль, а именно для битумного угля 299 кДж/моль и для тощего угля 338 кДж/моль.

Ученые из лаборатории управления рисками и защиты окружающей среды Университета Верхнего Эльзаса, Мюлуз (Франция) опубликовали работу по кинетическому исследованию двух типов углей: Колумбийского и Южно-Африканского . Исследования проводились в реакторе падающего типа, изготовленного в лаборатории Университета Верхнего Эльзаса. Получены значения для углей 120 и 119 кДж/моль соответственно. Данные значения являются ниже средних, так как для их определения использовалась схема Кобаяши с оптимизированными параметрами. В статье детально описаны теоретические выкладки по определению кинетических параметров, применяя данный метод.

В заключении можно сделать вывод, что данные по кинетическим характеристикам могут быть использованы в численном моделировании процессов выхода летучих веществ, для расчета массового баланса и энергетического баланса самого процесса выхода летучих веществ. Полученные кинетические характеристики могут использоваться в уравнениях тепломассопереноса, на которых основывается алгоритм работы программного обеспечения, предназначенного для симулирования. Наиболее распространенное программное обеспечение - это коммерческий продукт Ansys Fluent, предназначенный для моделирования процессов, происходящих в топочных устройствах котельных агрегатов, а именно процессов горения, тепломассообмена и теплопереноса. Данным программным обеспечением пользуются не только ученые для моделирования процессов, но и крупные производители котельных агрегатов, такие как Альстом (Alstom) и др. Также для моделирования большого класса задач гидрогазодинамики, теплообмена и горения широко используются методы вычислительной гидродинамики и реализованные на их основе пакеты программ (CFX, STAR, CCM+, OpenFoam, Flow Vision и др.). В Сибирском федеральном университете разработан свой пакет программ “SigmaFlow” , реализующий традиционную для универсальных CFD пакетов методологию. Это дискретизация исходных уравнений в криволинейных неортогональных координатах, на центрированном шаблоне; решение системы уравнений глобальными итерациями в рамках концепции расщепления по физическим процессам с использованием процедуры согласованной коррекции давления (SIMPLE) с регуляризацией Рхи-Чоу; дискретизация конвективных членов уравнений переноса в неявной части по противоточным односторонним разностям и коррекцией в явной части до схем повышенного порядка аппроксимации; решение разностных уравнений многосеточными методами.

Опубликован ряд работ как по исследованию промышленных котельных агрегатов , так и котлов малой мощности . Также опубликован ряд работ по CFD моделированию процесса пиролиза биомассы, лигнина .

Таким образом, перспективным научным направлением является определение кинетических характеристик процесса термического разложения экспериментальным путем или на основе термогравиметрических данных и дальнейшее применение кинетических характеристик для моделирования процессов, происходящих в топочных устройствах.

Марьяндышев П.А., Чернов А.А., Любов В.К. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ БИОТОПЛИВА И РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЕГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ // Международный журнал экспериментального образования. – 2015. – № 1. – С. 29-37;
URL: http://expeducation.ru/ru/article/view?id=6316 (дата обращения: 30.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

Соединение

Реакции при комнатной температуре

План лекции

1. Принцип термического разложения веществ.

2. Разложение цирконового песка.

3. Десиликация каолина.

Процесс диссоциации с учетом высоких достигаемых температур может иметь большое значение и для очень устойчивых в иных условиях окислов, напряжение диссоциации которых показано на рис. 54. Известно, что диссоциация окислов наступает тогда, когда напряжение диссоциации превышает «парциальное давление кислорода в окружающей атмосфере.

При использовании газа, содержащего очень малые количества кислорода, парциальное давление кислорода, например в случае аргона, может достигать порядка нескольких Паскалей; возможны диссоциация и разложение таких прочных связей, как у АlO 3 , SiO 2 и MgO Были опубликованы также работы о получении молибдена из MoS 2 .

