Kiến thức về cháy nổ

Loài người phát minh ra lửa để nấu thức ăn và sưởi ấm nơi ở. Nhưng sự cháy là gì, thì phải trải qua hàng ngàn năm mới có giải thích đúng về hiện tượng này...

• Người ta cho rằng nhà bác học người Nga Mikhain – Valixép - Lômônôxốp (1711 - 1765) là người có giải thích đúng đắn về sự cháy. Theo ông: “cháy là một phản ứng hóa học có tỏa nhiệt và chiếu sáng”.
• Trong phản ứng hoá học có bao gồm cả phản ứng hóa hợp và phản ứng phân tích cũng dẫn đến tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng như trường hợp 2NCl3 = 3Cl2 + N2.
• Nổ cũng là sự cháy nhưng ở tốc độ nhanh hoặc rất nhanh.
• Quá trình nghiên cứu sau Lômônôxốp, người ta nhận thấy các chất cháy không chỉ cháy với oxy mà còn có thể cháy trong môi trường của những chất oxy hoá khác như: Clo, Brôm, Lưu huỳnh v..v..Do vậy ngày nay người ta đã định nghĩa: “cháy là tổng hợp của các quá trình biến đổi lý hoá phức tạp có tỏa nhiệt và phát ra ánh sáng”.

2. Những yếu tố và điều kiện cần thiết cho sự cháy. Sự cháy muốn xảy ra và tồn tại cần phải có 3 yếu tố là : chất cháy, chất ôxy hoá, nguồn nhiệt.
2.1 Chất cháy : Là những chất có khả năng tham gia phản ứng với chất ôxy hoá, khi cháy, nổ, bị biến đổi thành phần hoá học tạo ra sản phẩm cháy đồng thời giải phóng năng lượng nhiệt và phát xạ ánh sáng. Chúng ta có thể phân loại chất cháy theo trạng thái tồn tại và khả năng cháy của các chất cháy như sau :
- Chất Cháy Rắn: các chất này thường có các thành phần cấu tạo từ các nguyên tố : C, H, S, O, N.
- Chất Cháy Lỏng: là những chất cháy ở trạng thái lỏng như xăng, dầu, rượu, benzen, chất cháy lỏng bao giờ cũng bốc hơi sau đó mới tham gia phản ứng cháy, cho nên quá trình cháy của các chất lỏng lan nhanh và liên tục. - Chất Cháy Khí: là chất cháy dễ dàng kết hợp với không khí hoặc các chất ô xy hoá khác thành hỗn hợp cháy. Theo một tỷ lệ nhất định nào đó của chất cháy khí hoặc các chất ô xy hoá ở dạng khí có thể gây nguy hiểm về nổ. Nếu căn cứ theo khả năng cháy của các chất cháy thì các chất cháy được chia thành 3 dạng sau 1.

Chất không cháy: là chất dưới tác dụng của chất ôxy hóa và nguồn nhiệt cao nhưng không bị bốc cháy ( ví dụ : chất –CaCO3 –H2SO4 ).
2. Chất khó cháy: là chất chỉ có khả năng bốc cháy khí có sự tác dụng liên tục của chất ôxy hoá và nguồn nhiệt cao ( như kim loại sắt đồng …).
3. Chất dễ cháy: là những chất có khả năng bốc cháy dưới tác dụng của nguồn nhiệt thông thường. 2.2 Chất Ôxy hoá:
- Là những chất có khả năng ôxy hoá chất cháy.
Trong phản ứng cháy với các chất cháy chúng là những chất nhận thêm được điện tử hoá trị; ví dụ ôxy ở dạng nguyên chất ôxy trong không khí, các chất trong nhóm Halogen (Clo, Flo – Brôm …) các chất chứa ôxy như : KmnO4, KclO các chất này dưới tác dụng của nhiệt độ sẽ phân tích và giải phóng ra ôxy.
- Trong thực tiễn các đám cháy thường xảy ra ở môi trường không khí. Nên chất ôxy hoá ở đám cháy này là ôxy trong không khí về thành phần ôxy trong một đơn vị thể tích không khí chiếm 21% còn lại 79% là Nitơ và các khí trơ khác. Khi thành phần của ôxy trong không khí giảm xuống đến 14% thì đa số sự cháy của các chất cháy không còn tồn tại nữa.

