CENTRALNA SZKOŁA

PAŃSTWOWEJ STRAŻY POŻARNEJ

W CZĘSTOCHOWIE

PRACA ZALICZENIOWA

PRZEDMIOT :

FIZYKOCHEMIA SPALANIA I ŚRODKI GAŚNICZE

TEMAT :

FIZYKOCHEMICZNE WŁAŚCIWOŚCI SUBSTANCJI NAJCZĘŚCIEJ WYSTĘPUJĄCYCH PODCZAS POŻARÓW.

WŁAŚCIWOŚCI : TLENU, WODORU, SIARKI, DWUTLENKU SIARKI, DWUSIARCZKU WĘGLA, TLENKU WĘGLA, GAZU MIEJSKIEGO, ACETYLENU, PROPANU

WYKŁADOWCA : mł. kpt. inż. Tomasz Siemiętowski

PRACĘ WYKONALI :

st. str. kdt. Tomasz Mądry

st. str. kdt. Tomasz Rojek

str. kdt. Tomasz Siemieniuk

Częstochowa 1998 r.

1. TLEN

Tlen, O, pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 8 i masie atomowej 15,99 u; główny reprezentant tlenowców. Jako substancja prosta jest bezbarwnym gazem, słabo rozpuszczalnym w wodzie (ok. 3 % objętości), o temp. wrzenia - 182,97 º C. W stanie ciekłym i krystalicznym ma właściwości paramagnetyczne. Tlen występuje w dwóch odmianach alotropowych : jako dwutlen O₂ i trójtlen O₃. W warunkach normalnych występuje w cząsteczkach dwuatomowych O₂. Cząsteczka O₂ ma bardzo nietypową budowę, zawiera bowiem dwa niesparowane elektrony. Tlen jest niemetalem dość znacznie różniącym się swoimi właściwościami od innych niemetali. Jest pierwiastkiem silnie elektroujemnym (3,5 w skali Paulinga); ustępuje pod tym względem tylko fluorowi (4,0). W związkach (z wyjątkiem OF₂) występuje w ujemnych stopniach utlenienia, najczęściej - 2. W podwyższonej temperaturze reaguje bezpośrednio prawie ze wszystkimi pierwiastkami, z wyjątkiem fluorowców, kilku metali szlachetnych i helowców. Reakcje te są w większości wysoce egzoenergetyczne; często towarzyszy im płomień. Jon tlenkowy O^2- występuje w tlenkach metali, które są substancjami stałymi; nie pojawia się jednak w roztworach. Sporadycznie tworzy też jony O₂^- i O₂^2-. Bardzo trwałe są jony wodorotlenowe (hydroksylowe OH ^-), będące składnikami zasad.

Tlen jest pierwiastkiem najbardziej rozpowszechnionym w skorupie ziemskiej (47,5 % wag.), gdzie jest związany głównie w postaci dwutlenku krzemu SiO₂, różnego rodzaju krzemianów oraz węglanów. Znaczny udział ma także
w składzie powietrza (20,9 % objętości), w postaci O₂, O₃ i kilka tlenków (CO₂, NO₂, H₂O). Stanowi także 89 % wagi hydrosfery. Wchodzi ponadto w skład wielu naturalnych związków organicznych : sacharydów, białek itp. Tlen jest pierwiastkiem niezbędnym do życia dla przeważającej części organizmów i bierze udział w niezliczonych procesach biochemicznych.

W skali technicznej otrzymuje się go w procesie frakcjonowanej destylacji ciekłego powietrza.

Stosowany jest przede wszystkim jako silny gazowy utleniacz oraz do wytwarzania wysokich temperatur (palniki tlenowo-acetylenowe). Znajduje szerokie zastosowanie w hutnictwie w procesie uszlachetniania stali. Używany jest też w medycynie dla ułatwienia procesów oddychania (aparaty tlenowe). Ozon, dzięki właściwościom bakteriobójczym, służy do odkażania wody.