При оригинальной технологии разложения «Хинарк» (Шира - Кормана) в случае переработки огнеупорного сырья руду смешивали лишь с таким количествам углерода, чтобы обеспечить электрическую проводимость формованного обожженного электрода. В ходе дальнейших работ пришли к выводу, что анод можно получить из смеси руды и углерода, свободно уложенных в графитовой обойме. Благодаря этому уда - лось сэкономить средства на изготовление стержневых электродов. Для обоих указанных видов анодов плазменное пламя состояло преимущественно из паров отдельных элементов, включая определенную долю паров углерода, которая достигала примерно 15 - 20%. Продукты сгорания, которые свободно конденсировались на воздухе, состояли из смеси окислов, причем газообразная окись углерода попадала в атмосферу. Хотя исходное сырье содержало комплексные соединения, например эвксенит или огнеупорные силикаты, было установлено, что обратные реакции при охлаждении приводят к образованию только простых окислов (т. е. моноокислов) или даже субокислов. Общая длительность пребывания свободных атомов и ионов в плазменном пламени, имеющем высокую скорость, слишком мала для того, чтобы происходили столкновения многих атомов. Так, например, при использовании в качестве исходного материала родонита образуется мелкодисперсный МnО и SiO 2 , а при использовании бериллия BeO, Al 2 O 3 и SiO 2 .

Рисунок 54. Зависимость давления диссоциации оксидов от температуры

С помощью масс - спектроскопии можно различить заряженные частицы различной массы. Уже были опробованы способы взаимоотделения окислов в электростатических или магнитных полях либо путем фракционированной конденсации. Однако успешные результаты были достигнуты только в случае сепарации, основанной на использовании точки росы, при которой фильтрующий коллектор, принимающий конденсированные твердые частицы, помешали в такое место потока продуктов сгорания, где температура была выше точки росы нежелательных элементов или соединений. Однако на практике тока более целесообразно собрать большинство окислов в виде смеси и обрабатывать их затем каким - либо другим способом. В принципе такой двухступенчатый процесс аналогичен обычному процессу переработки руд, когда руды сначала расплавляют, затем охлаждают и, наконец, из них извлекают металл. Единственная существенная разница заключается в том, что при плазменной обработке реакции происходят в газовой фазе и промежуточным продуктом является очень мелкий порошок, обладающий высокой реакционной способностью. Как показывает опыт, растворимые компоненты очень быстро растворяются, а нерастворимые легко отделяются путем фильтрации. Хотя диаметр образующихся частиц очень мал (составляет всего 0,035 - 0,050 мкм), они не образуют шлама. Некоторые окислы, (полученные таким путем, обладают аномальной растворимостью в некоторых растворителях, что можно объяснить высокой степенью разрушения и неупорядоченной структурой их решетки.

Получение двуокиси циркония путем термического разложения цирконового песка. Фирма Ionarc Smelter Ltd ввела в 1970 г. в эксплуатацию полупромышленную установку для получения двуокиси циркония и силиката натрия из цирконового песка.

Двуокись циркония обычно получают путем переплава больших порций цирконового песка в мощных трехфазных дуговых печах с углеродистыми электродами. При этом двуокись кремния, которая имеет более низкую температуру кипения, чем двуокись циркония, выпаривается и отгоняется. После охлаждения оставшегося материала получают зерна двуокиси циркония с непостоянными свойствами, особенно в центре зерен, где охлаждение происходит медленнее. Образовавшиеся кристаллиты довольно крупные. Оставшиеся примеси склонны концентрироваться в различных местах зерен. Однако перед дроблением очищается только наружная поверхность зерен (причем но усмотрению обслуживающего персонала). При этом полученный материал смешивают, в результате чего образуется более или менее однородный конечный продукт, но не столь однородный как двуокись циркония, полученная путем плазменной обработки. при которой тепло воздействует абсолютно равномерно на пренебрежимо малые отдельные шаровидные частицы исходного материала.

