С2Н2 ацетилен. Свойства ацетилена. Получение ацетилена.

Структурная изомерия

Для алкинов характерна изомерия углеродного скелета, изомерия положения кратной связи и межклассовая изомерия.
Структурные изомеры — это соединения с одинаковым составом, которые отличаются порядком связывания атомов в молекуле, т.е. строением молекул.

Изомеры углеродного скелета отличаются строением углеродного скелета.

Межклассовые изомеры — это вещества разных классов с различным строением, но одинаковым составом. Алкины являются межклассовыми изомерами с алкадиенами. Общая формула алкинов и алкадиенов — CnH2n-2.

Изомеры с различным положением тройной связи отличаются положением тройной связи в углеродном скелете.

Применение ацетилена при сварке

Ацетилен – основной горючий газ, используемый при газовой сварке, а также широко применяется для газовой резки (кислородной резки). Температура ацетилено-кислородного пламени может достигать 3300°C. Благодаря этому ацетилен по сравнению с более доступными горючими газами (пропан-бутаном, природным газом и др.) обеспечивает более высокое качество и производительность сварки.

Снабжение постов ацетиленом для газовой сварки и резки может осуществляться

• от баллонов с ацетиленом и
• от ацетиленового генератора.

Для хранения ацетилена обычно используются стандартные баллоны емкостью 40 л, окрашенные в белый цвет, с надписью «Ацетилен» красного цвета (ПБ 10-115-96, ГОСТ 949-73). Согласно ГОСТ 5457-75 для газопламенной обработки металлов применяется технический ацетилен растворенный марки Б и газообразный.

Таблица. Характеристики марок технического ацетилена (ГОСТ 5457-75), используемого при сварке и резке.

Баллоны заполнены пористой массой, пропитанной ацетоном. Ацетилен хорошо растворяется а ацетоне: при нормальной температуре и давлении в 1 л ацетона растворяется 23 л ацетилена (в 1 л бензина растворяется 5,7 л ацетилена, в 1 л воды – 1,15 л ацетилена). Пористая масса выполняет следующие функции:

• повышает безопасность при работе с баллоном – за счет пористой массы общий объем ацетилена разделен на отдельные ячейки; таким образом, вероятность распространения общего фронта горения и взрыва значительно уменьшается;
• позволяет повысить количество ацетилена в баллоне, ускорить процесс его растворения при заполнении баллона и выделении при отборе газа – поскольку при использовании пористой массы, пропитанной ацетоном, обеспечивается большая поверхность взаимного контакта между газом и ацетоном.

В качестве пористых масс могут применяться активированный уголь, пемза, волокнистый асбест.

Таблица. Допустимое давление газа в баллоне в зависимости от температуры (при номинальном давлении 1,9 МПа / +20°С) (ГОСТ 5457-75)

Таблица. Остаточное давление газа в баллоне, поступающем от потребителя (ГОСТ 5457-75)

40-литровые баллоны с максимальным давлением газа 1,9 МПа при температуре 20°С обычно заполняют 5–5,8 кг ацетилена (4,6–5,3 м3 газа при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст.). Масса ацетилена в баллоне определяется по разности масс баллона до и после наполнения газом. Объем ацетилена равен отношению его массы и плотности. Так, объем 5,5 кг ацетилена при температуре 20°С и давлении 760 мм рт. ст. составляет 5,5/1,09 = 5,05 м3.

Таблица. Сравнительные характеристики ацетилена, пропана и метилацетилен-алленовой фракции (МАФ)

Хранение и транспортировка ацетилена

Ацетилен выпускают по ГОСТ 5457 растворенным и газообразным. Хранят и транспортируют его в растворенном состоянии в специальных стальных баллонах по ГОСТ 949, заполненных пористой, пропитанной ацетоном массой. Ацетилен, растворенный в ацетоне не склонен к взрывчатому распаду.

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/см2), при отстое и охлаждении баллона до 20°С оно снижается до 1,9 МПа (19 кгс/см2). При этом давлении в 40-литровый баллон вмещается 5-5,8 кг С2Н2 по массе (4,6-5,3 м3 газа при 20°С и 760 мм рт. ст.).

Давление ацетилена в полностью наполненном баллоне изменяется при изменении температуры следующим образом:

Другие требования техники безопасности можно узнать из статьи о классе опасности и мерах безопасности при работе с ацетиленом

История получения ацетилена

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:

Дэви получил карбид калия К2С2 и обработал его водой.

В статье о получении карбида кальция мы писали о том, что его «двууглеродистый водород» 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.

Реакции ацетилена

Ацетилен горит в концентрации в воздухе от 2,5% до 80% (и почти до 100% при определенных условиях; при концентрации 100% и совпадении некоторых условий, ацетилен может бурно, со взрывом, саморазложиться на углерод и водород), с образованием очень горячего, яркого и дымного пламени. Температура горения ацетилена в воздухе или кислороде может достигать 3300°C.

В реакциях с такими металлами, как медь, серебро и ртуть, а также их сплавами и солями, ацетилен образует ацетилениды. Например, нитрат серебра реагирует с ацетиленом с образованием ацетиленида серебра и азотной кислоты: 2AgNO3 + C2H2 → Ag2C2 + 2HNO3

Некоторые ацетилениды, и вышеупомянутый ацетиленид серебра Ag2C2 в том числе, являются сильными и опасными в обращении взрывчатыми веществами, детонирующими при нагревании, а также от ударного воздействия. Известны случаи, когда ацетиленид серебра образовывался на стыках труб для транспортировки ацетилена, при пайке которых использовался серебряный припой.

Немецкий химик Вальтер Реппе открыл, что в присутствии металлических катализаторов ацетилен может реагировать со многими веществами, образуя промышленно значимые химические соединения. Эти реакции теперь называют его именем, реакциями Реппе.

