Ацетилен представляет собой углеводород ненасыщенного ряда С п Н 2n-2 . Его химическая формула С 2 Н 2 , структурная формула Н-С=С-Н. При атмосферном давлении и нормальной температуре ацетилен - бесцветный газ. Технический ацетилен вследствие присутствия в нем примесей, например фосфористого водорода и сероводорода, имеет резкий специфический запах. При 20°С и 760 мм рт. ст. плотность ацетилена р = 1,091 кг/м 3 . Физические константы ацетилена следующие:
При атмосферном давлении ацетилен сжижается при температуре -82,4...-83,6°С. При температуре -85°С и ниже ацетилен переходит в твердое состояние, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м 3 . Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора.
Полное сгорание ацетилена происходит по реакции
С 2 Н 2 +2,5О 2 =2СО 2 +Н 2 О+Q (1)
Из уравнения реакции (1) следует, что для полного сгорания одного объема ацетилена требуется 2,5 объема кислорода. Высшая теплотворная способность ацетилена при 0°С и 760 мм рт. ст.
равна Qв=58 660 кДж/м 3 (14 000 ккал/м3), низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Qн=55 890 кДж/м 3 (13 500 ккал/м 3).
Теплота реакции (1) сгорания ацетилена С} слагается из теплоты реакции экзотермического распада ацетилена и суммы теплот первичных реакций сгорания углерода и водорода. Экзотермический распад ацетилена происходит по реакции
Теплота распада Q о =225,8 кДж/моль (53,9 ккал/г-мол) или Q о =225,8*100/26,036=8686 кДж/кг (2070 ккал/кг).
Теплота сгорания С в СО 2 равна 395,7 кДж/моль (94,45 ккал/г-мол), Н 2 в Н 2 О равна 290,4 кДж/моль (68,35 ккал/г-мол). Тогда для теплоты реакции сгорания ацетилена по уравнению (1) получаем 225,8+2-395,7+290,4=1307 кДж/моль (311,15 ккал/г-мол) или Q=1307,6*1000/26,036=50000 кДж, или 50 000*1,17=58 500 кДж/м 3 (14 000 ккал/м 3);
здесь 1,17 кг/м 3 - плотность ацетилена при 0°С и 760 мм рт. ст.
Ацетилен широко используют в химической промышленности в качестве основного исходного вещества для получения ряда важнейших продуктов органического синтеза: синтетического каучука, пластмасс, растворителей, уксусной кислоты и т. п.
Ацетилен - универсальное и самое распространенное горючее, используемое в процессах газопламенной обработки. При сгорании с кислородом он дает пламя с наиболее высокой температурой, равной 3150°С. Достигнуть столь высокой температуры пламени при использовании других горючих не удается.
При использовании ацетилена необходимо учитывать его взрывные свойства, для того чтобы обеспечить полную безопасность работ. Следует всегда иметь в виду, что ацетилен (как и водород) относится к наиболее взрывоопасным газам.
Температура самовоспламенения ацетилена находится в пределах 240-630°С и зависит от давления и присутствия в нем различных веществ:
Повышение давления существенно снижает температуру самовоспламенения ацетилена. Присутствие в ацетилене частиц других веществ увеличивает поверхность контакта и тем понижает температуру самовоспламенения.
Практически в зависимости от давления допустимо нагревание ацетилена до следующих температур: при абсолютном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см 2) - до 300°С, при абсолютном давлении 0,25 МПа (2,5 кгс/см 2) - до 150-180°С, при более высоких давлениях - до 100°С.
Один из важных показателей взрывоопасности горючих газов и паров - величина энергии зажигания. Чем ниже эта величина, тем взрывоопаснее данное вещество. Значения энергии зажигания для газовых смесей стехиометрического состава при атмосферном давлении и 20°С приведены в табл. 1.
Как видно из этих данных, энергия зажигания кислородно-газовых смесей примерно в 100 раз меньше, чем воздушно-газовых. Ацетилен имеет наименьшую энергию зажигания и в отношении взрывоопасности подобен водороду.
Основной способ получения ацетилена основан на реакции взаимодействия карбида кальция с водой. Карбид кальция СаС 2 - твердое вещество кристаллического строения, имеющее в изломе темносерый или коричневый цвет. Плотность химически чистого СаС 2 при температуре 18°С равна 2,22 г/см 3 .
Реакция образования карбида кальция из окиси кальция и углерода является эндотермической и протекает при температуре 1900-2300°С по уравнению
CaO+3C=CaC 2 +CO-452,5 кДж/моль (108 ккал/г-мол)
56,08+36,03=64,1+28,01. (3)
Согласно уравнению для образования 1 кг СаС 2 расходуется 56,08/64,1=0,875 кг СаО и 36,03/64.1=0,562 кг С.