Основное место в технологии плазменных процессов занимает промышленная плазменная печь фирмы Ionaro. Это универсальная установка, служащая для ряда высокотемпературных операций обработки, при которых частицы материала проходят через плазму, имеющую температуру около 20000 К.

Цирконовый песок загружается в верхнюю часть вертикальной печи со скоростью около 180 кг/ч, здесь он проходит через горячую зону диаметром примерно 127, длиной 910 мм. В каждый данный момент в печи находится 1 кг перерабатываемого материала.

Стены печи охлаждаются водой и не имеют огнеупорной футеровки. Отношение величины поверхности горячей зоны к ее объему мало, что снижает тепловые потери и позволяет расплавить загруженный материал в течение долей секунды.

Расход энергии составляет всего 1,32 кВт·ч/кг по сравнению с 9,9 кВт·ч/кг в нормальных печах для возгонки. В отличие от этих печей, работающих по принципу отгонки, плазменные печи характеризуются большой скоростью прохождения материала, непрерывным режимом работы и гораздо более низкими капитальными затратами.

По существу вся образующаяся при сепарации двуокись кремния остается в печи в твердом состоянии. Это предотвращает загрязнение атмосферы вследствие уноса двуокиси кремния, что обычно наблюдается при переплаве цирконовых песков. Материал, выходящий из печи, представляет собой сепарированный цирконовый песок, в котором отдельные частицы уже состоят не из силиката циркония, а из смеси двуокиси циркония и двуокиси кремния. В связи с очень высокими температурами в плазменной печи и последующим быстрым охлаждением это разложение исходного материала на два окисла является практически полным. Порядок дальнейшей переработки показан на рис. 55.

1 - плазменная печь; 2 - цирконовый песок; 3 - использованная NaOH; 4 - водный раствор гидроокиси натрия: 5 - первый этап выщелачивания; 6 - второй этап выщелачивания; 7 - мойка; 8 - сушилка; 9 - отфильтрованная вода; 10 - центрифуга; 11 - осветленный раствор силиката натрия; 12 - разложенный цирконий

Рисунок 55. Схема переработки цирконового песка в низкотемпературной плазме

Получаемая на плазменных установках двуокись кремния аморфна, при этом она обладает высокой реакционной способностью. Аморфную двуокись кремния можно легко экстрагировать от пренебрежимо малых кристаллитов двуокиси циркония, с которыми она смешана. Для отделения достаточен 50%-ный раствор гидроокиси натрия с температурой кипения 258°С. Экстрагирование осуществляется в две стадии. На первой стадии материал, полученный в плазменной печи, реагирует с частично использованной на второй стадии экстрагирования гидроокисью натрия, в результате чего из смеси удаляется большая часть имеющейся двуокиси кремния. Одновременно частично использованная гидроокись натрия нейтрализуется с получением силиката натрия по реакции:

ZrO 2 + SiO 2 + 2NaOH = Na 2 SiO 3 + ZrO 2 + H 2 O

Более легкую жидкость высокой вязкости отливают из сосуда, в котором проводилось экстрагирование, разбавляют водой и центрифугируют, чтобы обеспечить отмучивание раствора. Путем выпаривания избыточной воды затем получают пентагидрат. Твердые фракции, полученные на первой стадии экстрагирования, которые содержат примерно 95% двуокиси циркония, на второй стадии реагируют со свежим кипящим 50%-ным раствором гидроокиси натрия. На этой стадии экстрагирования получают двуокись циркония чистотой более 99% в виде пористых шаровидных частиц, величина которых в большинстве случаев не превышает 0,2 мм. Этот материал промывают в ротационном вакуум - фильтре; воду от промывки используют для разбавления вязкого раствора силиката натрия. Оставшиеся влажные твердые вещества сушат до остаточного содержания влаги менее 1%.