2. WODÓR

Wodór, H, pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 1 i masie atomowej 1,008 u, nie posiadający homologów o analogicznych właściwościach i bez przynależności do którejś z grup. Jako substancja prosta, jest bezbarwnym, bardzo lekkim gazem, praktycznie nierozpuszczalnym w wodzie, o temperaturze wrzenia - 252,8 º C. Jest absorbowany przez niektóre metale, m. in. przez pallad i platynę, a także dyfunduje przez ścianki metalowych naczyń, jeżeli zostanie
w nich umieszczony. Od dawna znane są trzy izotopy wodoru, z których dwa są trwałe ¹H, ²H; trzeci zaś promieniotwórczy ³H. Izotopy te różnią się od siebie bardziej niż w przypadku innych pierwiastków. Różnice te zdecydowały, że otrzymały własne nazwy : prot, deuter i tryt. Promieniotwórczy tryt odtwarza się w górnych warstwach atmosfery, w reakcjach jądrowych wywoływanych przez promieniowanie kosmiczne. Atomy wodoru, jako najprostsze tego typu struktury w przyrodzie, mają tylko jeden elektron w obszarze wokółjądrowym, który zarazem jest elektronem walencyjnym w konfiguracji elektronowej 1s¹. W stanie wolnym wodór występuje w cząsteczkach H₂.

Właściwości związków zawierających wodór w znacznym stopniu uwarunkowane są rodzajem pierwiastka z nim połączonego. W przypadku jednych pierwiastków są to kwasy, np. HCl; innych - zasady, np. NH₃; jeszcze innych - sole, np. NaH, wreszcie związki obojnacze, jak węglowodory. Najgwałtowniej przebiega reakcja z niemetalami o najwyższej elektroujemności, tj. z tlenem, fluorem i chlorem. Z innymi pierwiastkami reakcja przebiega w podwyższonej temperaturze, np. z węglem lub siarką.

Wodór stanowi podstawowy składnik materii całego Wszechświata; występuje w atmosferze gwiazd i wypełnia przestrzeń międzyplanetarną, aczkolwiek w bardzo małych stężeniach. Jest także znaczącym składnikiem skorupy ziemskiej (0,15 %), a zwłaszcza hydrosfery (ponad 11 %). Występuje także
w niewielkich stężeniach w górnych warstwach atmosfery, tworząc tzw. strefę wodorową. Wchodzi ponadto w skład wszystkich naturalnych związków organicznych, jak węglowodory, alkohole, estry, cukry itd. W sumie wodór tworzy więcej związków niż jakikolwiek inny pierwiastek.

W skali przemysłowej wodór otrzymuje się głównie przez konwersję metanu lub bliskich mu homologów z parą wodną. Reakcja jest dwustopniowa, zachodzi w wysokiej temperaturze i w obecności aktywowanych katalizatorów :

CH₄ + H₂O _→ CO + 3H₂

CO + H₂O _→ CO₂ + H₂

W starszych technologiach podobnym reakcjom poddawano koks. Pewne ilości wodoru uzyskuje się też w procesie elektrolizy roztworu chlorku sodu.

Wodór jest cennym surowcem w produkcji wielu wodorków, głównie NH₃ i HCl. Powszechnie korzysta się z niego jako silnego reduktora. W podwyższonej temperaturze redukuje wiele tlenków do niższych stopni utleniania.