Реакции ацетилена C2H2 со спиртами ROH, синильной кислотой HCN, соляной кислотой HCl или карбоновыми кислотами дают соединения винила. Например, ацетилен и соляная кислота: C2H2 + HCl →

Реакция этилена с монооксидом углерода дает акриловую кислоту или акриловые эфиры, используемые при изготовлении органического стекла: C2H2 + CO + H2O → CH2=CHCO2H

Реакция циклизации позволяет конвертировать ацетилен в бензол: 3C2H2 → C6H6

Для чего используется карбид?

Карбиды

применяют в производстве чугунов и сталей, керамики, различных сплавов, как абразивные и шлифующие материалы, как восстановители, раскислители, катализаторы и др.

Интересные материалы:

Когда обрабатывать томаты от совки? Когда обработать землю медным купоросом? Когда огурцы спелые? Когда опрыскивать карбамидом? Когда опрыскивать картофель борной кислотой? Когда опрыскивать медным купоросом виноград? Когда опрыскивать огурцы борной кислотой? Когда опрыскивать помидоры от фитофторы? Когда орхидея выпускает новый цветонос? Когда осыпается лиственница?

Получение

В лаборатории

В лаборатории, а также в газосварочном оборудовании, ацетилен получают действием воды на карбид кальция (Ф. Вёлер, 1862 год),

CaC2+2H2O→Ca(OH)2+C2H2↑{\displaystyle {\mathsf {CaC_{2}+2H_{2}O\rightarrow Ca(OH)_{2}+C_{2}H_{2}\uparrow }}}

а также при дегидрировании двух молекул метана при температуре свыше 1400 °C:

2CH4→C2H2+3H2{\displaystyle {\mathsf {2CH_{4}\rightarrow C_{2}H_{2}+3H_{2}}}}

В промышленности

В промышленности ацетилен получают гидролизом карбида кальция и пиролизом углеводородного сырья — метана или пропана с бутаном. В последнем случае ацетилен получают совместно с этиленом и примесями других углеводородов. Карбидный метод позволяет получать очень чистый ацетилен, но требует высокого расхода электроэнергии. Пиролиз существенно менее энергозатратен, т.к. для нагрева реактора используется сгорание того же рабочего газа во внешнем контуре, но в газовом потоке продуктов концентрация самого ацетилена низка. Выделение и концентрирование индивидуального ацетилена в таком случае представляет сложную задачу. Экономические оценки обоих методов многочисленны, но противоречивы.

Получение пиролизом

Электрокрекинг

Метан превращают в ацетилен и водород в электродуговых печах (температура 2000—3000 °С, напряжение между электродами 1000 В). Метан при этом разогревается до 1600 °С. Расход электроэнергии составляет около 13000 кВт•ч на 1 тонну ацетилена, что относительно много (примерно равно затрачиваемой энергии по карбидному методу) и потому является недостатком процесса. Выход ацетилена составляет 50 %.

Регенеративный пиролиз

Иное название — Вульф-процесс. Сначала разогревают насадку печи путём сжигания метана при 1350—1400 °С. Далее через разогретую насадку пропускают метан. Время пребывания метана в зоне реакции очень мало и составляет доли секунды. Процесс реализован в промышленности, но экономически оказался не таким перспективным, как считалось на стадии проектирования.

Окислительный пиролиз

Метан смешивают с кислородом. Часть сырья сжигают, а образующееся тепло расходуют на нагрев остатка сырья до 1600 °С. Выход ацетилена составляет 30—32 %. Метод имеет преимущества — непрерывный характер процесса и низкие энергозатраты. Кроме того, с ацетиленом образуется еще и синтез-газ. Этот процесс (Заксе-процесс или BASF-процесс) получил наиболее широкое внедрение.

Гомогенный пиролиз

Является разновидностью окислительного пиролиза. Часть сырья сжигают с кислородом в топке печи, газ нагревается до 2000 °С. Затем в среднюю часть печи вводят остаток сырья, предварительно нагретый до 600 °С. Образуется ацетилен. Метод характеризуется большей безопасностью и надёжностью работы печи.

Пиролиз в струе низкотемпературной плазмы

Процесс разрабатывается с 1970-х годов, но, несмотря на перспективность, пока не внедрён в промышленности. Сущность процесса состоит в нагреве метана ионизированным газом. Преимущество метода заключается в относительно низких энергозатратах (5000—7000 кВт•ч) и высоких выходах ацетилена (87 % в аргоновой плазме и 73 % в водородной).

Карбидный метод

Этот способ известен с XIX века, но не потерял своего значения до настоящего времени. Сначала получают карбид кальция, сплавляя оксид кальция и кокс в электропечах при 2500—3000 °С:

CaO+3C→CaC2+CO{\displaystyle {\mathsf {CaO+3C\rightarrow CaC_{2}+CO}}}

Известь получают из карбоната кальция:

CaCO3→CaO+CO2{\displaystyle {\mathsf {CaCO_{3}\rightarrow CaO+CO_{2}}}}

Далее карбид кальция обрабатывают водой:

CaC2+2H2O→C2H2+Ca(OH)2{\displaystyle {\mathsf {CaC_{2}+2H_{2}O\rightarrow C_{2}H_{2}+Ca(OH)_{2}}}}

Получаемый ацетилен имеет высокую степень чистоты 99,9 %. Основным недостатком процесса является высокий расход электроэнергии: 10000—11000 кВт•ч на 1 тонну ацетилена.