В зависимости от требований потребителей процесс можно сократить и разделенный в плазменной печи материал подвергать только одному экстрагированию или вообще отказаться от него. В ходе процесса получают три конечных продукта, отличающихся один от другого, прежде всего содержанием двуокиси кремния. Типичный химический состав этих трех продуктов приведен в таблице 12. Продукты чистотой 95 и 99% состоят из хрупких пористых шаровидных частиц; материал чистотой 70% имеет форму твердых стекловидных шариков. Для всех трех продуктов 95% частиц имеют размеры в проделах 0,2 - 0,04 мм.

Таблица 12 - Типичный состав трех получаемых видов ZrО 2

Полученная в плазменной печи двуокись циркония резко отличается от получаемой обычным способом, как величиной кристаллитов, так и морфологией, а также стабильностью свойств. Кристаллиты очень однородны, диаметр их колеблется лишь в пределах 0,1 - 0,2 мкм. Выпускаемый фирмой lonarc продукт состоит из пористых частиц диаметром до 300 мкм, которые легко поддаются дроблению до любой требуемой крупности. В связи с очень малыми размерами исходных кристаллитов при дроблении до крупности менее 0,04 мм тоже получают пористые частицы.

Преимущества процесса. По сравнению с другими процессами этот плазменный процесс имеет важные преимущества, обусловленные тем, что отсутствует необходимость в растворении исходного цирконового материала. При типичном способе производства высококачественной двуокиси циркония по классической технологии (т. е. комбинации термической обработки с химической реакцией) получают богатый цирконием раствор, из которого нужно выделить цирконий (обычно ионами сульфата). Выпавший осадок нужно промыть и подвергнуть обжигу, чтобы получить двуокись циркония. При этом способе материал нужно нагревать до высокой температуры и удалять образующийся сернистый ангидрид. В конечном продукте остается определенная переменная доля ионов сульфата.

В противоположность этому на плазменной установке двуокись циркония получается уже при прохождении исходного материала через плазму. Единственной дальнейшей операцией является удаление двуокиси кремния путем экстрагирования. При этом степень чистоты конечного продукта можно регулировать в зависимости от требований потребителя. Следующими преимуществами являются высокое качество и постоянство размеров кристаллитов даже в случае применения в шихте исходного материала разного качества.

Плазменная технология имеет и другие преимущества, например меньшее загрязнение окружающей среды. При получении двуокиси циркония из исходного материала уноса двуокиси кремния не происходит. Кроме того, при этом процессе по существу не образуются отходы, так как все используемые для процесса материалы, в конце концов, превращаются в полезный продукт. Далее в качестве побочного продукта получают силикат натрия, который можно использовать при производстве поверхностно - активных веществ.

Экономические данные. Затраты на производство двуокиси циркония по способу Ионарк колеблются в зависимости от объема производства. При производстве опытных партий в количестве несколько более 45 т двуокиси циркония чистотой более 99% в год с целью проверки спроса на рынке соотношение между производственными расходами и рыночными ценами было не очень благоприятным. Однако можно предположить, что после сооружения и ввода в эксплуатацию промышленной установки экономичность этого процесса значительно возрастет. По данным фирмы IonarcJ при повышении производства в пять раз можно сэкономить 40% расходов по переделу.

Десиликация каолина путем термического воздействия низкотемпературной плазмы. Весьма перспективной является возможность десиликации некоторых соединений при высоких температурах плазмы. В Горнометаллургическом институте г. Остравы был успешно проведен опыт по десиликации каолина с целью проверки теоретической возможности использования этого материала для получения алюминия. Опыт проводили следующим образом: смесь каолина и древесного угля отвердили органическим связующим и подвергли воздействию плазмы, полученной из аргона и азота в соотношении объемов 1:1, при температуре плазмы около 18 000 К. Использованный каолин содержал 52% двуокиси кремния. В условиях высокой температуры вследствие воздействия плазмы указанного состава протекали следующие процессы:

Восстановление Аl 2 O 3 углеродом

2 / 3 Al 2 O 3 + 2C = 4 / 3 Al + 2CO (119)

