Металл горящий в присутствии воды
Фраза «горение металлов» у многих вызывает недоумение. Люди далекие от вопросов пожарной безопасности уверены, что металлы не горят. Однако это не совсем так. Некоторые металлы способны не просто гореть, но даже самовоспламеняться.
Основные опасности, которые несут в себе разные металлы:
- Алюминий – легкий электропроводный металл с довольно низкой температурой плавления (660°С), в связи с чем при пожаре может произойти разрушение алюминиевых конструкций. Но самым опасным является алюминиевый порошок, который несет в себе угрозу взрыва и может гореть.
- Кадмий и многие другие металлы под воздействием высоких температур выделяют токсичные пары. Поэтому тушение горящих металлов следует производить в защитных масках.
- Щелочные металлы (натрий, калий, литий) вступают в реакцию с водой, образуя при этом водород и количество теплоты, необходимой для его воспламенения.
- Чугун в виде порошка при воздействии высоких температур или огня может взорваться. Искры от чугуна могут спровоцировать возгорание горючих материалов, находящихся вблизи.
- Сталь, которая не считается горючим металлом, также может загореться, если она находится в порошкообразном состоянии или в виде опилок.
- Титан – прочный металл, основной элемент стальных сплавов. Плавится он при высоких температурах (2000°С) и в больших конструкциях или изделиях не горит. Но маленькие детали из титана вполне могут воспламениться.
- Магний – один из главных элементов в легких сплавах, придающий им пластичность и прочность. Гореть могут хлопья и порошок магния. Твердый магний также может воспламениться, но только если его нагреть до температуры выше 650°С.
Как видно, гореть способны в основном измельченные металлы в виде порошка, стружки, опилок. Помимо указанных опасностей, металлы могут также стать причиной травм, ожогов и увечий людей.
Тушение пожаров класса D
Горение класса D происходит на поверхности металла при очень высокой температуре и сильным искрообразованием.
Вода как огнетушащее вещество совершенно не подходит для металлических изделий и порошков, так как многие из них вступают в реакцию с ней, вследствие чего пожар может только усилиться. Также попадание воды на горящий металл может способствовать разбрызгиванию его на людей и окружающие предметы.
Песком также нельзя тушить горящие металлы. Его применение может привести к взаимодействию этих двух материалов и усилить горение.
Для тушения металлов чаще всего используют специальные сухие порошки. Причем для каждого метала необходимо подбирать свой состав.
Горение магния и сплавов на его основе подавляется посредством сухих молотых флюсов, применяемых при их плавке. Флюсы способствуют отделению очага возгорания от воздуха с помощью образующейся жидкой пленки.
Натрий, калий и их сплав тушатся огнетушителями или установками с огнетушащими порошками ПС-1 и ПС-2. Нередко для борьбы с возгоранием этих щелочных металлом используют поваренную соль, аргон и азот.
Горящий натрий можно потушить порошкообразным графитом.
Металлический литий в случае его воспламенения потушить очень непросто. Все самые распространенные огнетушащие вещества для этого не подходят (вода, углекислота, пена и т. д.).
Для устранения возгорания металлического лития были разработаны специальные порошковые смеси ПС-11, ПС-12 и ПС-13. В их основе – различные флюсы и графит с примесями.
Возгорание лития также можно подавить путем вытеснения воздуха из очага горения при помощи аргона.
Вещества, самовозгорающиеся при контакте с водой
Химическим называется самовозгорание, возникающее в результате химического взаимодействия веществ.
К этой группе материалов относятся калий, натрий, рубидий, цезий, карбид кальция и карбиды щелочных металлов, гидриды щелочных и щелочноземельных металлов, фосфиды кальция и натрия, силаны, негашеная известь, гидросулъфид натрия и др.