Получение

В лаборатории

В лаборатории ацетилен получают действием воды на карбид кальция см. видео данного процесса (Ф. Вёлер, 1862 г.),

а также при дегидрировании двух молекул метана при температуре свыше 1400 °C:

В промышленности

В промышленности ацетилен получают из карбида кальция и пиролизом углеводородного сырья – метана или пропана с бутаном. В последнем случае ацетилен получают совместно с этиленом. Карбидный метод позволяет получать чистый ацетилен, но требует высокого расхода электроэнергии. Пиролиз менее энергозатратен, но образующийся ацетилен имеет низкую концентрацию в газовом потоке и требует выделения. Экономические оценки обоих методов многочисленны, но противоречивы .

Получение пиролизом

Метан превращают в ацетилен и водород в электродуговых печах (температура 2000-3000°С, напряжение между электродами 1000 В). Метан при этом разогревается до 1600°С. Расход электроэнергии составляет около 13000 кВт*ч на 1 тонну ацетилена, что относительно много (примерно равно затрачиваемой энергии по карбидному методу) и потому является недостатком процесса. Выход ацетилена составляет 50%.

Иное название – Вульф-процесс. Сначала разогревают насадку печи путем сжигания метана при 1350-1400°С. Далее через разогретую насадку пропускают метан. Время пребывания метана в зоне реакции очень мало и составляет доли секунды. Процесс реализован в промышленности, но экономически оказался не таким перспективным как считалось на стадии проектирования.

Метан смешивают с кислородом. Часть сырья сжигают, а образующееся тепло расходуют на нагрев остатка сырья до 1600°С. Выход ацетилена составляет 30-32%. Метод имеет преимущества – непрерывный характер процесса и низкие энергозатраты. Кроме того, с ацетиленом образуется еще и синтез-газ. Этот процесс (Заксе-процесс или BASF-процесс) получил наиболее широкое внедрение.

Является разновидностью окислительного пиролиза. Часть сырья сжигают с кислородом в топке печи, газ нагревается до 2000°С. Затем в среднюю часть печи вводят остаток сырья, предварительно нагретый до 600°С. Образуется ацетилен. Метод характеризуется большей безопасностью и надежностью работы печи.

Пиролиз в струе низкотемпературной плазмы

Процесс разрабатывается с 1970-х годов, но, несмотря на перспективность, пока не внедрен в промышленности. Сущность процесса состоит в нагреве метана ионизированным газом. Преимущество метода заключается в относительно низких энергозатратах (5000-7000 кВт*ч) и высоких выходах ацетилена (87% в аргоновой плазме и 73% в водородной).

Карбидный метод

Этот способ известен с 19 века, но не потерял своего значения и до настоящего времени. Сначала получают карбид кальция, сплавляя оксид кальция и кокс в электропечах при 2500-3000°С:

Известь получают из карбоната кальция:

Далее карбид кальция обрабатывают водой:

Получаемый ацетилен имеет высокую степень чистоты 99,9%. Основным недостатком процесса является высокий расход электроэнергии: 10000-11000 кВт*ч на 1 тонну ацетилена.

Меры безопасности при работе с ацетиленом

Ацетилен – бесцветный горючий газ C2 H2 с атомной массой 26,04, немного легче воздуха. Обладает резким запахом.

Ацетилен самовоспламеняется при температуре 335° С, смесь ацетилена с кислородом воспламеняется при температуре 297–306° С, смесь ацетилена с воздухом – при температуре 305–470° С.

Ацетилен взрывоопасен при следующих условиях:

• при увеличении температуры более 450–500° С и давления более 1,5–2 ат (около 150–200 кПа);
• при атмосферном давлении ацетилено-кислородная смесь с содержанием ацетилена от 2,3 до 93% взрывается от искры, пламени, сильного местного нагрева и др.;
• при аналогичных условиях смесь ацетилена с воздухом взрывается при содержании в ней ацетилена от 2,2 до 80,7%;
• в результате длительного соприкосновении ацетилена с серебром или медью образуется взрывчатое ацетиленистое серебро или медь, взрывающиеся при повышении температуры или ударе.

Взрыв ацетилена способен вызвать значительные разрушения и тяжелые несчастные случаи: при взрыве 1 кг ацетилена выделяется примерно в два раза больше тепла, чем при взрыве 1 кг тротила и примерно в 1,5 раза больше, чем при взрыве 1 кг нитроглицерина.

Правила

• содержание ацетилена в воздухе рабочей зоны необходимо непрерывно контролировать автоматическими приборами, сигнализирующими о превышении допустимой взрывобезопасной концентрации ацетилена в воздухе, равной 0,46%;
• при работе с ацетиленовыми баллонами поблизости не должно быть открытого пламени или отопительной системы; запрещается работать с баллонами, находящимися в горизонтальном положении, с незакрепленными баллонами, с неисправными баллонами; необходимо использовать неискрящийся инструмент, освещение и электрическое оборудование только во взрывобезопасном исполнении;
• в случае обнаружения утечки ацетилена из баллона (по запаху и звуку) необходимо по возможности быстро закрыть вентиль баллона специальным неискрящимся ключом;
• при нагреве баллон с ацетиленом может взорваться с крайне разрушительными последствиями; в случае пожара необходимо по возможности удалить из опасной зоны холодные баллоны с ацетиленом, оставшиеся баллоны постоянно охлаждать водой или специальными составами до полного остывания; при загорании ацетилена, выходящего из баллона, необходимо по возможности быстро закрыть вентиль баллона специальным неискрящимся ключом и поливать баллон водой до полного остывания; при сильном возгорании пожаротушение необходимо производить с безопасного расстояния; при пожаротушении рекомендуется применять огнетушители с содержанием флегматизирующей концентрации азота 70% по объему, диоксида углерода 57% по объему, водяные струи, песок, сжатый азот, асбестовое полотно, токораспыленную пену и воду; при тушении сильного пожара используются огнезащитные костюмы, противогазы и т. п.