Образование нитридов AlN

Аl 2 O 3 + 3С + N 2 = 2AlN + 3СО (120)

Однако эта реакция образования AlN при высоких температурах подавлялась вследствие образования карбидов по реакции

4Аl + 3С = Al 4 C 3 (121)

Одновременно с этими протекал и ряд других реакций, в основном с образованием алюминия, кремния и более простых окислов. Во время опыта было установлено, что Аl 2 O 3 испаряется и распадается. Одновременно образовывался и газообразный субокисел Аl 2 О, который стекал и оседал на холодных участках реакционного сосуда. Присутствовавшая в системе двуокись кремнии легче восстанавливалась, чем А1 2 О 3 . Нитриды кремния тоже образовывались легче, чем нитриды алюминия. При одновременном восстановлении Al 2 O 3 и SiO 2 образовывались и такие продукты, как Si, SiO, SiC, которые оказывали влияние на дальнейший ход процесса.

Образующиеся, промежуточные нитриды характеризуются более низкой термодинамической стабильностью, чем одновременно существующие карбиды, вследствие чего они взаимодействуют с углеродом с образованием карбидов или карбонитридов и выделением газообразного азота.

2AlN + 3/2C=1/2Al 4 C 3 + N 2 (122)

1/2Si 3 N 4 + 3/2C = 3/2SiC + N 2 (123)

Для реакций справедливо следующее: при комнатной температуре термодинамическая стабильность нитридов выше, чем карбидов. При более высоких температурах - около 1700°С для AlN и 1500 - 1600°С для Si 3 N 4 - наблюдается обратное явление. Кроме указанных реакций, следует учесть и образование карбонитридов.

В ходе опыта шихта, помещенная в графитовый сосуд, быстро расплавилась и стала испаряться. Реакции протекали как в жидкой, так и в газовой фазе. При соответствующих температурных условиях происходило только селективное выпаривание образующегося карбида алюминия, причем сублимат осаждался на холодных участках плазменного реактора. Карбид кремния с высокой температурой плавления остался в графитовом сосуде. После химической обработки сублимата с получением Аl 2 O 3 была проведена оценка результатов химического анализа. Содержание SiO 2 составило 5,3% (по массе), т. е. десятую долю первоначального содержания в исходном материале. Можно предположить, что если будет найден оптимальный режим процесса, то после многократного повторения можно будет получить и из материала с высоким содержанием двуокиси кремния глинозем такой чистоты, что он будет пригоден для получения алюминии, например электролизом. Однако эксперимент в связи с высокими затратами и дефицитом природного боксита имеет лишь демонстрационное значение.

Контрольные вопросы

1. На чем основано получение веществ термоспособом.

2. Процессы и технология разложения цирконового песка.

3. Процессы и технология десиликации каолина.

Литература

1. Крапивина С.А. Основы плазмохимии. Л.: ЛТИ, 1976, - 65е.

2. Моссэ А.Л., Печковский В.В. Применение низкотемпературной плазмы в технологии неорганических веществ. Минск: Наука и техника, 1973.- 213с.

Напишите уравнения термического разложения нитрата и нитрита аммония, оксида азота (I ). В каком соотношении нужно использовать нитрат и нитрит аммония для получения воздушной смеси? Рассчитайте стандартные энтальпии реакций разложения при температуре 25 ° С. Определите, являются ли эти процессы экзо - или эндотермическими. Какое давление оказывали бы газообразные продукты разложения нитрата и нитрита аммония, если бы газы находились в объёме, равном объёму соответствующих твёрдых солей при температуре 25 ° С? Какая масса нитрата и нитрита аммония потребуется для заполнения воздухом переходного тамбура объёмом 1 м3 при 25 ° С? Рассчитайте, сколько теплоты выделится в процессе получения воздушной смеси, необходимой для заполнения переходного тамбура. Укажите причины, которые, на Ваш взгляд, могут ограничивать использование такого метода получения воздушной смеси на космических аппаратах.