3. SIARKA

Siarka, S, pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej 16 i masie atomowej 32,06 u; reprezentant tlenowców. Siarka w stanie wolnym jest substancją stałą, krystaliczną, barwy złotej, słabo rozpuszczalna w wodzie, o temperaturze topnienia 112, 8 ºC. Występuje w wielu odmianach alotropowych, zawierających pierścienie wieloatomowe. Najtrwalszą odmianą jest siarka rombowa, składająca się z pierścieni S₈. Największy znany pierścień to S₂₀. Siarka ma cztery trwałe izotopy : ³²S, ³³S, ³⁴S, ³⁶S. Jej atomy mają sześć elektronów walencyjnych
w konfiguracji elektronowej | Ne | 3s²p⁴. W związkach występuje na -2, +2, +4 i +6 stopniach utlenienia. Jest pierwiastkiem niemetalicznym, o przeciętnej elektroujemności (2,60), wysoko reaktywnym. W powietrzu spala się niebieskim płomieniem, tworząc gazowy dwutlenek SO₂. W podwyższonej temperaturze reaguje bezpośrednio prawie ze wszystkimi pierwiastkami; z metalami tworzy siarczki, np. Na₂S, Cu₂S; z wodorem - siarkowodór H₂S; z węglem - dwusiarczek węgla CS₂ itp. Atomy siarki wykazują silną tendencję do tworzenia łańcuchów, zarówno w stanie wolnym, jak i w związkach. Łańcuchowa odmiana siarki jest głównym składnikiem siarki plastycznej, którą otrzymuje się przez przelanie stopionej siarki do zimnej wody. Świadczą o tym również jony wielosiarczkowe S_n^2- lub jony politionianowe [O₃S-S_n -SO₃] ^2-.

Siarka występuje w przyrodzie w dużych ilościach w stanie wolnym,
także w licznych związkach, m. in. w postaci H₂S i SO₂, rudach siarczkowych, (np. pirycie FeS₂) oraz siarczanach. Główne minerały to gips i anhydryt, zawierające siarczan wapnia.

Większość eksploatowanej siarki przerabia się na kwas siarkowy H₂SO₄. Znajduje także zastosowanie do wulkanizacji kauczuku, wyrobu barwników siarkowych i innych.

4. DWUTLENEK SIARKI

Dwutlenek siarki, SO₂, bezbarwny gaz o drażniącym, duszącym zapachu. Cząsteczka ma budowę kątową. Otrzymuje się poprzez prażenie pirytów lub spalanie siarki. Jest tlenkiem kwasowym; z wodą tworzy kwas siarkowy (IV),
a z wodorotlenkami litowców siarczany (IV). Posiada własności redukujące
i utleniające zależnie od kwasowości i natury środowiska. W obecności katalizatora utlenia się do SO₃ i jest przerabiany na kwas siarkowy (VI). Poza tym dwutlenek siarki stosuje się jako środek bielący i owadobójczy.

Dwutlenek siarki - gaz bezbarwny, o kwaśnym smaku. Ma ostry, prze-nikliwy, duszący zapach. Ciężar cząsteczkowy : 64,066; temperatura krzepnięcia : - 72,5 º C (200,65 K); temperatura wrzenia : - 10,0 º C (263,15 K);
ciśnienie krytyczne : 77,7 at. (76,9 · 10 ^-1 MPa); temp. krytyczna : 157,2 º C (430,35 K); ciężar właściwy gazowego SO₂ w temp. O º C przy 760 mm Hg : 2,9256 g / l (2,869 · 10 N / m ³); gęstość względem powietrza : 2,26; gęstość krytyczna : 0,52 kg / l. Utajone ciepło parowania w temp. - 10,0 º C i przy 760 mm Hg : 98,8 cal / g (41,36 · 10 J / g). Ciężar właściwy ciekłego SO₂ w tem-peraturze - 10 º C (263,15 K) : 1,46 g / ml, w temperaturze 20 º C (293,15 K) : 1,38 g / ml. Rozpuszczalność w wodzie : w 100 cm ³ wody przy 760 mm Hg,
w temp. O º C (273,15 K) : 7,98 l gazu; w temp. 20 º C (293,15 K) : 3,94 l gazu; w temp. 40 º C (310,15 K) : 1,88 l gazu.

Dwutlenek siarki ma dla naszego zdrowia i całego środowiska złowrogie i destrukcyjne działanie. Jest on znacznie bardziej toksyczny od tlenku węgla. Silnie oddziaływuje na śluzówki górnych dróg oddechowych i oczu. Jest stałym składnikiem dymów pożarowych.