Хранение и меры безопасности

Хранить ацетилен нужно в помещении отдельно от кислорода и воспламеняющихся газов. Нельзя допускать контакта газа с серебром или медью. В помещении для хранения должен осуществляться не только контроль содержания газа в воздухе. Желательно всегда держать следить за давлением и температурой. От повышения давления до критической отметки ацетилен взрывается. То же самое происходит и при повышении температуры.

Там, где хранится и используется ацетилен, недопустимы источники открытого огня. В помещениях всегда требуется поддерживать оптимальную температуру. Особенно опасны в таких местах пожары. Если вдруг произошло возгорание, то следует охладить и вынести ацетиленовые баллоны. В некоторых случаях возникает утечка ацетилена. Чтобы избежать взрыва, нужно воспользоваться специальным неискрящимся ключом и перекрыть баллон.

При тушении лучше использовать асбестовое полотно, песок, огнетушители с соедржанием азота и диоксида углерода. При сильных пожарах необходимо производить тушение огня на расстоянии и обязательно использовать специальный защитный костюм.

Чтобы предотвратить несчастные случаи, нужно регулярно производить проверку баллонов с газом. Они должны быть герметичными. Об утечке газа можно узнать по запаху и характерному шуму.

Горение ацетилена

Горение ацетилена происходит по реакции: С2Н2 + 2,5O2=2СO2 + Н2O + Q1

Для полного сгорания 1 м3 ацетилена по вышеуказанной реакции теоретически требуется 2,5 м3 кислорода или = 11,905 м3 воздуха. При этом выделяется тепло Q1 ? 312 ккал/моль. Высшая теплотворная способность 1 м3 С2Н2 при 0°C и 760 мм рт. ст., определенная в газовом калориметре, составляет QВ = 14000 ккал/м3 (58660 кДж/м3), что соответствует расчетной:

312?1,1709?1000/26,036 = 14000 ккал/м3

Низшая теплотворная способность при тех же условиях может быть принята QH = 13500 ккал/м3 (55890 кДж/м3).

Практически для горения в горелках при восстановительном пламени в горелку подается не 2,5 м3 кислорода на 1 м3 ацетилена, а всего лишь от 1 до 1,2 м3, что примерно соответствует неполному сгоранию по реакции:

С2H2 + О2 = 2СО + H2 + Q2

где Q2 ? 60 ккал/моль или 2300 ккал/кгС2H2. Остальные 1,5-1,3 м3 кислорода поступают в пламя из окружающего воздуха, в результате чего в наружной оболочке пламени протекает реакция:

2СО + H2 + 1,5О2 = 2СO2 + H2O + Q3

Реакция неполного горения ацетилена протекает на внешней оболочке светящегося внутреннего конуса пламени, причем под влиянием высокой температуры на внутренней поверхности конуса происходит распад С2Н2 на его составляющие по реакции:

С2H2 = 2С + H2 + Q4

где Q4?54 ккал/моль или 2070 ккал/кг С2H2.

Таким образом, общая полезная теплопроизводительность пламени применительно к сварочным процессам представляет собой сумму тепла, выделяемого при распаде С2Н2, и тепла, выделяемого при неполном сгорании, что составляет Q4 + Q2 = 2070 + 2300 = 4370 ккал/кг или 4370?1,1709 ? 5120 ккал/м3.

При содержании С2Н2 в смеси около 45% (т. е. при отношении кислорода к ацетилену, примерно равном 1,25) достигается максимальная температура горения ацетилена, которая составляет 3200°С.

При содержании 27% С2Н2 достигается максимальная скорость воспламенения ацетилено-кислородной смеси, которая равна 13,5 м/сек.

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 углекислый газ (СО2) и вода (H2О). 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% С2Н2 — процесс горения прекращается или не возникает.

С2Н2 ацетилен. Свойства ацетилена. Получение ацетилена.

Свойства ацетилена.

В качестве горючего газа при кислородной резке наибольшее распространение получил ацетилен, который является химическим соединением углерода с водородом (С2Н2). При нормальных температуре и давлении ацетилен находится в газообразном состоянии. Химически чистый ацетилен является бесцветным газом со слабым эфирным запахом и слегка сладковатым вкусом. Технический ацетилен, применяемый для кислородной резки, вследствие присутствия в нем некоторых примесей (сероводорода, аммиака, фосфористого водорода и др.) отличается резким неприятным запахом и является вредным для организма человека.

При давлении свыше 2 кг/см2 ацетилен в больших объемах приобретает свойства взрывчатого газа и при соприкосновении с накаленной поверхностью или от электрической искры взрывается, при этом температура достигает 3000°С, а давление увеличивается более чем в 10 раз.

С кислородом и воздухом ацетилен образует взрывоопасные смеси, которые от огня взрываются. Ацетилено — воздушная смесь является взрывоопасной при наличии от 2,3 до 81% ацетилена в воздухе. Еще более опасной является ацетилено — кислородная смесь, которая от огня взрывается при содержании в кислороде от 2,3 до 93% ацетилена, при этом скорость распространения взрывной волны достигает 3000 м/сек, поэтому особенно тщательно нужно следить за плотностью всех ацетиленовых приборов, трубопроводов и пр.

Также читайте: Какие свойства кислорода. Вес 1 м3 кислорода. Вес жидкого кислорода. Способы получения кислорода.

Взрывчатость ацетилена сильно понижается при размещении его в капиллярных (очень тонких) каналах. Этим свойством ацетилена пользуются при наполнении баллонов под давлением — ацетиленовые баллоны заполняют специальной пористой массой.

Реакция ацетилена с ацетоном.