Для получения 1 кг СаС 2 требуется теоретически затратить теплоты 452,5*1000/64,1=7060 кДж/кг (1685 ккал/кг).
Технический карбид кальция содержит 70-75% химически чистого СаС 2 , 17-24% СаО и различные примеси: окислы магния, алюминия, железа, соединения серы, фосфора, ферросилиций, углерод и др.
Карбид кальция чрезвычайно активно вступает во взаимодействие с водой, разлагаясь при этом с образованием газообразного ацетилена и гидрата окиси кальция (гашеной извести). Разложение карбида кальция водой протекает экзотермически: СаС 2 +2Н 2 О=С 2 Н 2 +Са(ОН) 2 +127,4 кДж/моль (30,4 ккал/г-мол)
64,1+36,032=26,036+74,096. (4)
Следовательно, для разложения 1 кг химически чистого СаС 2 требуется затратить 0,562 кг воды. При этом получается 26,036/64,1=0,406 кг С 2 Н 2 и 74,096/64,1=1,156 кг Са(ОН) 2 . Плотность ацетилена при 20°С и 760 мм рт. ст. равна 1,09 кг/м 3 ; следовательно, количество ацетилена (выход ацетилена), получаемое пои разложении 1 кг СаС 2 , равно а m =0,406*103/64,1=372,5 дм 3 /кг.
С учетом паров, насыщающих ацетилен при 20°С и 760 мм рт. ст. выход ацетилена аm = 380,88 дм 3 /кг. Количество теплоты, выделяющейся при разложении 1 кг СаС 2 , 127,4*103/64,1=1980 кДж/кг (475 ккал/кг).
Содержащаяся в качестве примеси в техническом карбиде негашеная известь СаО при взаимодействии с водой также разлагается по реакции СаО+Н 2 О=Са(ОН) 2 +63 кДж/моль (15,1 ккал/г-мол) или 63*103/56,08=1130 кДж/кг СаО (270 ккал/кг СаО). (5)
Принимая содержание чистого СаС 2 в техническом СаС 2 равным 70% и содержание в нем СаО равным 24%, получим тепловой эффект реакции разложения технического карбида кальция: (1980*0,7)/(1130*0,24)=1651 кДж/кг (400 ккал/кг).
Экзотермичность реакции разложения карбида кальция создает опасность перегрева в зоне реакции. В связи с этим необходимо осуществлять ее при избытке воды и обеспечивать отвод теплоты реакции. Особенно опасны местные перегревы карбида кальция, так как при этом температура в месте его разложения может достигать 700-800°С. При такой температуре возможна полимеризация, разложение и взрыв ацетилена, особенно при попадании воздуха в зону реакции. Поэтому необходимо в месте разложения карбида кальция поддерживать
температуру не выше 150°С, при которой еще не могут возникать процессы полимеризации ацетилена. При температуре 200°С и выше может происходить разложение карбида кальция за счет отнятия влаги от гашеной извести по реакции
СаС 2 +Са(ОН) 2 -С 2 Н 2 +2СаО.
Эта реакция протекает при недостатке влаги, поэтому может произойти сильный перегрев карбида кальция, куски которого будут покрыты плотной коркой гашеной извести. Непрерывное
удаление с кусков карбида кальция слоя образующейся гашеной извести имеет важное значение для полноты разложения карбида кальция и безопасности этого процесса.
Количество ацетилена в литрах (при 20°С и 760 мм рт. ст.), выделяемое при разложении 1 кг карбида кальция, называется выходом ацетилена из карбида кальция
. В ГОСТ 1460-56 установлены следующие нормы выхода ацетилена в зависимости от размеров кусков (грануляции) карбида кальция (табл. 2).
С уменьшением размеров частиц карбида кальция выход ацетилена понижается, что объясняется большим содержанием в мелком карбиде посторонних примесей (СаО и др.).
Скорость разложения карбида кальция - важный показатель для его использования в ацетиленовых генераторах - измеряется количеством ацетилена, выделившимся за время разложения 1 кг карбида кальция в течение 1 мин. Скорость разложения (л/кг-мин) зависит от сорта и грануляции карбида кальция, а также от температуры воды. Как видно на рис. 6, наибольшая скорость разложения достигается в первые 2-4 мин после смачивания карбида кальция.
Поскольку карбид кальция жадно поглощает атмосферную влагу и при этом разлагается с выделением ацетилена, его хранят и транспортируют в герметически закрытой таре: барабанах из кровельной стали или контейнерах, герметически закрывающихся крышкой, из листовой низкоуглеродистой стали. Барабаны с карбидом кальция необходимо хранить в сухих, хорошо проветриваемых складах, защищенных от затопления грунтовыми водами.
Способ получения ацетилена из карбида кальция довольно громоздкий, дорогой и требующий затрат большого количества электроэнергии. За последние годы разработаны и быстро внедряются в промышленность более экономичные и высокопроизводительные способы получения ацетилена: из природного газа термоокислительным пиролизом метана в смеси с кислородом (так называемый пиролизный ацетилен) и разложением жидких горючих (нефти, керосина) действием электродугового разряда (так называемый электропиролиз). Получение ацетилена из природного газа на 30-40% дешевле, чем из карбида кальция. Этот ацетилен по своим свойствам не отличается от ацетилена, получаемого из карбида кальция. Пиролизный ацетилен, используемый для сварки и резки, накачивают в баллоны с пористой массой, пропитанной ацетоном.
Хранение и транспортировка ацетилена осуществляются под давлением в баллонах, заполненных специальной пористой массой, пропитанной ацетоном - хорошим растворителем ацетилена, что позволяет существенно увеличить количество ацетилена, накачиваемого в баллон. Кроме того, ацетон снижает взрывоопасность ацетилена. Ацетон удерживается в порах массы и распределяется по всему объему баллона, это увеличивает поверхность его контакта с ацетиленом при растворении и выделении из раствора.
Ацетилен, отпускаемый потребителям в баллонах, называется растворенным ацетиленом (ГОСТ 5457-60). Максимальное давление ацетилена при заполнении баллона составляет 2,5 МПа (25 кгс/см 2), при отстое и охлаждении баллона до 20°С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см 2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5-5,8 кг ацетилена по массе (4,6-5,3 м 3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).
Количество ацетилена в баллоне определяют следующим способом: наполненный баллон взвешивают с точностью до 0,1 кг и выдерживают при температуре не ниже 15°С в течение 8 ч, после чего отбирают ацетилен со скоростью не более 0,8 м 3 /ч. Остаточное давление в баллоне после отбора должно быть не менее 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2). После окончания отбора газа баллон вновь взвешивают. Разность между массой наполненного баллона и массой баллона после отбора из него газа представляет собой массу содержавшегося в нем ацетилена.
Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом:
Ацетон (СН 3 СОСН 3) - растворитель, имеющий температуру кипения при атмосферном давлении 56,2°С, температуру замерзания 178,7°К (-94,3°С). При абсолютном давлении 0,1 МПа (1 кгс/см 2) и 20°С в 1 кг ацетона растворяется 27,9 кг ацетилена или в 1 л ацетона растворяется 20 л ацетилена. Растворимость ацетилена возрастает в ацетоне примерно прямо пропорционально давлению. С понижением температуры растворимость ацетилена в ацетоне растет.
Для более полного использования емкости баллона порожние ацетиленовые баллоны следует хранить в горизонтальном положении, что способствует равномерному распределению ацетона по всему объему баллона. Наполнять баллоны ацетиленом необходимо медленно (с учетом скорости растворения его в ацетоне) в два приема: сначала в течение 6-9 ч до давления 2,2-2,3 МПа (22-23 кгс/см 2), затем после отстаивания вторично до давления 2,3-2,5 МПа (23-25 кгс/см 2), так, чтобы после охлаждения до температуры 20°С давление в них составило 1,9 МПа (19 кгс/см 2) согласно ГОСТ 5457-60. Для ускорения накачки баллонов иногда их снаружи охлаждают водой, что повышает коэффициент растворимости ацетилена в ацетоне.
При расходовании газа из баллона ацетилен уносит часть ацетона в виде паров. Для уменьшения потерь ацетона отбор ацетилена из баллона следует производить со скоростью не более 1700 дм 3 /ч, соединяя в случае необходимости несколько баллонов в батарею. По этой же причине нельзя отбирать газ из баллона, в котором давление менее 0,05 МПа (0,5 кгс/см 2) при температуре ниже 0°С, менее 0,1 МПа (1 кгс/см 2) при температуре 0-15°С, менее 0,2 МПа (2 кгс/см 2) при температуре 15-25° С, менее 0,3 МПа (3 кгс/см 2) при температуре 25-35°С. Периодически в баллон добавляют ацетон (ацетонируют баллоны) для возмещения потерь растворителя.
При производстве газопламенных работ и децентрализованном потреблении ацетилена растворенный ацетилен имеет ряд существенных преимуществ перед ацетиленом, получаемым из карбида кальция в переносных генераторах непосредственно на месте работ. При использовании ацетиленовых баллонов взамен переносных генераторов производительность труда сварщика повышается на 20%, на 15-25% снижаются потери ацетилена, повышается оперативность и маневренность сварочного поста, удобство работы, безопасность, облегчается использование генераторов в зимнее время. Кроме того, растворенный ацетилен - высококачественное горючее, содержащее минимальные количества посторонних примесей, поэтому его можно применять при выполнении особо ответственных сварочных работ.
Применение растворенного ацетилена в технике газопламенной обработки неуклонно расширяется из года в год, вытесняя использование передвижных ацетиленовых генераторов.
Пористые массы для ацетиленовых баллонов должны удовлетворять следующим требованиям: надежно локализовать взрывной распад ацетилена в баллоне при давлении до 3 МПа (30 кгс/см 2); не взаимодействовать с ацетиленом, ацетоном и металлом баллона; обладать достаточной механической прочностью и не разрушаться при толчках и ударах, неизбежных в процессе эксплуатации баллона, не оседать и не образовывать пустот в баллоне; масса должна быть легкой и пористой, чтобы не уменьшать полезного объема и не увеличивать веса тары баллона; не должна выгорать и осмоляться при обратном ударе пламени; должна обеспечивать равномерное распределение ацетона по всему объему баллона и предотвращать
стекание раствора на дно баллона; обеспечивать быстрое выделение ацетилена из раствора для возможности отбора газа без сильного охлаждения баллона.
В качестве пористых масс применяют такие высокопористые вещества, как: инфузорную землю, (кизельгур, диатомит), пемзу, асбест, древесный и активированный уголь, силикат кальция, углекислый магний и др. Наибольшее применение имеют зернистые трамбованные массы и монолитные.
Чтобы понять, где применяется ацетилен, необходимо изучить и понять, что же это такое. Данное вещество представляет собой горючий бесцветный газ. Его химическая формула - С 2 Н 2 . Газ обладает атомной массой, равной 26,04. Он немного легче воздуха и обладает резким запахом. Получение и применение ацетилена осуществляется лишь в промышленных условиях. Получают данное вещество из путем разложения компонента в воде.
Чем опасен ацетилен
Ограничено его необычайными свойствами. самовоспламеняется. Происходит это при температуре 335°С, а его смесь с кислородом - при температуре от 297 до 306°С, с воздухом - при температуре от 305 до 470°С.
Стоит отметить, что ацетилен технический взрывоопасен. Это было происходит при:
- Повышении температуры до 450-500°С, а также при давлении в 150-200 кПа, что равно 1,5-2 атмосферам.
- Смесь ацетилена и кислорода при атмосферном давлении также опасна, если ацетилена в ней содержится 2,3-93%. Взрыв может произойти от сильного нагрева, открытого пламени и даже от искры.
- При подобных же условиях происходит взрыв смеси воздуха с ацетиленом, если в ней содержится 2,2-80,7 % ацетилена.
- Если газ долго соприкасается с медным или серебряным предметом, то может образоваться ацетиленистое взрывчатое серебро или же медь. Это вещество очень опасно. Взрыв может произойти от сильного удара или же в результате повышения температуры. Работать с газом следует осторожно.
Особенности вещества
Ацетилен, свойства и применение которого до конца не изучены, в результате взрыва может привести к несчастному случаю и сильнейшим разрушениям. Вот некоторые данные. При взрыве одного килограмма данного вещества выделяется в 2 раз больше тепловой энергии, чем при взрыве такого же количества тротила, а также в полтора раза больше, чем при взрыве одного килограмма нитроглицерина.
Области применения ацетилена
Ацетилен - это горючий газ, который используется при газовой сварке. Нередко его используют для кислородной резки. Стоит отметить, что температура горения смеси кислорода и ацетилена может достигать 3300°С. Благодаря этому свойству вещество чаще других используется при сварке. Ацетиленом обычно заменяют и пропан-бутан. Вещество обеспечивает производительность и высокое качество сварки.
Снабжение постов газом для резки и сварки может осуществляться от или же от баллонов с ацетиленом. Для хранения данного вещества обычно используют емкости белого цвета. Как правило, на них присутствует надпись «Ацетилен», нанесенная красной краской. Стоит учесть, что существует ГОСТ 5457-75. Согласно данному документу для обработки металлов применяется технический растворенный ацетилен марки Б или же вещество в газообразном виде.
Сварка ацетиленом: проверка
Технология сварки данным газом достаточно проста. Однако при работе с веществом требуется терпение и внимательность. Для сварки обычно используют специальные горелки, с маркировкой 0-5. Ее выбор зависит от того, какой толщиной обладают свариваемые детали. Следует учесть, что чем больше размер горелки, тем больше расход.
Сварка ацетиленом осуществляется только после того, как оборудование будет проверено и отрегулировано. При этом следует обратить внимание на номер наконечника и номер подающей газ форсунки, которая располагается около рукоятки горелки под гайкой. Также следует проверить все уплотнения.
Процесс сварки
Применение ацетилена при сварке должно осуществляться аккуратно и в соответствии с определенными правилами. Для начала горелку следует продуть газом. Это нужно делать до тех пор, пока не появится запах ацетилена. После этого газ поджигается. При этом следует добавлять кислород, пока пламя не станет более устойчивым. Из редуктора на выходе давление ацетилена должно быть от 2 до 4 атмосфер, а кислорода - от 2 атмосфер.
Для сварки черных металлов требуется нейтральное пламя. Оно обладает четко очерченной короной и условно его можно разделить на три яркие части: ядро - ярко-голубой окрас с зеленоватым отливом, восстановленное пламя - бледно-голубого оттенка, факел пламени. Последние две зоны являются рабочими.
Перед началом работы все детали нужно очистить, а затем подогнать друг к другу. При работе с горелкой также применяют левый и правый способ. В последнем случае происходит медленное остывание шва. Присадочный материал, как правило, перемещается за горелкой. При левом способе повышается эластичность и прочность шва. В данном случае пламя направляется от места сварки. Присадочный материал следует вносить в сварочную ванну только после того, как переместится на следующую позицию горелка.
Правила безопасности
Применение ацетилена без навыков и опыта запрещено. Существует несколько правил, которые следует соблюдать при работе с веществом:
Что делать, если возник пожар
Неправильное применение ацетилена может привести к печальным последствиям. Этот и приносит сильное разрушение. Что же делать, если возник пожар?
- При возникновении пожара следует незамедлительно убрать из опасной зоны все емкости, наполненные ацетиленом. Те баллоны, которые остались, следует постоянно охлаждать обычной водой или же специальным составом. Емкости должны полностью остыть.
- Если воспламенился газ, который выходит из баллона, то следует незамедлительно закрыть емкость. Для этого следует использовать неискрящийся ключ. После этого емкость необходимо остудить.
- При сильном возгорании тушение огня следует осуществлять только с безопасного расстояния. В такой ситуации стоит использовать огнетушители, наполненные составом, содержащим флегматизирующую концентрацию азота 70 % по объему, также 75 % по объему, песок, струи воды, сжатый азот, полотно асбестовое и так далее.
|
Ацетилен C2H2 получают из карбида кальция в стационарных генераторах. Технический растворенный ацетилен марки А предназначается для питания осветительных установок; технический растворенный ацетилен марки Б и технический газообразный ацетилен предназначаются для использования в качестве горючего газа при газопламенной обработке металлов. Растворенный ацетилен представляет собой находящийся под давлением в баллоне раствор ацетилена в ацетоне, равномерно распределенный в пористой массе. Газообразный ацетилен – бесцветный газ плотностью 1,173 кг/м³ при 0 °С и 101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Ацетилен – взрывоопасный газ. С воздухом образует взрывоопасную смесь. Температура самовоспламенения ацетилена 335 °С. |
Технические характеристики
Физические свойства
Стабильность и химическая активность
Температура воспламенения, °С
Пределы воспламенения, объемные доли, % газа
Опасность для человека
Требования к составу
| Наименование показателя | Норма для растворенного ацетилена | ||
| марки А | марки Б | ||
| высшей категории качества | высшей категории качества | первой категории качества | |
| первого сорта | второго сорта | ||
| Объемная доля ацетилена, %, не менее | 99,5 | 99,1 | 98,8 |
| Объемная доля воздуха и других малорастворимых в воде газов, %, не более | 0,5 | 0,8 | 1,0 |
| Объемная доля фосфористого водорода, %, не более | 0,005 | 0,02 | 0,05 |
| Объемная доля сероводорода, %, не более | 0,002 | 0,005 | 0,05 |
| Массовая концентрация водяных паров при температуре 20 °С и давлении 101,3 кПа (760 мм рт. ст), г/м³, не более | 0,4 | 0,5 | 0,6 |
| что соответствует температуре насыщения, °С, не выше | -26 | -24 | -22 |
Техническим растворенным ацетиленом наполняют стальные баллоны для растворенного ацетилена с пористой массой (активированным углем или литой пористой массой) и ацетоном.
Баллоны окрашены в белый цвет и оснащены вентилями специальных типов, предназначенными для ацетиленовых баллонов.
Транспортная маркировка - по ГОСТ 14192-77 с нанесением манипуляционного знака «БОИТСЯ нагрева» и знаков опасности по ГОСТ 19433-81 для класса 2, подкласса 2.3; классификационный шифр группы 2314.
Транспортная маркировка должна быть нанесена на ящики с наполненными баллонами.
При повагонной отправке наполненных баллонов железнодорожным транспортом ярлык с транспортной маркировкой должен быть укреплен не менее чем на четырех баллонах у дверей вагона. При одиночных отправках маркировочный ярлык укрепляют на каждом баллоне.
Транспортную маркировку разрешается не наносить при перевозке наполненных баллонов автомобильным транспортом.
Растворенный ацетилен в баллонах перевозят всеми видами транспорта в соответствии с правилами перевозки опасных грузов, действующими на данном виде транспорта, и правилами устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением, утвержденными Госгортехнадзором РФ.
По железной дороге баллоны, наполненные растворенным ацетиленом, транспортируют повагонными и мелкими отправками в крытых вагонах. При транспортировании мелкими отправками колпаки баллонов должны быть опломбированы.
Для механизации погрузочно-разгрузочных работ и укрупнения перевозок автомобильным транспортом баллоны среднего объема помещают в металлические специальные контейнеры.
Транспортирование баллонов речным транспортом производится в контейнерах.
При транспортировании баллонов малого объема всеми видами транспорта они должны быть дополнительно упакованы в дощатые решетчатые ящики типа VII по ГОСТ 2991-76. Баллоны должны укладываться в ящики горизонтально, вентилями в одну сторону с обязательными прокладками между баллонами, предохраняющими их от ударов друг о друга.
Ящики в количестве двух и более грузовых мест подлежат укрупнению в транспортные пакеты по ГОСТ 21929-76 с основными параметрами и размерами по ГОСТ 24597-81 с использованием средств скрепления по ГОСТ 21650-76 и поддонов по ГОСТ 9078-84.
ОПРЕДЕЛЕНИЕ
Ацетилен (этин) - газ без цвета и запаха, обладает слабым наркотическим действием (строение молекулы показано на рис. 1).
Мало растворим в воде и очень хорошо в ацетоне. В виде ацетонового раствора его хранят в стальных баллонах, заполненных каким-нибудь инертным пористым материалом. Смеси ацетилена с воздухом взрывоопасны.
Рис. 1. Строение молекулы ацетилена.
Таблица 1. Физические свойства ацетилена.
Получение ацетилена
Выделяют промышленные и лабораторные способы получения ацетилена. Так, в промышленности ацетилен получают путем высокотемпературного крекинга метана:
2CH 4 → СH≡CH +3H 2 .
В лаборатории ацетилен получают гидролизом карбида кальция:
CaC 2 +2H 2 O = Ca(OH) 2 + C 2 H 2 .
Кроме вышеперечисленных реакций, для получения ацетилена используют реакции дегидрирования алканов и алкенов:
CH 3 -CH 3 → СH≡CH +2H 2 ;
CH 2 =CH 2 → СH≡CH +H 2 .
Химические свойства ацетилена
Ацетилен вступает в реакции присоединения, протекающие по нуклеофильному механизму, такие как:
— гидрирование
СH≡CH +H 2 O→ → CH 3 -CH=O (H 2 SO 4 (18%), t = 90 o C);
— галогенирование
СH≡CH +Br 2 →CHBr=CHBr + Br 2 →CHBr 2 -CHBr 2 ;
— гидрогалогенирование
СH≡CH +HСl→ CH 2 =CHCl + HCl → CH 3 -CHCl 2 .
Кроме этого ацетилен способен образовывать соли при взаимодействии с активными металлами (1) и оксидом серебра (2):
2СH≡CH +2Na→2 СH≡C-Na + H 2 (1);
СH≡CH + Ag 2 O→ Ag- С≡C-Ag↓ + H 2 O (2).
Он способен тримеризоваться:
3C 2 H 2 → C 6 H 6 (t = 600 o C, kat = C active).
Применение ацетилена
Ацетилен является исходным продуктом для многих важнейших химических производств. Например, из ацетилена получают различные галогенпроизводные, такие как тетрахлорэтан и трихлорэтилен, являющиеся хорошими растворителями, а также винилхлорид, служащий мономером для получения поливинилхлорида. Кроме этого ацетилен используется для получения синтетических каучуков.
Примеры решения задач
ПРИМЕР 1
| Задание | Эквимолекулярная смесь ацетилена и формальдегида полностью реагирует с 69,6 г Ag 2 O, растворенного в аммиаке. Определите состав исходной смеси. |
| Решение | Запишем уравнения реакций, указанных в условии задачи:
HC≡CH + Ag 2 O → AgC≡Cag + H 2 O (1); H-C(O)H + 2 Ag 2 O → CO 2 + H 2 O + 4Ag (2). Рассчитаем количество вещества оксида серебра (I): n(Ag 2 O) = m(Ag 2 O) / M(Ag 2 O); M(Ag 2 O) = 232 г/моль; n(Ag 2 O) = 69,6 / 232 = 0,3 моль. По уравнению (2) количество вещества формальдегида будет равно 0,1 моль. По условию задачи смесь эквимолекулярна, следовательно, ацетилена тоже будет 0,1 моль. Найдем массы веществ, составляющих смесь: M(HC≡CH) = 26 г/моль; M(H-C(O)H) = 30 г/моль; m(HC≡CH) = 0,1 × 26 = 2,6 г; m(H-C(O)H) = 0,1 × 30 = 3 г. |
| Ответ | Масса ацетилена равна 2,6 г, формальдегида - 3 г. |
ПРИМЕР 2
| Задание | При пропускании смеси пропана и ацетилена через склянку с бромной водой масса склянки увеличилась на 1,3 г. При полном сгорании такого же количества исходной смеси углеводородов выделилось 14 л (н.у.) оксида углерода (IV). Определите массовую долю пропана в исходной смеси. |
| Решение | При пропускании смеси пропана и ацетилена через склянку с бромной водой происходит поглощение ацетилена. Запишем уравнение химической реакции, соответствующее этому процессу:
НC ≡ СH + 2Вr 2 → НСВr 2 -СНВr 2 . Таким образом, значение, на которое увеличилась масса склянки (1,3 г) представляет собой массу ацетилена. Найдем количество вещества ацетилена (молярная масса - 26 г/моль): n (C 2 H 2) = m (C 2 H 2) / M (C 2 H 2); n (C 2 H 2) = 1,3/26 = 0,05 моль. Запишем уравнение реакции сгоранияацетилена: 2С 2 Н 2 + 5О 2 = 4СО 2 + 2Н 2 О. Согласно уравнению реакции, в неё вступило 2 моль ацетилена, однако, известно, что 0,05 моль из этого количества поглотилось бромной водой. Т.е. выделилось: 2-0,05 = 0,1 моль СО 2 . Найдем общее количество оксида углерода (IV): n sum (CO 2) = V (CO 2) / V m ; n sum (CO 2) = 14/22,4 = 0,625 моль. Запишем уравнение реакции сгорания пропана: С 3 Н 8 + 5О 2 = 3СO 2 + 4Н 2 О. Учитывая, что в реакции сгорания ацетилена выделилось 0,1 моль оксида углерода (IV), количество вещества оксида углерода (IV), выделившееся в ходе сгорания пропана равно: 0,625 — 0,1 = 0,525 моль СО 2 . Найдем количество вещества пропана, вступившего в реакцию горения. Согласно уравнению реакции n(CO 2) : n(С 3 Н 8) = 3: 1, т.е. n(С 3 Н 8) = n(CO 2) / 3 = 0,525/3 = 0,175 моль. Вычислим массу пропана (молярная масса 44 г/моль): m(С 3 Н 8) = n(С 3 Н 8) ×M(С 3 Н 8); m(С 3 Н 8) = 0,175 × 44 = 7,7 г. Тогда, общая масса смеси углеводородов составит: m mixture = m(C 2 H 2) + m(С 3 Н 8) = 1,3+7,7 = 9,0 г. Найдем массовую долю пропана в смеси: ω = m / m mixture × 100%; ω(С 3 Н 8) = m(С 3 Н 8) / m mixture × 100%; ω(С 3 Н 8) =7,7/9,0× 100% = 0,856 × 100%= 85,6%. |
| Ответ | Массовая доля пропана 85,6%. |
Ацетилен химическое соединение углерода и водорода. легче воздуха, 1 м 3 ацетилена при 20°С и 760 мм рт. ст. плотность ацетилена равна 1,091 кг/м 3 . Плотность по отношению к воздуху 0,9. Критическая температура 35,9°С и критическое давление 61,6 кгс/см 2 . При сгорании с он дает пламя с наиболее высокой температурой, которая достигает 3200°С, что объясняется его эндотермичностью (другие углеводороды экзотермичны, т. е. при распаде поглощают тепло). Химическая формула - C 2 H 2 , структурная формула Н-С=С-Н.
При нормальном давлении и температуре от -82,4°С (190,6 К) до -84,0°С (189 К) ацетилен переходит в жидкое состояние, а при температуре -85°С (188 К) затвердевает, образуя кристаллы плотностью 0,76 кг/м 3 . Жидкий и твердый ацетилен легко взрывается от трения, механического или гидравлического удара и действия детонатора. Технический ацетилен при нормальных давлении и температуре представляет собой бесцветный газ с резким специфическим чесночным запахом из-за содержащихся в нем примесей в виде сернистого водорода, аммиака, фосфористого водорода и др.
В 1836 г. в Бристоле на заседании Британской ассоциации Эдмунд Дэви (Edmund Davy), профессор химии Дублинского Королевского общества и двоюродный брат Гемфри Дэви (Humphry Davy), сообщил:
... При попытке получить калий, сильно нагревая смесь прокаленного винного камня с древесным углем в большом железном сосуде, я получил черное вещество, которое легко разлагалось водой и образовывало газ, оказавшийся новым соединением углерода и водорода. Этот газ горит на воздухе ярким пламенем, более густым и светящимся даже сильнее, чем пламя маслородного газа (этилена). Если подача воздуха ограничена, горение сопровождается обильным отложением сажи. В контакте с хлором газ мгновенно взрывается, причем взрыв сопровождается большим красным пламенем и значительными отложениями сажи... Дистиллированная вода поглощает около одного объема нового газа, однако при нагревании раствора газ выделяется, по-видимому, не изменяясь... Для полного сгорания нового газа необходимо 2,5 объема кислорода. При этом образуются два объема и вода, которые являются единственными продуктами горения... Газ содержит столько же углерода, что и маслородный газ, но вдвое меньше водорода... Он удивительно подойдет для целей искусственного освещения, если только его удастся дешево получать.
Дэви получил карбид калия К 2 С 2 и обработал его водой.
В статье мы писали о том, что его «двууглеродистый » впервые был назван ацетиленом французским химиком Пьером Эженом Марселеном Бертло (Marcellin Berthelot) в 1860 г. Только через 60 лет после открытия Дэви предсказанное им использование ацетилена для освещения явилось первым толчком для его промышленного получения.
Для полного сгорания 1 м 3 ацетилена по реакции: С 2 Н 2 + 2,5O 2 =2СO 2 + Н 2 O + Q 1
требуется теоретически 2,5 м 3 кислорода или = 11,905 м 3 воздуха. При этом выделяется тепло Q 1 ≈ 312 ккал/моль. Высшая 1 м 3 ацетилена при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет Q В = 14000 ккал/м 3 (58660 кДж/м 3), что соответствует расчетной:
312×1,1709×1000/26,036 = 14000 ккал/м 3
Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята Q H = 13500 ккал/м 3 (55890 кДж/м 3).
Практически при сжигании - ацетилена в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м 3 кислорода на 1 м 3 ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м 3 у что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:
С 2 H 2 + О 2 = 2СО + H 2 + Q 2
где Q2 ≈ 60 ккал/моль или 2300 ккал/кг ацетилена. Остальные 1,5-1,3 м 3 кислорода поступают в пламя из окруающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:
2СО + H 2 + 1,5О 2 = 2СO 2 + H 2 O + Q 3
Реакция неполного горения протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад ацетилена на его составляющие по реакции:
С 2 H 2 = 2С + H 2 + Q 4
где Q 4 ≈54 ккал/моль или 2070 ккал/кг ацетилена.
Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени ацетилена применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде ацетилена, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q4 + Q2 = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370×1,1709 ≈ 5120 ккал/м 3 .
Данные зависимостей скорости воспламенения и температуры пламени и от содержания в ней ацетилена представлены ниже в таблице.
Необходимо понимать, что полное сгорание ацетилено-воздушной смеси достигается при наличии в ней не более 1×100/(1+11,905)=7,75% ацетилена (так называемая стехиометрическая смесь). При этом продуктами реакции являются только (СО 2) и вода (H 2 О). При содержании ацетилена более 17,37% в виде сажи выделяется свободный углерод.
С увеличение процентного содержание ацетила выделение сажи также возрастает (коптящее пламя), а при 81% ацетилена - процесс горения прекращается или не возникает.
Ацетилен выпускают по растворенным и газообразным. Хранят и транспортируют его в растворенном состоянии в специальных стальных по , заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой (см. статью . Баллоны окрашены в серый цвет и надписью красными буквами «АЦЕТИЛЕН» на верхней цилиндрической части .
Максимальное давление ацетилена при заполнении баллона составляет 2,5 МПа (25 кгс/см 2), при отстое и охлаждении баллона до 20°С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см 2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5-5,8 кг ацетилена по массе (4,6-5,3 м 3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).
Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом.