5. DWUSIARCZEK WĘGLA

Dwusiarczek węgla, CS₂, dwuskładnikowy związek węgla z siarką, w którym węgiel występuje na + 4 stopniu utleniania. Dwusiarczek węgla CS₂ jest bezbarwną ruchliwą cieczą o temp. wrzenia 46,3 º C. Otrzymuje się go bezpośrednio z pierwiastków w syntezie prowadzonej w wysokiej temperaturze. Techniczny CS₂ odznacza się nieprzyjemnym zapachem, który zanika w miarę oczyszczania. W wodzie rozpuszcza się w niewielkim stopniu. Jest dobrym rozpuszczalnikiem dla siarki, białego fosforu i gumy. Pali się łatwo w powietrzu; ma bardzo niską temperaturę zapłonu. Jest związkiem bardzo reaktywnym, ulegającym wielu reakcjom, zwłaszcza z substancjami organicznymi. Do ważnych reakcji należy tworzenie ksantogenianów, tiowęglanów i ditiokarbaminianów. Ksantogenian celulozy służy do wyrobu jedwabiu wiskozowego. Ditiokarbaminiany cynku, manganu i żelaza stosuje się w rolnictwie jako fungicydy oraz jako przyspieszacze wulkanizacji kauczuku.

6. TLENEK WĘGLA

Tlenek węgla, CO, dwuskładnikowy związek węgla z tlenem, w którym węgiel występuje na +2 stopniu utlenienia. Jest bezbarwnym, silnie toksycznym gazem o temp. wrzenia - 191,5 º C . Słabo rozpuszcza się w wodzie. Jego budowę cząsteczkową odzwierciedla wzór | C ≡ O |. Nienasycony charakter wiązań
i wolne pary elektronowe sprawiają, że CO jest związkiem wszechstronnie
reaktywnym. W powietrzu spala się charakterystycznym niebieskawym pło-mieniem, przechodząc w CO₂. Pod wpływem wodoru ulega redukcji do me-
tanu CH₄; z zasadami tworzy mrówczany (sole kwasu mrówkowego), co
sprawia, że czasami traktowany jest jako bezwodnik kwasu mrówkowego.
W reakcji katalitycznej z wodorem tworzy metanol CH₃OH, natomiast z chlorem - fosgen COCl₂. Jest silnym reduktorem, nadzwyczaj efektywnym wobec tlenków żelaza - stąd znajduje zastosowanie w hutnictwie. Ma także właściwość występowania w roli ligandów, w połączeniach z niektórymi metalami, np. Fe(CO)₅.

Toksyczność tlenku węgla wynika z jego podatności do tworzenia trwałego wiązania z atomem żelaza w hemoglobinie krwi.

W przyrodzie tlenek węgla występuje w nieznacznych ilościach w po-
wietrzu (0,12 ppm) jako skutek nie całkowitego spalania substancji organicz-nej, m. in. w silnikach spalinowych i w dymie tytoniowym. W skali przemysłowej otrzymuje się go w wyniku działania pary wodnej na metan lub rozżarzony koks :

CH₄ + H₂O _→ CO + 3H₂

C + H₂O _→ CO + H₂

Mieszanina CO i H₂, jako tzw. gaz syntezowy, ma duże znaczenie przemysłowe - jest bowiem stosowane do produkcji metanolu CH₃OH i innych związków organicznych.

7. FOSFOR

Fosfor, P - jest drugim z kolei pierwiastkiem grupy azotowców. Wraz
z azotem zaliczamy go do niemetali. Fosfor występuje w skorupie ziemskiej
w znacznych ilościach (0,11 %) wyłącznie w postaci związków, do których należą : fosforyt Ca₃(PO₄)₂ i apatyt 3Ca₃(PO₄)₂ · CaF₂. W organizmach żywych fosfor występuje w kościach oraz w innych tkankach w postaci białek, kwasów nukleinowych i kwasów adenozynofosforowych (V)

Pierwiastkowy fosfor występuje w kilku odmianach alotropowych, z których najważniejsze to : fosfor biały i czerwony. Różnią się one znacznie właściwościami :

Fosfor	biały	czerwony
Barwa Gęstość [g · cm ^-3] Tt [º C] Tw [º C]	żółtobiała 1,82 44,15 280	brunatnoczerwona 2,20 ok. 590 415 (subl.)