Щелочные металлы — калий, натрий, рубидий и цезий — взаимодействуют с водой с выделением водорода и значительного количества тепла
Выделяющийся водород самовоспламеняется и горит совместно с металлом только в том случае, если кусок металла по объему больше горошины. Взаимодействие указанных металлов с водой иногда сопровождается взрывом с разбрызгиванием расплавленного металла. Также ведут себя гидриды щелочных и щелочноземельных металлов (КН, NаН, СаН2) при взаимодействии с небольшим количеством воды
При взаимодействии карбида кальция с небольшим количеством воды выделяется столько тепла, что в присутствии воздуха образующийся ацетилен самовозгорается. При большом количестве воды этого не происходит.
Карбиды щелочных металлов (например, Nа2С2, К2С2 при соприкосновении с водой взрываются, причем металлы сгорают, а углерод выделяется в свободном состоянии
Фосфид кальция Са3Р2 при взаимодействии с водой образует фосфористый водород (фосфин)
Фосфин РН3 является горючим газом, но самовозгораться не способен. Совместно с РН3 выделяется некоторое количество жидкого Р2Н4 , который способен самовозгораться на воздухе и может быть причиной воспламенения РН3.
Силаны, т. е. соединения кремния с различными металлами, например Мg2Si, Fе2Si при действии воды выделяют водородистый кремний, самовозгорающийся на воздухе
Вещества, самовозгорающиеся при контакте с окислителями.
Многие вещества, в основном органические, при смешении или прикосновении с окислителями способны самовозгораться. К окислителям, вызывающим самовозгорание таких веществ, относятся сжатый кислород, галогены, азотная кислота, перекись натрия и бария, перманганат калия, хромовый ангидрид, двуокись свинца, селитры, хлораты, перхлораты, хлорная известь и др. Некоторые из смесей окислителей с горючими веществами способны самовозгораться только при воздействии на них серной или азотной кислот или при ударе и слабом нагревании.
Сжатый кислород вызывает самовозгорание веществ (минерального масла), которые не самовозгораются в кислороде при нормальном давлении.
Хлор, бром, фтор и иод чрезвычайно активно соединяются с некоторыми горючими веществами, причем реакция сопровождается выделением большого количества тепла и вещества самовозгораются. Так, ацетилен, водород, метан и этилен в смеси с хлором самовозгораются на свету или от света горящего магния. Если указанные газы присутствуют в момент выделения хлора из любого вещества, самовозгорание их происходит даже в темноте
Нельзя хранить галогены вместе с легко воспламеняющимися жидкостями. Известно, что скипидар, распределенный в каком-либо пористом веществе (в бумаге, ткани, вате), самовозгорается в хлоре. Пары диэтилового эфира могут также самовозгораться в атмосфере хлора
Красный фосфор моментально самовозгорается при соприкосновении с хлором или бромом.
Смесь четыреххлористого углерода СС14 или четырехбромистого углерода со щелочными металлами при нагревании до 70 °С взрывается.
Азотная кислота, разлагаясь, выделяет кислород, поэтому является сильным окислителем, способным вызвать самовозгорание ряда веществ.
При соприкосновении с азотной кислотой самовозгораются скипидар и этиловый спирт.
Растительные материалы (солома, лен, хлопок, древесные опилки и стружки) самовозгораются, если на них попадет концентрированная азотная кислота.
При соприкосновении с перекисью натрия способны самовозгораться следующие горючие и легковоспламеняющиеся жидкости: метиловый, этиловый, пропиловый, бутиловый, изоамиловый и бензиловый спирты, этиленгликоль, диэтиловый эфир, анилин, скипидар и уксусная кислота. Некоторые жидкости самовозгорались с перекисью натрия после введения в них небольшого количества воды. Так ведут себя уксусноэтиловый эфир
(этилацетат), ацетон, глицерин и изобутиловый спирт. Началом реакции служит взаимодействие воды с перекисью натрия и выделение при этом атомарного кислорода и тепла
Атомарный кислород в момент выделения окисляет горючую жидкость, и она самовозгорается. Порошок алюминия, опилки, уголь, сера и другие вещества в смеси с перекисью натрия моментально самовозгораются от попадания на них капли воды.