Ацетилен хорошо растворяется во многих жидкостях, особенно в ацетоне. В одном объеме ацетона при 15°С и нормальном давлении растворяется 23 объема ацетилена, а при повышенном давлении — пропорционально больше. Это свойство ацетилена также используют при наполнении баллонов. Растворимость ацетилена в ацетоне в значительной степени зависит от температуры: с повышением температуры растворимость уменьшается, а с понижением резко возрастает.

Способность растворенного ацетилена к взрыву понижается.

Реакция сгорания ацетилена.

Ацетилен при сгорании в смеси с чистым кислородом дает пламя с температурой 3050 — 3150°С, а при сгорании в смеси с воздухом 2350°С.

Полное сгорание ацетилена.

Для полного сгорания 1 м3 ацетилена требуется 2,5 м3 кислорода или 12,5 м3 воздуха.

Ацетилен легче кислорода и воздуха. Удельный вес ацетилена при 0°С и 760 мм рт. ст. 1,17 кг/м3.

При длительном взаимодействии с красной медью и серебром ацетилен дает соединения, которые при нагревании или при сильном ударе взрываются. Поэтому при изготовлении ацетиленовой аппаратуры и арматуры запрещено применение серебряных припоев и красной меди в чистом виде. Допускаются лишь технические медные сплавы, содержащие не более 70% меди.

Получение ацетилена.

Основным промышленным способом получения ацетилена является разложение карбида кальция водой. Карбид кальция представляет собой химическое соединение кальция с углеродом (СаС2) и является твердым веществом темно-серого или серого цвета.

Технический карбид кальция получается сплавлением негашеной извести с углем (коксом или антрацитом). Шихта, состоящая из смеси угля и извести в определенной пропорции, погружается в электрическую дуговую печь, где под влиянием тепла электрической дуги расплавляется с образованием карбида кальция.

Расплавленный карбид выливают из печи в формы — изложницы, в которых он застывает. Застывший карбид кальция затем дробят, сортируют на куски определенных размеров и упаковывают в специальные барабаны для хранения и транспортировки. Барабаны для упаковки карбида кальция делают из листового железа толщиной не менее 0,5—0,6 мм с герметически закрывающейся крышкой. На цилиндрической поверхности барабанов для повышения их прочности накатаны гофры. Барабан вмещает 50— 130 кг карбида кальция.

Карбидные барабаны следует открывать очень осторожно, так как по тем или иным причинам внутрь барабана может проникнуть влага и образоваться взрывоопасная ацетилено-воздушная смесь. Лучше всего покрыть крышку барабана слоем тавота и снимать ее специальным ножом. Ни в коем случае нельзя прибегать к ударам молотка.

Категорически запрещается при раскупорке карбидных барабанов применять пламя или же вырубать крышку барабана зубилом.

Взрыв ацетилена

Поскольку горение ацетилена и взрыв возможны при отсутствии окислителей, в том числе и кислорода он, как и водород является наиболее взрывоопасным газом. Сходство с водородом заключается в том, что они имеют наименьшую энергию зажигания, но об этом чуть-чуть позже.

Взрывоопасность горючих газов и паров характеризуется показателем – величиной энергии зажигания. Вещество с низкой величиной является более взрывоопасно. Значения энергии зажигания (МДж) для стехиометрических газовых смесей при атмосферном давлении и температуре 20°C приведены в таблице ниже.

Из данных в таблице видно, что энергия зажигания смесей с воздухом примерно в 100 раз больше, чем смесей с кислородом.

Чистый ацетилен способен взрываться при быстром нагревании до 450-500°C и избыточном давлении свыше 1,5 кгс/см2. Наиболее взрывоопасны смеси с воздухом, содержащие от 7 до 13% C2H2. При наличии в смеси с воздухом C2H2 от 2,2 до 81% по объему смесь взрывается при атмосферном давлении.

Также при атмосферном давлении взрывоопасна смесь кислорода с ацетиленом от 2,8 до 93% по объему. Наиболее взрывоопасна смесь с кислородом, содержащая 30% C2H2. Поэтому сильный местный нагрев, пламя и даже искра может вызвать взрыв смеси ацетилена с кислородом или воздухом.

Взрываемость чистого ацетилена определяется давлением, температурой, а также зависит от чистоты, содержания в нем влаги, наличия катализаторов, характера возбудителя взрыва, размеров и формы сосуда, условий теплоотвода и ряда других причин. При повышении давления молекулы газообразного ацетилена сближаются, что облегчает распространение распада на всю массу газа. Это подтверждается, с одной стороны, тем, что жидкий ацетилен, у которого сближение молекул особенно велико, является даже при обычной температуре сильно взрывчатым веществом. С другой стороны, сжатый ацетилен утрачивает свою взрывчатость, если его молекулы будут каким-либо образом отделены друг от друга. Это достигается смешиванием ацетилена с азотом или инертными газами, не вступающими с ним во взаимодействие, а также абсорбируя ацетилен ацетоном или другим растворителем в присутствии пористого вещества. Так, например, влажный ацетилен менее взрывоопасен, чем сухой. Смесь, содержащая 1,15 объема C2H2 на один объем водяного пара, не способна к взрывчатому распаду. Это может быть объяснено аналогично сказанному выше разобщением молекул C2H2 парами воды.

Взрыв ацетилена или смеси его с кислородом и воздухом сопровождается выделением тепла, в результате чего повышается давление и температура. Следовательно, такие взрывы могут вызвать разрушения и несчастные случаи. Поэтому обращение с ацетиленом требует строгого соблюдения мер безопасности.