2.3 Nguồn nhiệt: - Nguồn nhiệt của sự cháy là những nguồn cung cấp năng lượng nhiệt cần thiết cho phản ứng cháy. Nguồn nhiệt có thể là nguồn nhiệt trựcc tiếp (ngọn lửa trần, tia lửa điện, kim loại nung nóng). Nguồn nhiệt gián tiếp như nhiệt độ do ma sát, do phản ứng hoá học sinh ra.
- Ba yếu tố cần cho sự cháy nói trên đó chỉ là điều kiện cần của sự cháy. Nghĩa là có đủ 3 yếu tố đó. sự cháy chưa chắc đã xảy ra mà nó cần phải có những điều kiện đủ sau đây:

1. Chất cháy, chất ôxy hoá, nguồn nhiệt phải trực tiếp xúc và tác dụng với nhau thì sẽ không có phản ứng hoá học xảy ra. 2. Thời gian tiếp xúc: thời gian tiếp nhiệt phải đủ lớn để phản ứng hoá học tỏa ra đủ để sự cung cấp và kích thích phản ứng, cho tới khi xuất hiện ngọn lửa.

3. Công suất nguồn nhiệt: công suất nguồn nhiệt phải có giá trị thích hợp nào đó đối với đối với một hỗn hợp chất cháy ( chất cháy + chất ô xy hoá ) có như vậy mới đảm bảo năng lượng cung cấp kích thích của phản ứng xảy ra và đạt tới tốc độ làm xuất hiện sự cháy.

4. Nồng độ chất ôxy hoá: nồng độ chất ôxy hoá phải đảm bảo một giới hạn nào đó để duy trì sự cháy. Đối với các chất cháy khác nhau nồng độ ôxy hóa đòi hỏi khác nhau, nhưng đa số các chất cháy không cháy được nữa khi nồng độ ôxy trong không khí giảm xuống còn 14 – 15%.

5. Nồng độ chất cháy: đối với chất cháy rắn, dễ xảy ra sự cháy thì chất cháy cần phải đạt tới một mức độ tập trung vào đó, hay nói cách khác là khối lượng chất cháy đó phải có độ lớn nhất định. Như vậy điều kiện cần và đủ để sự cháy xảy ra và tồn tại phải có đầy đủ 3 yếu tố và 5 điều kiện cần thiết cho sự cháy. Việc nghiên cứu những yếu tố và điều kiện cần thiết cho sự cháy. Việc nghiên cứa những yếu tố và điều kiện cần thiết này có ý nghĩa rất lớn trong công tác phòng cháy và chữa cháy. Giúp chúng ta có phương hướng biện pháp an toàn đối với việc ngăn ngừa sự cháy xảy ra cũng như dập tắt đám cháy có hiệu quả.