Fosfor biały, nierozpuszczalny w wodzie, jest rozpuszczalny w tłuszczach i dlatego jest bardzo silnie trujący - wchłania się z przewodu pokarmowego lub przez skórę (0,1 g fosforu białego jest dawka śmiertelną).

Fosfor czerwony nie rozpuszcza się ani w wodzie, ani w tłuszczach i dlatego jest znacznie mniej trujący. Z fosforem czerwonym spotykamy się na co dzień, bowiem zmieszany z MnO₂, pyłem szklanym i gumą arabską znajduje się na bocznej powierzchni pudełek z zapałkami.

8. GAZ ZIEMNY

Gaz ziemny, kopalina składająca się głównie z metanu CH₄. Gaz ziemny towarzyszy zazwyczaj złożom ropy naftowej. Rozróżnia się gaz suchy, zawierający do 95 % metanu i gaz mokry, który poza metanem zawiera jego cięższe homologi, m. in. składniki tzw. gazu płynnego (propan-butan). Gaz ziemny jest cennym nośnikiem energii, służy jako wysokoenergetyczne paliwo (10⁶ J / m ³) do silników spalinowych i do celów opałowych. Jest także surowcem do otrzymywania gazu syntezowego, sadzy przemysłowej i szeregu innych półproduktów petrochemii. Notuje się stały wzrost światowego wydobycia gazu ziem-nego i rozbudowy gazociągów rozprowadzających ten gaz. Ma on bowiem znaczny udział w światowej produkcji energii elektrycznej (13,3 %); stwarza przy tym najmniejsze spośród wszystkich paliw kopalnych zagrożenie dla środowiska.

9. ACETYLEN

Acetylen, C₂H₂ - jest gazem bezbarwnym, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Chemicznie czysty acetylen jest prawie bezwonny, natomiast nieprzyjemny zapach technicznego acetylenu pochodzi od zanieczyszczeń (głównie fosfanu PH₃ i siarkowodoru H₂S). Acetylen spala się w powietrzu jasnym, kopcącym płomieniem. Podczas reakcji spalania acetylenu w atmosferze tlenu wytwarza się wysoka temperatura (ok. 3000 º C) i wydziela się oślepiające światło. Z tlenem, a także z powietrzem tworzy on mieszaniny wybuchowe, dlatego przy pracy z acetylenem należy zachować szczególną ostrożność. W ce††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††

††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††††o nienasycony charakter, uwarunkowany obecnością wiązań II.

Acetylen jest najprostszym węglowodorem, w którego cząsteczkach występuje wiązanie potrójne, oznaczany wzorem : H - C ≡ C - H.

10. PROPAN

Propan, węglowodór nasycony o 3 atomach węgla w cząsteczce, należący do klasy alkanów. Propan C₃H₈ jest bezbarwnym gazem o temperaturze wrzenia - 42,2 º C, słabo rozpuszczalnym w wodzie. Jest związkiem łatwo palnym, dość łatwo ulega reakcji chlorowania.

Występuje w gazie ziemnym i ropie naftowej. Może być też pozyskiwany z gazowych frakcji powstających w procesie katalitycznego krakingu..

Stosowany powszechnie jako gaz energetyczny w mieszaninie z butanem. Częściowo jest wykorzystywany do produkcji propylenu.

LITERATURA

1. Stefan Wilczkowski - „Środki gaśnicze”, SA PSP - Kraków, 1997.

2. A. Mizerski, M. Sobolewski - „Środki gaśnicze”, SGSP, Warszawa, 1997.

3. K. M. Pazdro - „Chemia nieorganiczna”, WSiP, Warszawa, 1992.

4. A. B. Zarembina, E. I. Matusewicz, J. Matusewicz - „Chemia”, Tom I i II, WsiP, Warszawa, 1997.

5. K. P. Miszczenki, A. A. Rawdiela - „Zbiór wielkości fizykochemicznych”, PWN, Warszawa, 1974.

6. A. Burewicz - „Aktualizacje encyklopedyczne” - Fizyka - Chemia, Tom 7, Wydawnictwo Kurpisz s.c., Poznań, 1997.

1

11

---