Сильным окислителем является перманганат калия КМпО4. Его смеси с твердыми горючими веществами крайне опасны. Они самовозгораются от действия концентрированных серной и азотной кислот, а также от удара и трения. Глицерин С3Н5(ОН)3 и этиленгликоль С2Н4(ОН)2 самовозгораются в смеси с перманганатом калия через несколько секунд после смешения.
Сильным окислителем является также хромовый ангидрид. При попадании на хромовый ангидрид самовозгораются следующие жидкости: метиловый, этиловый, бутиловый, изобутиловый и изоамиловый спирты; уксусный, масляный, бензойный, пропионовый альдегиды и паральдегид; диэтиловый эфир, этил ацетат, амилацетат, метилдиоксан, диметилдиоксан; уксусная, пеларгоновая, нитрилакриловая кислоты, ацетон.
Смеси селитр, хлоратов, перхлоратов способны самовозгораться при действии на них серной, а иногда азотной кислоты. Причиной самовозгорания является выделение кислорода под действием кислот.
При действии серной кислоты на бертолетову соль происходит следующая реакция:
Хлорноватая кислота малоустойчива и при образовании распадается с выделением кислорода
Вещества, воспламеняющиеся и вызывающие горение при воздействии на них воды
Среди огромного множества химических соединений есть большая группа веществ, способных воспламеняться (взрываться) и гореть при взаимодействии с кислородом воздуха, водой и другими веществами. Обычно считают склонными к химическому самовозгоранию вещества и материалы с температурой самонагревания ниже 50 °С.
К ним относятся:
• Карбиды и гидриды щелочных металлов.
• Порошкообразные металлы - цинк, алюминий, железо, никель, кобальт, титан, цирконий
• Сульфиды металлов - серный колчедан или пирит FeS2.
Так, например, гидриды щелочных металлов - натрия, калия, рубидия и цезия интенсивно взаимодействуют с влагой воздуха по реакции: МеН + Н20 » МеОН + Н2Т.
Среди сульфидов металлов серный колчедан или пирит FeS2 является компонентом ископаемых углей и руд черных и цветных металлов. Другие сульфиды железа - FeS и Fe2S3 - образуются в технологических аппаратах, трубопроводах и резервуарах, где перерабатываются, транспортируются и хранятся серосодержащие вещества (высокосернистые нефти и нефтепродукты, сероводородсодержащие газы и др.). При температурах до 200 °С органическая сера гидролизуется с выделением сероводорода, который реагирует с продуктами коррозии железа с образованием сульфида: 2Fe(OH)2 + 3H2S -> Fe2S3 + 6Н20.
При температуре выше 200 °С органическая сера способна выделяться в чистом виде и вступать с железом в реакцию: Fe+S -> FeS + 100 кДж.
Сульфиды железа легко самовозгораются на воздухе, что является довольно частой причиной пожаров и взрывов в горнодобывающей и перерабатывающей промышленности, а также на транспорте. Сульфиды многих других металлов также склонны к самонагреванию и самовозгоранию, особенно в измельченном состоянии и при соприкосновении с влажным воздухом.
• Гидриды и карбиды щелочных и щелочноземельных металлов.
• Металлоорганические соединения и др.
Щелочные металлы реагируют с водой с выделением водорода и большого количества теплоты по общей схеме: 2Ме + 2Н20 -» 2МеОН + Н2Т + Q.
Многие металлоорганические соединения чрезвычайно чувствительны к кислороду - производные щелочных и щелочноземельных металлов, некоторых элементов 3 и 5 групп периодической системы. Низшие их алкильные производные (метилаты, этилаты и другие) самовоспламеняются на воздухе. Производные щелочных и щелочно-земельных металлов (Be, Mo, Zn, Cd, Ga, In) бурно реагируют с водой, причем многие из них с самовоспламенением выделяющегося углеводорода.
Помимо упомянутых имеется большая группа пожароопасных веществ, энергично взаимодействующих с водой с выделением самовоспламеняющихся на воздухе газов. Например, силициды металлов (Mg2Si, Fe2Si и т.д.) разлагаются водой с образованием силана, который самовозгорается на воздухе:
Некоторые неорганические соединения сильно разогреваются при взаимодействии с водой, как, например оксид кальция СаО (негашеная известь). При попадании небольшого количества воды на негашеную известь она разогревается до яркого свечения и может поджечь соприкасающиеся с ней горючие материалы.