Давление, образуемое при взрыве, зависит от начальных параметров и характера взрыва, и возрастает примерно в 10-15 раз по сравнению с начальным давлением

При растворении ацетилена в жидкостях его взрывоопасность понижается. Лучше всего он растворяется в ацетоне, но подробнее об этом в статье о полимеризации и растворении ацетилена

При длительном соприкосновении C2H2 с медью, серебром и ртутью образуются взрывные соединения – ацетиленоиды. Ацетиленоиды взрываются при ударе или при нагреве выше 100°C. Поэтому для изготовления аппаратуры, соприкасающейся с ацетиленом, применяют сплавы с содержанием меди не более 70%.

Вот почему вся аппаратура для транспортировки и хранения ацетилена изготовлена из стали и имеет специфическую конструкцию, которая исключает возможность подключения оборудования для других газов.

При взаимодействии хлора с ацетиленом, содержащим даже небольшое количество воздуха, происходит взрыв. Чистый ацетилен при контакте с хлором взрывается при интенсивном освещении.

Сгорание ацетилена вода газ

Ацетилен применяется в промышленности в качестве горючего для газовой сварки и резки металлов, а также в качестве сырья для различных химических производств.
Ацетилен является химическим соединением углерода и водорода. Технический ацетилен представляет собой бесцветный газ с резким характерным запахом. Длительное вдыхание его вызывает головокружение, тошноту и может привести к отравлению. Ацетилен легче воздуха, хорошо растворяется в различных жидкостях. Особенно хорошо он растворяется в ацетоне. Ацетилен при сгорании в смеси с чистым кислородом дает пламя температурой 3050— 3150° С. Он является взрывоопасным газом.

Ацетилен взрывается при следующих условиях:

1) при повышении температуры свыше 500° С и давления свыше 1,5 ат\

2) смесь ацетилена с кислородом при содержании в ней от 2,8 до 93% ацетилена взрывается при атмосферном давлении от искры, пламени, сильного местного нагрева и пр.;

3) при тех же условиях ацетилено-воздушная смесь взрывается при содержании в ней от 2,8 до 80,7% ацетилена;

4) при длительном соприкосновении ацетилена с медью или серебром образуется взрывчатая ацетиленистая медь или ацетиленистое серебро, которые взрываются при ударе или повышении температуры.

Взрыв ацетилена сопровождается резким повышением давления и температуры и может вызвать тяжелые несчастные случаи и значительные разрушения.

При помещении ацетилена в узкие каналы способность его к взрыву при повышении давления значительно понижается. В промышленности ацетилен получают в результате разложения карбида кальция водой в специальных аппаратах — ацетиленовых генераторах. Получающийся таким образом технический ацетилен обычно содержит вредные примеси: сероводород, аммиак, фосфористый водород, кремнистый водород, которые придают ацетилену резкий запах и ухудшают качество сварки. Примеси удаляют из ацетилена путем промывки в воде и химической очистки специальными очистительными веществами. Кроме того, ацетилен может содержать пары воды и механические частицы (известковая и угольная пыль). Для удаления влаги ацетилен подвергается осушке. Очистка от пыли осуществляется матерчатым фильтром. Для сварки ацетилен можно отбирать из ацетиленопровода, идущего от ацетилено-генераторной станции, либо непосредственно от однопостового генератора. Ацетилен может поставляться также в баллонах под давлением 16ат, растворенный в ацетоне.

Кроме ацетилена, при сварке и резке металлов можно применять и другие горючие газы или пары горючих жидкостей: водород, нефтяной газ, пары бензина, керосина и др.

Водород представляет собой горючий газ без цвета и запаха. Водород — один из самых легких газов. Температура пламени при сгорании в кислороде 2300° С. Водород легко загорается и в определенной смеси с кислородом или воздухом дает взрывчатую смесь, которая носит название гремучего газа. Поэтому при производстве работ по сварке и резке водородом необходимо строго соблюдать правила техники безопасности во избежание взрыва. Получают водород путем разложения воды электрическим током. Хранят его и перевозят в стальных баллонах в газообразном виде под давлением 150ат.

Пропан бутановую смесь получают при добыче и переработке естественных нефтяных газов и нефти. Температура пламени при сгорании смеси в кислороде достигает 2100° С.

При небольшом давлении смеси пропана и бутана сжижаются. Хранение и транспортировка их производятся в стальных баллонах емкостью 33 и 45 кг под давлением до 16 ат, заполняемых жидкой смесью до половины объема, так как при нагревании баллона может значительно повыситься давление, что может привести к взрыву баллона. Смесь применяется для резки, пайки, закалки, сварки свинца, алюминия и стали небольшой толщины.

Нефтяной газ представляет собой смесь горючих газов, обладает неприятным запахом, бесцветен. Получается при переработке нефти и нефтепродуктов. Температура пламени при сгорании в кислороде 2300° С. Хранится и перевозится в газообразном состоянии в баллонах под давлением 150 ат. При этом давлении он частично сжижается. В установке для резки и сварки нефтяным газом требуется испаритель. Применяется для резки, пайки, закалки, сварки стали толщиной до 2—3 мм, сварки латуни, свинца, алюминия.

Коксовый газ — газообразная смесь горючих продуктов, получающихся на коксохимических заводах при выработке из углей кокса. Температура пламени при сгорании в кислороде — около 2000° С.

Доставляется к месту сварки по газопроводу или в баллонах под давлением 150ат. Коксовые газы загрязнены цианистыми соединениями, которые могут привести к отравлениям. Поэтому перед применением их тщательно очищают. Применяется для резки, пайки и сварки легкоплавких металлов.

Метан при нормальной температуре и давлении представляет собой бесцветный газ. Метан в больших количествах находится в естественных газах, где содержание его доходит до 95—98%, температура пламени при сгорании в кислороде 1850° С для дашавского и 2000° С для саратовского газа.