Задача 10-5.

Внимание! Если текст задачи не читается (буквы в схемах должны быть русскими), то смотрите его, пожалуйста в файле zadcha10-5.pdf

Приведенные ниже схемы превращений представляют собой важнейшие промышленные процессы с использованием органического соединения А , а также некоторых продуктов, образующихся из А .

1..gif" width="129" height="26">

9. B +H У

10.

Напишите уравнения реакций, соответствующие этим схемам. Примите во внимание, что соединения Б, Д, М, Т – газообразные простые вещества, а З – простое вещество, существующее при комнатной температуре в твердом состоянии, причем атомные массы Д и З отличаются в 2 раза; A , В, Г4, Е, Ж, И-Л, Н, П – бинарные соединения. Кроме того, известно, что в зависимости от соотношения реагентов при взаимодействии А с Д может образовываться (наряду с Ж ) также бинарное вещество Л , что обычно является крайне нежелательным процессом. Два разных продукта (отличающихся от А ) могут образоваться и при взаимодействии М с Н . Наконец, присоединение Р к Ф дает аддукт, который после отщепления Ж превращается в продукт, являющийся, как и соединение У , важным мономером в синтезе высокомолекулярных соединений.

Одиннадцатый класс

Задача 11-1.

Вещества А–В – бинарные соединения одинакового качественного состава. Массовое содержание входящих в их состав элементов Х и Y , а также некоторые свойства соединений сведены в таблицу.

Все три соединения при комнатной температуре являются газами. А и Б не имеют собственного запаха, В, напротив, пахнет отвратительно. А и В при поджигании сгорают на воздухе (реакции 1 и 2), газ Б не горюч. В воде А растворяется совсем плохо, Б чуть лучше (реакция 3), В – хорошо (реакция 4), при этом Б с водой взаимодействует частично, а В полностью. Газ А реагирует лишь с водяным паром при t > 230o C в присутствии Fe 2O 3 (реакция 5). С водными растворами щелочей и сухим газообразным аммиаком Б и В взаимодействуют легко (реакции 6, 7, 8 и 9), а А только в специальных условиях: со щелочью при t ~ 120o C и давлении > 5 атм. (реакция 10), с аммиаком при t ~ 500–800o C на смешанном катализаторе Al 2O 3/ThO 2 (реакция 11). Последняя реакция используется в промышленности для получения широко известного ядовитого вещества. Интересно, что вещество, получающееся в реакции Б с аммиаком при t ~ 200–500o C и повышенном давлении (реакция 12), настолько безобидно, что его даже добавляют в жевательную резинку, как, впрочем, и продукт реакции Б со щелочью.

1. Рассчитайте молекулярные массы А и Б, если известно, что смесь равных объемов А и Б имеет плотность по водороду 18, а смесь одного объема А и трех объемов Б – 20.

2. Установите элементы X и Y и состав соединений А–В.

3. Напишите уравнения всех описанных в задаче реакций.

4. Изобразите структурную формулу соединения В и назовите его.

Задача 11-2.

Соединения А–Г состоят из трех элементов и имеют одинаковый качественный состав. Некоторые сведения о них представлены в таблице:



Температура плавления, ºC
Отношение к воде	Реагирует	Растворяется	Не растворяется	Реагирует

* – плавление с разложением

Исходным веществом для синтеза соединений А–Г является оранжево-желтый порошок оксида Д. Желтая жидкость А с резким запахом может быть получена пропусканием над Д газообразного хлороводорода в присутствии P 2O 5 (реакция 1) Соединение Б синтезируют нагреванием А с металлическим цинком (реакция 2), а его водный раствор – взаимодействием Д с концентрированной соляной кислотой при нагревании (реакция 3). Термической диссоциацией Б получают В, при этом также образуется А (реакция 4). Соединение Г оранжево-красного цвета синтезируют пропусканием озона над А (реакция 5).