Время работы: с 10:00 до 21:00,
Выходной день: вторник
«Ретро-кафе»: в дни работы Планетария с 10:00 до 20:00.
Элементы: магний – металл, способный гореть в воде
Город Эпсом в Великобритании стал знаменит после того, как в1695 году английский врач Неемия Грю (Nehemiah Grew) выделил из вод минерального источника, расположенного в этом городе, горькую соль (представляющую собой порошок белого цвета), обладающую слабительным действием. Аптекари быстро нашли ей применение, назвав эпсомской солью. Позже, когда это сильное слабительное стало распространяться по аптекам многих стран, его стали называть английской солью. Производство английской соли положило начало открытию элемента магния, растянувшемуся на более чем столетний период, так как в основе этого лекарства лежит минерал эпсомит, содержащий магний с формулой MgSO4 · 7H2O.
Кристаллы эпсомита MgSO4 · 7H2O, 7х4х3 см. Месторождение Тibi-Mina, Испания.
Похожий (только внешне!) светлый порошок получался и при прокаливании минерала, найденного в окрестностях греческого города Магнезия. Позже выяснится, что это оксид магния, минерал периклаз с формулой MgO.
Периклаз MgO, 6х5х3 см, карьер Crestmore, Калифорния (США).
Этот порошок стали называть «белая магнезия». За внешнее сходство эпсомскую (английскую) соль также нарекли «белая магнезия», что приводило к некоторой путанице, так как исходные вещества, хоть и содержат магний, но разные по составу. В 1808 году английский химик Гемфри Дэви с помощью электролиза увлажнённой смеси белой магнезии и оксида ртути получил сплав ртути и тогда ещё неизвестного металла, которому дал латинское название magnesium. Этот термин позже и стал международным символом элемента №12. В России с тех пор утвердилось название «магний». И только в 1829 году французский химик Антуан Бюсси получил чистый магний.
Итак, магний (символ Mg) – легкий металл (в 5 раз легче меди) серебристо-серого цвета. Плавится при температуре 651°C, но в обычных условиях расплавить его трудно, так как нагретый на воздухе до 550°C он вспыхивает и мгновенно сгорает ослепительно ярким пламенем. Способность магния гореть как в воде, так и в атмосфере углекислого газа существенно усложняет тушение пожаров, при которых горят конструкции из магния или его сплавов.
Кристаллы чистого магния
Магний стоит на восьмом месте по распространённости в земной коре. Его среднее содержание (кларк) составляет 19,5 кг/т. Он входит в состав более 100 минералов. Основными рудными минералами являются: брусит Mg(OH)2 (44,12%); магнезит MgCO3 (28,7%); бишофит MgCl2 • 6H2O (11,9%).
Россия и Китай - две страны с самыми большими запасами магниевых руд. По состоянию на 2015 год Россия обладала запасами в размере 650 млн. тонн, а Китай - 500 млн. тонн. Более половины производимого в мире магния используется в сплавах с алюминием, которые ценятся за их прочность и легкость и широко используются в автомобильных деталях. По некоторым оценкам в ближайшие десять лет спрос на магний будет устойчиво расти.
Лед и в пламя: «горящий» в холодной воде металл обогреет Арктику
Российские ученые предложили безопасный и экологичный метод добычи тепла и энергии в условиях Арктики. Физики выяснили, что при окислении порошка магния и алюминия в смеси ледяной воды и особого солевого раствора выделяется водород. Этот элемент можно сжигать, получая огромное количество энергии для обогрева помещений или выработки электричества.
Холодное тепло
Одна из главных проблем арктического региона — тепло- и электроснабжение. Чаще всего для добычи электроэнергии здесь используют дизельное топливо, однако это крайне негативно влияет на экологию региона.