6. Tự bốc cháy:
Định nghĩa: Chúng ta biết rằng tất cả các chất cháy khi tiếp xúc với không khí (hoặc chất ôxy hóa) trong điều kiện nhất định của môi trường (nhiệt độ, áp suất độ ẩm) sẽ xảy ra sự ôxy hóa. Qúa trình ôxy hóa đó có kèm theo tỏa nhiệt. Nếu nhiệt do quá trình ôxy hóa toả ra lớn hơn nhiệt từ hỗn hợp truyền ra môi trường xung quanh thì hỗn hợp đó sẽ tích nhiệt và được nung nóng lên đến một lúc nào đó hỗn hợp sẽ bị bốc cháy. Quá trình bốc cháy đó gọi là quá trình tự bốc cháy. 3.2 Nhiệt độ tự bốc cháy: Nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp cháy là nhiệt độ thấp nhất mà tại đó hỗn hợp có khả năng tự nung nóng tới khi bốc cháy. 3.3 Những yếu tố ảnh hưởng đến nhiệt độ tự bốc cháy: Theo lý thuyết tự bốc cháy, nhiệt độ tự bốc cháy phụ thuộc vào tốc độ tỏa nhiệt và tốc độ chuyền nhiệt. Hai đại lượng này lại phụ thuộc vào: thể tích hỗn hợp cháy, hình dạng kích thước chất cháy và hỗn hợp. Số lượng của nó trong một đơn vị thể tích, áp suất của hỗn hợp và những yếu tố khác. Vì vậy, nhiệt độ bốc cháy không phải là một đại lượng cố định đối với các chất cháy khác nhau và cũng như của một loại chất cháy, mà nó còn phụ thuộc vào các yếu tố sau đây: - Anh hưởng của thành phần và cấu tạo của các chất cháy. Những chất cháy có thành phần cấu tạo khác nhau thì nhiệt độ tự bốc cháy khác nhau. Những chất nào có cấu tạo bền vững hơn so với sự ôxy hóa, thì nhiệt độ tự bốc cháy cao hơn. - Anh hưởng của thể tích bình chứa hỗn hợp: Đối với cùng một hình dạng bình chứa như nhau nhưng khi thể tích bình tăng lên thì nhiệt độ tự bốc cháy giảm. (Khi thể tích tăng lên thì bề mặt truyền nhiệt riêng giảm xuống. Tốc độ truyền nhiệt ra môi trường xunh quanh giảm. Lượng nhiệt tích tụ nhiều trong hỗn hợp dẫn đến nhiệt độ tự bốc cháy giảm). Nhiệt độ tự bốc cháy giảm xuống khi thể tích tăng lên và ngược lại, tuy nhiên đến một mức độ nào đó thì nhiệt độ tự bốc cháy không thay đổi. Ngoài ra nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp không những phụ thuộc vào thể tích bình chứa mà còn phụ thuộc vào hình dạng của bình chứa hoặc hỗn hợp chất cháy đó. - Anh hưởng của thành phần hỗn hợp cháy: Nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp hơi, với không khí thay đổi phụ thuộc vào thành phần (nồng độ) của hỗn hợp. Thành phần tỷ lệ hợp thức của hỗn hợp, thì nhiệt độ tự bốc cháy là thấp nhất. Từ nồng độ hợp thức trở lên khi nồng độ tăng thì nhiệt độ tự bốc cháy tăng và từ nồng độ hợp thức trở xuống nếu nồng độ giảm thì nhiệt độ tự bốc cháy cũng tăng. Sự tăng và giảm của nồng độ chất cháy đến một giới hạn xác định nào đó thì hỗn hợp không còn khả năng tự bốc cháy. - Anh hưởng của áp suất hỗn hợp :Khi áp suất hỗn hợp càng lớn nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp càng giảm. Bởi vì khi áp suất tăng làm cho khoảng cách giữa các phần tử cháy và chất ôxy hóa thu hẹp lại, sự va chạm có hiệu quả giữa chúng tăng lên làm thúc đẩy phản ứng ôxy hóa tăng. tốc độ tự bốc cháy giảm xuống. - Anh hưởng của chất xúc tác: Chất xúc tác đối với phản ứng cháy có thể là vật liệu thành bình hỗn hợp, có thể chính là bề mặt của vật nung nóng. Chất xúc tác có 2 loại: + Chất xúc tác dương : là chất xúc tác làm tăng tốc độ phản ứng và do đó làm