1) Определите неизвестные вещества и запишите уравнения всех реакций, упоминающихся в условии задачи.

2) Какие продукты образуются при взаимодействии веществ А и Г с водой? Напишите уравнения реакций.

3) Предскажите геометрическое строение частиц вещества А.

4) Как получают в лаборатории соединение Д (напишите уравнение реакции и условия ее проведения)?

Задача 11-3.

На российских космических кораблях и станциях, начиная с первого полета Гагарина, используется атмосфера, максимально близкая к земной (содержание кислорода 20 об. %, давление 1 атм). При выходах в открытый космос возникает необходимость восполнения воздушной среды в больших объёмах. Использование для этих целей сжатой газовой смеси в традиционных шар-баллонах ограничено корпусной массой. Рассмотрим возможность химического получения необходимой газовой смеси с использованием термического разложения аммонийных солей. При нагревании нитрита аммония выделяется азот, а при термическом разложении нитрата аммония образуется оксид азота (I ), который при более высокой температуре каталитически разлагается на простые вещества. Свойства исходных и конечных веществ приведены в таблице.

Вещество	NH4NO2	NH4NO3	N2O	N2	O2	H2O(ж )
D f H ° 298, кДж/моль
T пл., ° С	разл. > 35° С		– 91		–21 8,8
Т кип., ° С		разл. > 210
Плотность, г/см3(тв., ж.)

Здесь D f H ° 298 – стандартная энтальпия образования соединения при температуре 298 К.

Задача 11-4.

Сегодня нашу жизнь невозможно представить без пластмассовых изделий и синтетических волокон: корпус ручки, которой Вы сейчас пишете, яркая кофточка на симпатичной девушке, что Вы встретили вчера, жевательная резинка, которую усердно жует сосед слева, клавиатура ноутбука автора этой задачи – все это сделано из высокомолекулярных продуктов крупнотоннажной химической промышленности . Ниже приведена некоторая информация о пяти распространенных синтетических полимерах I ‑ V .

Поли-мер		Промышленная схема получения
I
II	ПС

1. Приведите структурные формулы промежуточных продуктов А – З , а также структурные формулы элементарных звеньев полимеров I ‑ IV (без учета стереоизомеров).

2. Расшифруйте аббревиатуры названий полимеров I ‑ III . От каких слов образовано название "лавсан"? Укажите названия полимеров IV и V . Как называется процесс превращения IV в V под действием серы? Какой из полимеров I ‑ IV образовался в результате реакции поликонденсации?

Задача 11-5.

Соединения А , В и С содержат углерод, водород и кислород. Содержание углерода и водорода в этих соединениях дано в таблице.

Известно, что С может образовываться из А или В при действии разных восстановителей. С другой стороны, А не вступает в реакцию каталитического гидрирования при комнатной температуре и атмосферном давлении, не обесцвечивает бромную воду, устойчиво к действию хромовой кислоты и многих других окислителей.

1. Напишите структурные формулы соединений А , В , С .

2. Приведите по одному примеру восстановителей, которые можно использовать для превращения А и В в соединение С .

88,4 г смеси А , В и С , взятых в соотношении 1:2:1, нагрели с избытком концентрированного раствора гидроксида калия. Полученную смесь разделили на две равные части. Одну часть смеси нагрели с избытком перманганата калия, затем подкислили серной кислотой. Другую часть смеси подкислили серной кислотой, отогнали воду, добавили каталитическое количество серной кислоты и нагрели.

3. Напишите уравнения обсуждаемых реакций. Какие соединения и в каких количествах образуются в обоих случаях? Считайте, что все реакции протекают с количественным выходом.

Девятый класс

Задание: Вам выданы растворы следующих солей: KCl , Na 2CO 3, BaCl 2, MgSO 4, AgNO 3.

Не прибегая к помощи других реагентов, определите, в какой из пробирок находится раствор каждого из указанных веществ. Решение представьте в виде таблицы. Напишите уравнения реакций, представленных в вашей таблице.