На места потребления природные газы, как правило, подаются по трубопроводам и сравнительно редко производится транспортировка в газообразном состоянии в баллонах под давлением 150ат. Применяется для сварки легкоплавких металлов, резки и пайки.

Городской газ (московский) является смесью коксового, нефтяного и природных газов. Получается при газификации твердого топлива. Температура пламени при сгорании в кислороде — около 2000° С.

На места потребления для резки и сварки легкоплавких металлов подается по газопроводам или в сжатом виде в баллонах под давлением 150ат.

Бензин представляет собой легко испаряющуюся прозрачную жидкость. Пары бензина при сгорании в кислороде дают температуру 2400° С. Бензин получается при переработке нефти. Хранится и перевозится в жидком виде в сосудах при атмосферном давлении. Для сварки и резки применяется специальная аппаратура. Бензин чаще применяется для резки, чем для сварки.

Керосин для газопламенной обработки используется, как и бензин, в виде паров. С этой целью применяются специальные горелки и резаки, снабженные испарителями. Керосинокислородное пламя имеет более низкую температуру (2700°С), чем бензинокислородное. Тем не менее керосин широко применяется при газовой резке.

Следует иметь в виду, что все рассмотренные газы, а также пары бензина являются взрывоопасными.

Источник

Физические свойства

Рис.1. Пи-связи в молекуле ацетилена

При нормальных условиях — бесцветный газ, легче воздуха. Чистый 100 % ацетилен не обладает запахом. Технический ацетилен хранится в баллонах с пористым наполнителем, пропитанным ацетоном (т.к. чистый ацетилен при сжатии взрывается), и может содержать другие примеси, которые придают ему резкий запах. Малорастворим в воде, хорошо растворяется в ацетоне. Температура кипения −83,6 °C. Тройная точка −80,55 °C при давлении 961,5 мм рт. ст., критическая точка 35,18 °C при давлении 61,1 атм.

Ацетилен требует большой осторожности при обращении. Может взрываться от удара, при нагреве до 500 °C или при сжатии выше 0,2 МПа при комнатной температуре

Струя ацетилена, выпущенная на открытый воздух, может загореться от малейшей искры, в том числе от разряда статического электричества с пальца руки. Для хранения ацетилена используются специальные баллоны, заполненные пористым материалом, пропитанным ацетоном.

Ацетилен обнаружен на Уране и Нептуне.

Реакции присоединения

Тройная связь состоит из σ-связи и двух π-связей. Сравним характеристики одинарной связи С–С, тройной связи С≡С и связи С–Н:

Таким образом, тройная связь С≡С короче, чем одинарная связь С–С, поэтому π-электроны тройной связи прочнее удерживаются ядрами атомов углерода и обладают меньшей поляризуемостью и подвижностью. Реакции присоединения по тройной связи к алкинам протекают сложнее, чем реакции присоединения по двойной связи к алкенам.

Для алкинов характерны реакции присоединения по тройной связи С≡С с разрывом π-связей.

1.1. Гидрирование

Гидрирование алкинов протекает в присутствии катализаторов (Ni, Pt) с образованием алкенов, а затем сразу алканов.

При использовании менее активного катализатора (Pd, СaCO3, Pb(CH3COO)2) гидрирование останавливается на этапе образования алкенов.

1.2. Галогенирование алкинов

Присоединение галогенов к алкинам происходит даже при комнатной температуре в растворе (растворители — вода, CCl4).

Аналогично алкины реагируют с хлором, но обесцвечивания хлорной воды при этом не происходит, потому что хлорная вода и так бесцветная)

Реакции протекают в присутствии полярных растворителей по ионному (электрофильному) механизму.

1.3. Гидрогалогенирование алкинов

Алкины присоединяют галогеноводороды. Реакция протекает по механизму электрофильного присоединения с образованием галогенопроизводного алкена или дигалогеналкана.

При присоединении галогеноводородов и других полярных молекул к симметричным алкинам образуется, как правило, один продукт реакции, где оба галогена находятся у одного атома С.

При присоединении полярных молекул к несимметричным алкинам образуется смесь изомеров. При этом выполняется правило Марковникова.

1.4. Гидратация алкинов

Гидратация (присоединение воды) алкинов протекает в присутствии кислоты и катализатора (соли ртути II).

Сначала образуется неустойчивый алкеновый спирт, который затем изомеризуется в альдегид или кетон.

Гидратация алкинов протекает по ионному (электрофильному) механизму.

Для несимметричных алкенов присоединение воды преимущественно по правилу Марковникова.

1.5. Димеризация, тримеризация и полимеризация

Присоединение одной молекулы ацетилена к другой (димеризация) протекает под действием аммиачного раствора хлорида меди (I). При этом образуется винилацетилен:

Тримеризация ацетилена (присоединение трех молекул друг к другу) протекает под действием температуры, давления и в присутствии активированного угля с образованием бензола (реакция Зелинского):

Алкины также вступают в реакции полимеризации — процесс многократного соединения молекул низкомолекулярного вещества (мономера) друг с другом с образованием высокомолекулярного вещества (полимера).

nM → Mn (M – это молекула мономера)

… –CH=CH–CH=CH–CH=CH–…

Ацетилен

Впервые ацетилен получил в 1836 году Дэви

, действуя на карбид кальция водой. Дал название ацетилену французский химик – П.Э. Бертло в 1860

году.

Ацетилен, или этин является первым представителем ненасыщенных углеводородов с тройной связью

. Его молекулярная формула С2Н2. Начиная с ацетилена, можно построить гомологический ряд

, в котором каждый последующий углеводород отличается от предыдущего на одну группу СН2.

С3Н4 – это пропин

, С4Н6 – бутин

. Поэтому
общая формула гомологического ряда ненасыщенных углеводородов с одной тройной связью СnНn-2
.
Общее название этого класса – алкины
.

