支鏈反應(yīng)以似穩(wěn)定濃度法近似處理所得定態(tài)速率方程在一定條件下趨于無限或出現(xiàn)不合理的數(shù)值時(shí),在該條件下非定態(tài)速率方程依時(shí)間變化的表現(xiàn)是反應(yīng)速率迅速上升趨向無限,從實(shí)際的物理圖象來說,這是燃燒與爆炸的條件。
所謂燃燒即伴有發(fā)光和激烈放熱的反應(yīng)(通常為氧化反應(yīng))。其特征為常溫常壓下幾乎不起反應(yīng),但如依各種方法從外部加以某一極限值以上的能量,則進(jìn)行著火過程,出現(xiàn)激烈的反應(yīng)帶(氣體的火焰),而成層狀的并自動(dòng)的往未反應(yīng)部分傳播。因此,發(fā)生燃燒反應(yīng)包含能量的極限要求和物質(zhì)傳播的連續(xù)性要求這兩個(gè)必要條件缺一不可。如果傳播速度變大則伴有沖擊的壓力效應(yīng),當(dāng)在封閉容器中進(jìn)行時(shí)則常發(fā)生破壞作用而表現(xiàn)為爆炸反應(yīng),由此可見燃燒與爆炸其化學(xué)動(dòng)力學(xué)實(shí)質(zhì)相同,而其主要差異在于傳質(zhì)情況不同,當(dāng)在沖擊波作用下或由于火焰自行加速產(chǎn)生沖擊波,由于很高的溫度與壓力出現(xiàn)所謂爆轟現(xiàn)象,此時(shí)產(chǎn)生沖擊波伴隨著燃燒波。其爆轟速度可達(dá)音速以上,從現(xiàn)象的特性和本質(zhì)來說,爆轟與爆炸并無不同,只是在爆轟條件下其破壞作用更大而已。由于上述這些過程的動(dòng)力學(xué)分析是一致的,我們一般將只討論爆炸現(xiàn)象,有時(shí)也舉若干燃燒的例子,但不去論述其差異。
燃燒爆炸的條件和反應(yīng)體系所處的狀態(tài)(如溫度與壓力等)密切相關(guān)。例如:磷的氧化反應(yīng)在達(dá)到嚴(yán)格一定的氧氣壓力時(shí),明顯地從完全沒有反應(yīng)到有閃燃的反應(yīng)的激烈轉(zhuǎn)變,這種現(xiàn)象可以通過實(shí)驗(yàn)精確地測(cè)定。例如磷的氧化反應(yīng)曾利用流經(jīng)毛細(xì)管法和壓縮法進(jìn)行了這種測(cè)定。前一方法系將氧氣經(jīng)毛細(xì)管流入裝有磷的反應(yīng)器中,反應(yīng)器中氧壓的變化如圖102所示,箭頭示出突然出現(xiàn)閃光的瞬間,以后亮光在繼續(xù)通入氧氣時(shí)一直保持,閃光前氧氣在反應(yīng)器中積累,得由原點(diǎn)上升直線,其斜率與毛細(xì)管直徑、長(zhǎng)度以及輸入氧流壓力有關(guān)。閃光后直線轉(zhuǎn)向,輸入氧氣而反應(yīng)器內(nèi)氧壓變化不大,表明輸入之氧與磷反應(yīng)生成固體P2O5,而若停止輸入氧氣反應(yīng)停止而壓力降至臨界值與起燃的臨界值相近(略低),而再輸入微量氧仍可起燃,由此可測(cè)定起燃的臨界壓力。而后一方法(壓縮法)系在反應(yīng)器中先保持氧壓力低于起燃的臨界值,而后緩慢地壓縮反應(yīng)體系,至臨界值的瞬間可出現(xiàn)閃燃,由此來測(cè)定臨界值。
燃燒爆炸的條件對(duì)于溫度、壓力和組成的關(guān)系是很密切的。如圖103所示為2H2+O2的混合氣在內(nèi)徑為74mm的表面上復(fù)蓋一層氯化鉀的容器中實(shí)驗(yàn)的結(jié)果,這是一典型的例子,在曲線右側(cè)反應(yīng)以爆炸方式進(jìn)行(稱為爆炸區(qū)),左側(cè)緩和地進(jìn)行(稱為非爆炸區(qū)),此分界曲線即為爆炸極限,若考查恒溫下反應(yīng)速率r隨壓力p的變化,可得如圖104所示意的結(jié)果,低壓下反應(yīng)緩和,當(dāng)壓力上升到p1與p2之間反應(yīng)依爆炸方式進(jìn)行,而再升到p2與p3之間反應(yīng)又緩和地進(jìn)行,直到壓力大于p3以后反應(yīng)才又按爆炸方式進(jìn)行,而p1、p2與p3分別稱為該溫度下的第一、第二與第三極限或稱為下限、上限與熱極限,顯然這些極限壓力是溫度的函數(shù),其中第三極限(或稱熱極限)并非由于鏈分支過程的結(jié)果,之后再去討論。
若在恒壓下考查此類反應(yīng)速率對(duì)溫度的依賴關(guān)系如之前文章提到的,低溫下反應(yīng)緩和進(jìn)行,升溫時(shí)逐漸加速,至某一定溫度后突然按爆炸方式進(jìn)行,若以反應(yīng)速率的對(duì)數(shù)(㏑r)對(duì)溫度的倒數(shù)(1/T)作圖,如圖105所示,考查此圖,低溫(1/T大)下基本滿足Arrhenius公式,呈線性關(guān)系,高溫時(shí)㏑r突然上升起爆,圖106示出壓力為600mmHg的2H2+O2混合氣在不同量汞蒸氣壓力(pHg)存在下光敏化合反應(yīng)的速率的對(duì)數(shù)與溫度的倒數(shù)之間的關(guān)系,顯然這與圖105相符,可為例證。
如前所述爆炸條件與體系的組成有關(guān),對(duì)于三元系,常用等邊三角形組成坐標(biāo)圖來討論,如圖107所示為不同溫度和壓力下丁烯-氧-氮混合氣的此種圖形。曲線示出指定溫度和壓力條件下爆炸極限對(duì)于這三種物質(zhì)相對(duì)量的依賴關(guān)系,曲線1與2對(duì)比了同一溫度下壓力變化的影響,而曲線2至5則對(duì)比了同一壓力下溫度變化的影響,明顯示出升溫升壓擴(kuò)大了高氧壓下爆炸的極限范圍,而對(duì)低氧壓下的影響不太明顯。