Реактивы : 0,1M KCl, 0,1M Na2CO3, 0,1M BaCl2, 0,1M MgSO4, 0,1M AgNO3

Оборудование:

Десятый класс

Задание: Используя имеющиеся на столе реактивы и оборудование, определите, в какой пробирке находится раствор каждого из перечисленных ниже веществ: Na 2SO 4, MnSO 4, BaCl 2, Pb (NO 3)2, ZnSO 4, Al 2(SO 4)3. Решение представьте в виде таблицы. Напишите уравнения реакций, представленных в вашей таблице.

Реактивы : 2M NH3∙H2O, 2M NaOH, 1M H2SO4

Оборудование: штатив с пробирками, пипетка.

Одиннадцатый класс

Задание: Вам выданы две пробирки, содержащие 3 или 4 катиона соответственно в каждой пробирке из следующего набора катионов: Ag +, Zn 2+, Al 3+, Pb 2+, Ba 2+, Mn 2+, NH 4+.

Используя имеющиеся на столе реактивы и оборудование, определите, какие катионы находятся в каждой пробирке. Решение представьте в виде таблицы. Напишите уравнения реакций, представленных в вашей таблице.

Реактивы : 2M HCl, 1M H2SO4, 2M NaOH, 2M NH3∙H2O

Оборудование: штатив с пробирками, пипетка, водяная баня или горелка.

Девятый класс

Вариант 1

Часть А. Тестовые задания с выбором ответа 1. Число нейтронов в атоме 14 N:

А . 7. Б . 8. В . 9. Г . 10.

2. Электронная формула атома элемента 1s2 2s2 2p3 . Химический знак и формула его водородного соединения соответственно:

A . Si и SiH4 B .N и NH3 .

Б . Р и РН3 Г .С и СH4 .

З. Азот имеет степень окисления +5 в соединении с формулой:

A . N2 . Б . NO. B .NO2 . Г .HNO3 .

4. Минимальная степень окисления азота в соединении (из перечисленных ниже) с формулой:

A . N2 . Б . NO. B .NO2 . Г .HNO3 .

5. Из перечисленных химических элементов наибольшей электроотрицательностью в соединениях обладает:

А . В. Б . Р. B . S. Г . Si

6. Наименьший радиус у атома:

А . С. Б . О. B . N. Г . F.

7. Только восстановителем может быть вещество с формулой:

А . Р4 . Б . РН3 . В . Р2 О3 . Г . Н3 PO4

8. Азотистой кислоте соответствует оксид с формулой:

A . N2 О. Б .N2 О3 . B .NO2 . Г .N2 O5 9. Самая сильная из кислот, формулы которых:

A .HNO3 . Б .H2 SiO3 . B .H2 SO3 . Г .H3 PO4 10. Коэффициент перед окислителем в реакции, схема которой

Ag + НNO3 (конц.) →AgNO3 + NO2 + H2 O:

А .2. Б .4. В .6. Г .8

Часть Б . Задания со свободным ответом.

11 .Составьте молекулярные уравнения реакций следующих превращений:

P→P2 O5 →H3 PO4 →Na3 PO4

Уравнение 1 рассмотрите с точки зрения ОВР, уравнение 3 запишите в ионном виде. 12 .Дополните фразу: "Аллотропия- это..."

13 .С какими из веществ, формулы которых: КОН, CO2 , Zn, CuO, HCl, СаСО3 , взаимодействует разбавленная азотная кислота?

Запишите уравнения возможных реакций в молекулярном виде.

14 .Закончите схему термического разложения нитрата меди(II):

Cu(NO3 )2 → CuO + X + O2

Найдите сумму коэффициентов в уравнении.

15 .При взаимодействии 37г гидроксида кальция с сульфатом аммония было получено 15г аммиака. Вычислите массовую долю выхода аммиака от теоретически возможного.