Ученые из Объединенного института высоких температур (ОИВТ) РАН предлагают использовать в качестве арктического топлива химически активные элементы — магний и алюминий. Ранее их реакционные свойства при низких температурах практически не исследовали. Физики впервые изучили возможности окисления данных металлов в водных растворах при низких температурах, которые держатся в Арктической зоне России минимум полгода.
Чтобы вода не замерзала, в нее добавляли различные соли — хлориды натрия, калия, магния, кальция, алюминия и другие. Чем больше концентрация соли, тем меньше температура замерзания водного раствора. При химической реакции окисления магния и алюминия в таком растворе выделяется тепло и образовывается водород. При исследованиях самая низкая полученная температура водного раствора составила минус 40°C. Снижать ее больше не имело смысла, так как дальнейший процесс уменьшил бы скорость реакции окисления. Следовательно, магний стал бы отдавать энергию крайне долго.
— Металлы запасают в себе энергию, по удельным характеристикам сопоставимую с традиционным углеводородным топливом, — пояснил заведующий лабораторией энергоаккумулирующих веществ ОИВТ РАН Михаил Власкин. — Но при сжигании металлов в атмосферу не попадают вредные выбросы и парниковые газы. Ведь продукт окисления — оксид металла, твердое вещество, которое не представляет вреда здоровью человека. Оно может быть возвращено обратно в цикл производства или использовано на месте в качестве строительного материала или в других более высокотехнологичных приложениях.
В ходе экспериментов ученые определили наиболее перспективные с точки зрения энергоэффективности композиции. Оказалось, что быстрее всего порошок магния окисляется в водных солевых растворах магния и алюминия. Ускорить реакцию помогло добавление к магнию таких металлов, как никель и галлий.
Просто добавь воды
Выделяющийся в ходе реакции водород используют для получения тепла или электроэнергии. Причем продукт сжигания водорода — вода без выделения каких-либо газов, то есть вредных выбросов в атмосферу нет.
Таким образом, для создания экологически безопасных систем тепло- и электроснабжения на севере достаточно будет порошка магния или алюминия, солевого раствора и устройства, преобразующего энергию водорода. Доставить эти материалы в отдаленные регионы проще, чем жидкое топливо.
— Это классическая химическая реакция: когда металл растворяется (реагирует с водой), выделяется водород, — напомнил заведующий лабораторией литий-ионных источников тока МФТИ Дмитрий Семененко. — Ее широко используют на практике, например в качестве способа хранения водорода для топливных элементов (устройство, вырабатывающее постоянный ток путем химической реакции, в данном случае с водородом. — «Известия»). Но для выделения водорода обычно используют сложные сплавы — чистые металлы не реагируют с водой, потому что у них есть поверхностный оксидный слой. В данном случае разработчики добились результата довольно простым способом, понизив температуру и добавив в раствор соли особого состава для ускорения реакции. В подобных условиях процесс взаимодействия магния и алюминия с водой проходит эффективно. Это сравнительно простой и дешевый способ получения водорода. Данная технология вполне может стать востребованной в удаленных регионах страны.
По словам эксперта, сейчас в Арктической зоне всё чаще используют cистемы с возобновляемыми источниками энергии. Ведь в условиях сурового севера завозное топливо часто бывает недоступно.
— Думаю, данная разработка позволяет создать недорогой и эффективный способ получения электроэнергии, — подчеркнул Дмитрий Семененко.
По словам доцента кафедры теоретических основ теплотехники им. М.П. Вукаловича НИУ «МЭИ» Кирилла Кузнецова, достоинством метода является то, что он не требует повышенных температур. Его применение может быть актуальным в холодных и труднодоступных районах России. Правда, следует учесть, что получение алюминия и магния тоже требует затрат электроэнергии. В итоге, как подчеркнул эксперт, эти затраты могут перевесить пользу от использования экологически чистого водорода. Однако работа, по его мнению, несомненно вносит вклад в развитие нового направления в энергетике.
В дальнейшем ученые планируют создать двигатель для производства электрической энергии или тяги на основе принципов окисления металла при минусовых температурах.
Читайте также: