化学物质热稳定性评价课件.ppt
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- 化学物质 热稳定性 评价 课件
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1、反应性物质及其热稳定性反应性物质及其热稳定性1热稳定性的表征热稳定性的表征2热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法3热分析谱图解析热分析谱图解析4题纲题纲1 1 反应性物质及其热稳定性反应性物质及其热稳定性研究背景研究背景 反应性化学物质的热自燃(热爆炸)事故是常见的工业灾害形反应性化学物质的热自燃(热爆炸)事故是常见的工业灾害形式之一。在工业生产和国民经济建设中,由反应性化学物质的热自式之一。在工业生产和国民经济建设中,由反应性化学物质的热自燃等引起的火灾、爆炸事故频频发生,给人民的生命财产带来了巨燃等引起的火灾、爆炸事故频频发生,给人民的生命财产带来了巨大的损失。大的损失。物质分类物质分类1
2、 1 反应性物质及其热稳定性反应性物质及其热稳定性v 反应性物质是指本身或与其他物质接触能发生反应的化学物反应性物质是指本身或与其他物质接触能发生反应的化学物质,它们或者自身可以化学反应(自反应性物质),或者能够和质,它们或者自身可以化学反应(自反应性物质),或者能够和其他物质发生化学反应(混合反应性化学物质)。其他物质发生化学反应(混合反应性化学物质)。v 我国国标我国国标GB-6944-2005 GB-6944-2005 危险货物和品名编号危险货物和品名编号将危险化将危险化学品分为学品分为9 9大类,其中爆炸品(第大类,其中爆炸品(第1 1类)、压缩和液化气体(第类)、压缩和液化气体(第2
3、 2类)、易燃液体(第类)、易燃液体(第3 3类)、易燃固体类)、易燃固体 、自燃物质和遇湿易燃物、自燃物质和遇湿易燃物品(第品(第4 4类)、氧化剂和有机过氧化物(第类)、氧化剂和有机过氧化物(第5 5类)都属于反应性化类)都属于反应性化学物质,其他学物质,其他4 4类危险物品以毒害性、放射性和腐蚀性为主要特类危险物品以毒害性、放射性和腐蚀性为主要特征,其中也有一些属于反应性化学物质。征,其中也有一些属于反应性化学物质。反应性化学物质反应性化学物质1 1 反应性物质及其热稳定性反应性物质及其热稳定性v 反应性物质的危险性表现为可以发生爆轰、爆热、热爆炸以反应性物质的危险性表现为可以发生爆轰、
4、爆热、热爆炸以及混触发火或混触发热。上述四个方面的问题均与反应性物质的及混触发火或混触发热。上述四个方面的问题均与反应性物质的热稳定性(一定温度下或一定温度范围内的稳定性)相关。热稳定性(一定温度下或一定温度范围内的稳定性)相关。v 对于热稳定性评价而言,通常要考虑对于热稳定性评价而言,通常要考虑操作、储存和运输反应操作、储存和运输反应性物质的系统是否有放热反应,如果有,热量为多大,在什么温性物质的系统是否有放热反应,如果有,热量为多大,在什么温度范围内有热量释放;是否有压力上升,如果有,压力变化有多度范围内有热量释放;是否有压力上升,如果有,压力变化有多大,压力的增加是否会引起盛装容器的爆炸
5、等。大,压力的增加是否会引起盛装容器的爆炸等。热稳定性热稳定性1 1 反应性物质及其热稳定性反应性物质及其热稳定性(1)生成热()生成热( H f)(2)反应热()反应热(Hr)(3)绝热初始放热温度()绝热初始放热温度(T0)(4)绝热温升()绝热温升( Tad)(5)反应速率()反应速率(k)(6)表观反应活化能()表观反应活化能(Ea)(7)绝热最大温升速率时间()绝热最大温升速率时间(TMRad)(8)不可逆温度()不可逆温度(TNR)(9)自加速分解温度()自加速分解温度(SADT)表征热稳定性的参数表征热稳定性的参数2 2 热稳定性的表征热稳定性的表征失控反应严重度的评估准则失控反
6、应严重度的评估准则表征热稳定性的参数表征热稳定性的参数2 2 热稳定性的表征热稳定性的表征简化的三等级简化的三等级扩展的四等级扩展的四等级绝热温升绝热温升(K)反应热反应热(J/g)高的(高的(high)灾难性的灾难性的(catastrophic)400800危险的(危险的(critical)200-400400-800中等的(中等的(medium)中等的(中等的(medium)50-200100-400低的(低的(low)可忽略的可忽略的(negligible)50且无压力且无压力100失控反应可能性的评估准则失控反应可能性的评估准则表征热稳定性的参数表征热稳定性的参数2 2 热稳定性的表征
7、热稳定性的表征简化的三等级简化的三等级扩展的六等级扩展的六等级最大温升速率时间最大温升速率时间(h)高的(高的(high)频繁发生的(频繁发生的(frequent)1很可能发生的(很可能发生的(probable)1-8中的(中的(medium)偶尔发生的(偶尔发生的(occasional)8-24低的(低的(low)很少发生的(很少发生的(seldom)24-50极少发生的(极少发生的(remote)50-100几乎不可能发生的(几乎不可能发生的(almost impossible)1003 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法v 由于理论分析反应性物质的热稳定性具有节省实验费由于理论分析
8、反应性物质的热稳定性具有节省实验费用、安全等诸多特点,而且对越来越多的物料的热稳定性用、安全等诸多特点,而且对越来越多的物料的热稳定性全部用实验的方法将其分类是不现实的,因此在实验测试全部用实验的方法将其分类是不现实的,因此在实验测试之前采用理论分析方法对反应性物质的热危险性进行预测之前采用理论分析方法对反应性物质的热危险性进行预测和筛选是非常必要的。和筛选是非常必要的。v 理论分析方法主要包括三个方面的内容:估算什么,理论分析方法主要包括三个方面的内容:估算什么,怎样估算,怎样用于预测。怎样估算,怎样用于预测。3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法理论估算预测理论估算预测估算什么估算什
9、么3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法v 物质的危险性、特别是其中的燃烧爆炸危险性,归根物质的危险性、特别是其中的燃烧爆炸危险性,归根到底是到底是能量危险性能量危险性。v 物质,无论是在生产的工艺过程中,还是在贮运与使物质,无论是在生产的工艺过程中,还是在贮运与使用过程中,如果发生了伴随能量释放的意外或超过允许范用过程中,如果发生了伴随能量释放的意外或超过允许范围的化学反应,这些反应释放的热就可能成为导致事故的围的化学反应,这些反应释放的热就可能成为导致事故的危险能量。危险能量。物质化学结构分析法物质化学结构分析法3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法对哪些物质进行估算对哪些物质
10、进行估算安定性与分子结构的关系安定性与分子结构的关系3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法v 爆炸性基团的特性:稳定性爆炸性基团的特性:稳定性C-NO2N-NO2O-NO2v 爆炸性基团的数目及排列方式:爆炸性基团的数目及排列方式:爆炸性基团越多,稳定性越差爆炸性基团越多,稳定性越差;并列或集中排列都可使安定性明显降低;并列或集中排列都可使安定性明显降低v 分子内的活泼氢原子:分子内的活泼氢原子:活泼氢原子的质子化程度越大,该氢原活泼氢原子的质子化程度越大,该氢原子就更容易发生转移,硝基化合物的稳定性就更低。子就更容易发生转移,硝基化合物的稳定性就更低。v 分子的取代基:分子的取代基:对
11、含硝仿基或偕二硝基的化合物,向其分子中对含硝仿基或偕二硝基的化合物,向其分子中引入吸电子取代基时,热稳定性提高引入吸电子取代基时,热稳定性提高v 分子对称性:分子对称性:在同类含能材料中,具有对称结构者热稳定性一在同类含能材料中,具有对称结构者热稳定性一般较好。般较好。v 分子内及分子间氢键:分子内及分子间氢键:分子内氢键使分子体积缩小,分子势能分子内氢键使分子体积缩小,分子势能降低;分子间氢键可增大分子的晶格能,从而使物质的熔点和降低;分子间氢键可增大分子的晶格能,从而使物质的熔点和分解点升高分解点升高v 晶型及晶体完整性晶型及晶体完整性v (1 1)氧平衡)氧平衡 氧平衡表示反应物分子中的
12、氧化元素用来完全氧化本身所氧平衡表示反应物分子中的氧化元素用来完全氧化本身所含可燃元素为完全氧化产物时所剩余或不足的氧化元素量。对含可燃元素为完全氧化产物时所剩余或不足的氧化元素量。对于组成于组成CaHbOcNd的反应物,有的反应物,有 式中式中M为反应物相对分子质量为反应物相对分子质量 正氧平衡正氧平衡 c-(2a+b/2) 0 零氧平衡零氧平衡 c-(2a+b/2) 0 负氧平衡负氧平衡 c-(2a+b/2) 03 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法怎样估算怎样估算v (2 2)生成焓推算)生成焓推算 A A、键能、键能/ /基团加和法基团加和法 根据各类键或基团对标准生成焓的贡献值
13、及基团相互影响根据各类键或基团对标准生成焓的贡献值及基团相互影响的校正值,可方便地算出化合物的标准生成焓的校正值,可方便地算出化合物的标准生成焓 3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法怎样估算怎样估算 以乙醇以乙醇C2H5OH为例:为例:(CH3-CH2-OH) = -11.56 + (-24.84) + (-30.0) = -66.42kcal/mol = -277.90kJ/mol 以三甲胺以三甲胺C3H9N为例为例:(:(N-(CH3)3) = 19.07 + 3 (-10.27) = -11.74kcal/mol = -49.12kJ/mol 3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的
14、评价方法怎样估算怎样估算 B B、分子轨道法、分子轨道法 采用全部价电子的半经验分子轨道法(采用全部价电子的半经验分子轨道法(MINDO/3)可计算)可计算如亚硝基化合物、重氮化合物等的标准生成焓。如亚硝基化合物、重氮化合物等的标准生成焓。 利用利用MINDO/3法计算时,要输入构成分子的原子空间排列法计算时,要输入构成分子的原子空间排列的各种数据,如键长、键角、扭转角等,这些数据可由其晶体的各种数据,如键长、键角、扭转角等,这些数据可由其晶体结构测定得到。结构测定得到。 3 3 热稳定性的评价方法热稳定性的评价方法怎样估算怎样估算v (3 3)反应热(或分解热)的估算)反应热(或分解热)的估
15、算 假定反应可以进行到底,按假定反应可以进行到底,按最大放热原则最大放热原则写出反应方程式。即写出反应方程式。即将被研究的物质分解为构成它的元素的原子,再按着由经验决定的将被研究的物质分解为构成它的元素的原子,再按着由经验决定的先后顺序给出生成物,剩余的原子则以单质或分子状态存在。先后顺序给出生成物,剩余的原子则以单质或分子状态存在。CHON系有机物反应产物以系有机物反应产物以N2、H2O、CO2的顺序生成,剩余者为的顺序生成,剩余者为C、H2、O2。分解热。分解热Q=产物的生成焓产物的生成焓-反应物的生成焓。单位质反应物的生成焓。单位质量的最大分解热量的最大分解热 = -Q/M 如:间二硝基
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