hạ thấp nhiệt độ tự bốc cháy của hỗn hợp. + Chất xúc tác âm là chất xúc tác kìm hãm tốc độ phản ứng và do đó làm tăng nhiệt độ bị bốc cháy của hỗn hợp. + Chất xúc tác có ảnh hưởng rất lớn đến nhiệt độ tự bốc cháy của hơi chất cháy trong và chất cháy khí. 4. Tự cháy của chất cháy: 4.1 Khái niệm về tự cháy: Chúng ta đã nghiên cứu quá trình tự bốc cháy của hỗn hợp chất cháy. Đó là quá trình mà hỗn hợp chất cháy được nung nóng ban đấu bằng nguồn nhiệt bên ngoài sau đó tự nung nóng cho đến khi xuất hiện sự cháy. Những hỗn hợp có tính chất lý hoá khác nhau thì có nhiệt độ tự bốc cháy khác nhau. Cụ thể như một số chất cháy trong không khí có nhiệt độ bốc cháy cao hơn 7730K ( Metan, etan, Pro Pain, than cốc ). Ngược lại những chất cháy có nhiệt độ tự bốc cháy thấp hơn nhiệt độ bình thường của môi trường không khí là 1930K, (Phốt pho trắng, bột nhôm). Những chất này để trong môi trường không khí với nhiệt độ bình thường, nó sẽ tự nung nóng và xuất hiện sự cháy mà không cần nguồn nhiệt khác trực tiếp nung nóng. Những chất như vậy được gọi là chất tự cháy. Như vậy: Quá trình tự cháy là quá trình những chất cháy có khả năng tự nung nóng cho tới khi xuất hiện sự cháy ở điều kiện nhiệt độ ban đầu bình thường của môi trường xung quanh, mà không cần tới nguồn nhiệt bên ngoài nung nóng nó. 4.2 Bản chất: Bản chất của quá trình tự cháy cũng giống như quá trình tự bốc cháy. Đó là giữa chất cháy và chất ôxy hóa xảy ra phản ứng hoá học kèm theo toả nhiệt. Trong mối quan hệ giữa tốc độ toả nhiệt và tốc độ truyền nhiệt ra môi trường xung quanh thích hợp. Hỗn hợp cháy tích nhiệt và tự nung nóng cho tới khi xuất hiện sự cháy. Hai quá trình này chỉ khác nhau là : quá trình tự cháy xảy ra ở điều kiện nhiệt độ bình thường của môi trường, do nhiệt độ tự bốc cháy của các chất tự cháy thấp hơn hoặc bằng nhiệt độ của môi trường xung quanh. 4.3 Một số chất tự cháy thường gặp: Trong cuộc sống hàng ngày chúng ta có thể gặp một số chất tự cháy. Căn cứ vào các chất tiếp xúc với các loại chất cháy đó mà chúng ta phân ra thành các loại chất tự cháy sau: - Các chất tự cháy khi tiếp xúc với không khí : các chất tự cháy khi tác dụng với không khí, thường là các loại dầu mỡ, thảo mộc, than mỡ và một số chất vô cơ. Bao gồm: Dầu thực vật (dầu lanh, dầu trẩu, dầu lạc) than mỏ (than đá), gồm than nâu, than mỡ, than cốc, than Atraxít, than bùn, các loại thảo mộc như cỏ khô, rơm rạ, lá cây, thuốc lá, thuốc lào… và một số hoá chất tự cháy khi tiếp xúc với không khí như sun phua sắt FeS. Phốt pho trắng, Phốt hua Hydro, các bua kim loại kiềm, bột nhôm… - Các chất tự cháy khi tiếp xúc với nước : Một số chất tự cháy khi tiếp xúc với nước như kim loại kiềm, Hydro kim loại kiềm, phốt phua kim loại v.v… như : Kali, Natri, Rubiđi kim loại kiềm thô như canxi, hydrô kim loại NaH, các loại kiềm Na2C2 (cac buanatri) K2C2 (cacbuakali). - Các chất tự cháy khi tiếp xúc với chất oxy hoá mạnh : Nhiều chất cháy, nhất là chất cháy hữu cơ, khi tiếp xúc (tác dụng) với chất oxy hóa, có khả năng tự cháy. Các chất oxy hóa mạnh đó bao gồm: Đơn chất : như Halozen ( Clo, Flo, Brôm ). Hợp chất : các ôxít có chứa ôxy như axít sunphuarít (H2SO4¬) ôxít Nitơrích (HNO3) các hợp chất ôxy hóa mạnh như KMNO4, KClO3, các Pe oxit của kim loại kiềm và kiềm thô. 5. Sản phẩm cháy – khói: 5.1 Sản Phẩm Cháy: Sản phẩm cháy là những chất khí hơi, rắn được tạo thành do kết quả của sự cháy giữa chất cháy với ôxy hóa. 5.1.1 Về thành phần của sản phẩm cháy: chúng phụ thuộc vào thành phần của chất cháy, chất ôxy hóa và điều kiện xảy ra cháy. Trong môi trường không khí chất cháy là chất hữu cơ (gỗ, nhựa, cao su, bông, vải…) mà thành phần chủ yếu của chất cháy là các nguyên tố C, H,O,S,N thì sản phẩm của chúng gồm CO2, CO, H2O, NO2, SO2. Ngoài ra do không khí tham gia vào sự cháy nên sản phẩm cháy còn có mặt của Nitơ, và ôxy dư. Căn cứ vào điều kiện xảy ra sự cháy người ta chia sản phẩm cháy thành hai loại : sản phẩm cháy hoàn toàn và sản phẩm cháy không hoàn toàn. 1. Sản phẩm cháy hoàn toàn: là sản phẩm được tạo thành ở điều kiện nhiệt độ của đám cháy có đủ ôxy cung cấp cho sự cháy. Sản phẩm cháy thu được là những chất cháy không có khả năng cháy tiếp tục được nữa như CO2, H2O, SO2… 2. Sản phẩm cháy không hoàn toàn: là sản phẩm cháy được tạo thành khi cháy ở điều kiện nhiệt độ thấp, thiếu ôxy cung cấp. Sản phẩm cháy có những chất có thể tiếp tục tham gia cháy được nữa ví dụ như H2O, CO, Ch4, H2. Sản phẩm cháy không hoàn toàn thường được tạo thành ở những đám cháy trong phòng kín, trong hầm lò và ở những nơi sự trao đổi khí kém. Căn cứ vào thành phần sản phẩm cháy người ta chia sản phẩm cháy ướt và sản phẩm cháy khô. - Sản phẩm cháy ướt: là sản phẩm cháy mà thành phần của nó chứa hơi nước. - Sản phẩm cháy khô: là sản phẩm cháy mà thành phần của nó không chứa hơi nước. 5.1.2 Tính chất của sản phẩm cháy: Trong thành phần của sản phhẩm cháy đa số là các hợp chất oxít ( oxit cacbon, cácbon điôxít, cacbon ních, ôxít lưu hùynh ) là những khí độc đối với cơ thể con người đường thâm nhập của chúng chủ yếu là qua đường hô hấp. - CO2 (Cacbon ních): là chất không màu, không mùi dễ tan trong nước, với nồng độ từ 0,4% trở lên trong thể tích không khí đã gây nguy hiểm đến tính mạng của con người, từ 8 đến 10% trở lên, con người sẽ chết ngạc ngay khi tiếp xúc. Ngược lại -CO2 có tác dụng để chữa cháy, nhất là chữa cháy điện. - CO (oxít cacbon) là sản phẩm cháy khôngg hoàn toàn, cũng là chất không màu, không mùi, kho6ng tan trong nước, nồng độ từ 0,4% thể tích trở lên đã gây nguy hiểm đến tính mạng con người, CO kết hợp với không khí tạo thành một hỗn hợp nổ. - HCl, H2S, SO2: là các chất của sản phẩm cháy là khí độc đối với cơ thể con người, gây ngạt, gây chảy nước mắt kích thích niêm mạc mắt… Vì vậy trong quá trình cứu chữa đám cháy cần phải có sự phán đoán, phân tích chính xác để ccó biện pháp trang bị an toàn cho người cứu chữa. 5.2 Khói: Trong các đám cháy thường xuất hiện những cột khói bốc lên … Qua nghiên cứu phân tích và xác định người ta rút ra kết luận chung về khói là : - Khói là một hệ thống gồm những phần tử rắn rất nhỏ của sản phẩm cháy, phân bố lơ lửng trong hỗn hợp các sản phẩm cháy dạng khí và không khí. - Những hạt rắn nhỏ ấy thường là muối than (hạt cacbon) các ôxít kim loại. Kích thước các hạt đó vào khoản từ 10-4 đến 10-5mm tuỳ theo thành phần của chất cháy khác nhau mà khói có màu sắc và mùi vị khác nhau.

Ngọc Duy ST


094 6666 348 - 08 3868 8875