Названия ацетилена и его гомологов образуют изменением суффикса – ан на суффикс –ин.

В отличие от этилена, имеющего плоскостное строение, ацетилен имеет линейное строение

: все четыре атома молекулы ацетилена лежат на одной прямой с углами связей, равными 1800. Каждый атом углерода образует три связи с атомами углерода и одну – с атомами водорода.

Ацетилен при обычных условиях

представляет собой бесцветный газ, смесь которого с воздухом взрывается от искры. Ацетилен плохо растворяется в воде, хорошо растворяется в ацетоне: в одном объёме ацетона при обычных условиях растворяется двадцать пять объёмов ацетилена.

Так как ацетилен содержит кратные связи, то для него характерны реакции присоединения.

Например, при присоединении водорода количеством один моль к ацетилену количеством один моль в присутствии катализатора образуется этилен

.

В данной реакции происходит разрыв только одной ковалентной связи в молекуле ацетилена.

Этилен, в свою очередь, также может взаимодействовать с водородом в присутствии катализатора с образованием этана

. Поэтому можно написать суммарное уравнение присоединения водорода количеством два моль к ацетилену количеством один моль с разрывом двух ковалентных связей и образованием этана.

Ацетилен вступает и в реакции присоединения галогенов

Например, при присоединении хлора количеством 1 моль к ацетилену количеством один моль, разрывается одна ковалентная связь и образуется 1,2–дихлорэтен

, если к ацетилену присоединить сразу два моль хлора, то разрывается две ковалентные связи и образуется соединение 1,1,2,2–тэтрахлорэтан

.

Кроме галогенов, ацетилен вступает в реакции присоединения галогеноводородов.

Например, при присоединении хлороводорода количеством один моль к ацетилену количеством один моль, то разрывается только одна ковалентная связь и образуется хлорэтен

. Если к ацетилену количеством один моль добавить два моль хлороводорода, то разрываются две связи и образуется
1,1–дихлорэтан
.

При горении ацетилена образуется углекислый газ и вода

В лаборатории ацетилен получают

действием воды на карбид кальция СаС2. В результате этого взаимодействия образуется ацетилен и гидроксид кальция.

Например, если на карбид кальция подействовать водой, а затем поджечь выделяющийся газ, то он горит коптящим пламенем. Это горит ацетилен.

В смеси с кислородом ацетилен широко используется

для резки и сварки металлов. Ацетилен используют при получении растворителей, уксусной кислоты, клея ПВА, поливинилхлорида, а также его используют как горючее.

Решим задачу. Вычислите, какой объём ацетилена при нормальных условиях, образуется в результате взаимодействия с водой 100 г технического карбида кальция, содержащего 4% примесей.

По условию задачи нам дана масса карбида кальция 100 г и массовая доля примесей в этом техническом карбиде кальция 4%. Найти нужно объём ацетилена. Согласно уравнению, в результате этой реакции образуется газ ацетилен и гидроксид кальция. Найдём массовую долю чистого карбида кальция, для этого от 100 вычитаем 4 и получаем 96%, поэтому масса чистого карбида кальция равна произведению массы технического карбида кальция на массовую долю чистого карбида кальция. Получается нужно 100 умножить на 0,96%, получаем 96 г. Нам необходимо найти количество вещества карбида кальция, для этого необходимо его массу разделить на молярную массу. Чтобы найти молярную массу карбида кальция нужно атомную массу кальция умножить на один и сложить с произведением атомной массы углерода, умноженной на два, получается 64 г/моль. Находим количество вещества карбида кальция, для этого разделим массу на молярную массу, подставим значения: 96 г делим на 64 г/моль, получаем 1,5 моль. Найдём по уравнению реакции количество вещества ацетилена, для этого 1,5 умножим на 1 и разделим на 1, будет 1,5 моль. Теперь можно найти и объём ацетилена, для этого необходимо количество вещество умножить на молярный объём. Получается 1,5 моль умножим на 22,4 л/моль, будет 33,6 л. Поэтому, в результате данной реакции образуется 33,6 л ацетилена.

Таким образом, ненасыщенные углеводороды с одной тройной связью (алкины) образуют гомологический ряд общей формулой СnНn-2. Названия ацетилена и его гомологов образуют изменением суффикса –ан на суффикс –ин. Ацэтилен имеет линейное строение и образует угол связи равный 1800. Характерными свойствами ацетилена являются реакции присоединения.

Ацетилен: применение в строительстве и промышленности

Автогенные и сварочные работы сопровождают практически все этапы строительства. Именно в этих видах работ применяется ацетилен. В специальном устройстве под названием горелка происходит смешивание газов и непосредственно сама реакция горения. Наивысшая температура данной реакции достигается при содержании ацетилена 45 % от всего объема баллона.

Баллоны с этим газом маркируют следующим образом: окрашивают в белый цвет и большими красными буквами наносят надпись: «Ацетилен»

Строительные работы проводятся в основном на открытом воздухе. Применение ацетилена и его гомологов в этих условиях не должно проходить под воздействием прямых солнечных лучей. Небольшие перерывы должны сопровождаться перекрыванием вентилей на горелке, а длительные – перекрыванием вентилей на самих баллонах.

В химической промышленности очень востребован ацетилен. Применение его заключается в использовании данного вещества в процессе получения продуктов органического синтеза. Это синтетический каучук, пластмассы, растворители, уксусная кислота и т.д.

Ацетилен, являясь универсальным горючим, часто используется в процессах, сопровождающихся газопламенной обработкой

Важно, что применение ацетилена в промышленности возможно только при соблюдении мер безопасности, так как он является взрывоопасным газом