Hóa học về cháy nổ

Hiện tượng cháy và nổ là những hiện tượng bạn thường gặp trong cuộc sống. Nếu bạn sử dụng đúng mục đích thì chúng thật sự rất hữu ích, nhưng khi bạn không được trang bị những kiến thức cơ bản thì sẽ rất nguy hiểm.

Vì thế trong bài viết lần này, chúng ta sẽ tìm hiểu hóa học về cháy, nổ và những vấn đề xung quanh để hiểu rõ hơn về chúng nhé!

Khái niệm về cháy, nổ

Cháy là một hiện tượng rất quen thuộc trong đời sống của con người, thường được con người quan tâm nghiên cứu để ứng dụng lợi ích của nó phục vụ cho cuộc sống đồng thời hạn chế thiệt hại do nó gây ra.

Theo Từ điển Bách khoa Công an nhân dân Việt Nam năm 2005 thì cháy được hiểu là: “Phản ứng ôxy hoá có kèm theo toả nhiệt và phát sáng.

Sự cháy chỉ xảy ra khi có đầy đủ các điều kiện cháy, đó là sự kết hợp giữa chất cháy, chất ôxy hoá (thường là ôxy trong không khí) và nguồn gây cháy”.

Trong TCVN 5303:1990 An toàn cháy – thuật ngữ và định nghĩa, nêu rõ: “Sự cháy là phản ứng ôxy hoá, toả nhiệt và phát sáng”.

Như vậy, xét về bản chất, cháy là một phản ứng hoá học giữa các chất cháy với ôxy của không khí hoặc với một chất ôxy hoá khác kèm theo sự toả nhiệt và phát sáng.

Nghiên cứu về sự cháy cho thấy rằng, sự cháy muốn xảy ra và tồn tại phải có đủ 3 yếu tố, đó là chất cháy, chất ôxy hóa và nguồn nhiệt.

Trong đó chất cháy và chất ôxy hóa đóng vai trò là những chất tham gia phản ứng còn nguồn nhiệt là tác nhân cung cấp năng lượng cho phản ứng cháy xảy ra.

Trong khi đó, một vụ nổ là một sự thay đổi đột ngột, dữ dội của năng lượng tiềm năng để hoạt động, nó chuyển sang môi trường xung quanh dưới dạng áp lực tăng nhanh đang được gọi là sóng nổ hoặc sóng xung kích.

Sóng xung kích có thể gây ra thiệt hại đáng kể. Năng lượng tiềm năng có thể tồn tại ở một trong ba dạng trước khi vụ nổ xảy ra: hạt nhân , hóa học hoặc vật lý.

Thông thường, vụ nổ hạt nhân lớn hơn và có sức tàn phá lớn hơn vụ nổ hóa học hoặc vật lý. Vụ nổ hóa học thường xuyên hơn vụ nổ hạt nhân hoặc vật lý.

Mặc dù các vụ nổ hóa học thường có chủ ý, nhưng chúng cũng có thể vô tình xảy ra. Vụ nổ vật lý lớn là tương đối hiếm và thường là tình cờ.

Nhiệt độ chớp cháy, nhiệt độ bốc cháy, nhiệt độ tự bốc cháy

Giả sử có một chất cháy ở trạng thái lỏng, ví dụ nhiên liệu Diesel, được đặt trong cốc bằng thép. Cốc được nung nóng với tốc độ nâng nhiệt độ xác định.

Khi tăng dần nhiệt độ của nhiên liệu thì tốc độ bốc hơi của nó cũng tăng dần. Nếu đưa ngọn lửa trần đến miệng cốc thì ngọn lửa sẽ xuất hiện kèm theo tiếng nổ nhẹ, nhưng sau đó ngọn lửa lại tắt ngay.

Vậy, nhiệt độ tối thiểu tại đó ngọn lửa xuất hiện khi tiếp xúc với ngọn lửa trần sau đó tắt ngay gọi là nhiệt độ chớp cháy của nhiên liệu.

Nếu ta tiếp tục nâng nhiệt độ của nhiên liệu cao hơn nhiệt độ chớp cháy thì sau khi đưa ngọn lửa trần tới miệng cốc quá trình cháy xuất hiện sau đó ngọn lửa vẫn tiếp tục cháy.

Nhiệt độ tối thiểu tại đó ngọn lửa xuất hiện và không bị dập tắt gọi là nhiệt độ bốc cháy của nhiên liệu.

Nung nóng bình có chứa metan và không khí, từ từ ta sẽ thấy ở nhiệt độ nhất định thì hỗn hợp khí trong bình sẽ tự bốc cháy mà không cần có sự tiếp xúc với ngọn lửa trần.

Vậy, nhiệt độ tối thiểu tại đó hỗn hợp khí tự bốc cháy không cần tiếp xúc với ngọn lửa trần gọi là nhiệt độ tự bốc cháy của nó.

Áp suất tự bốc cháy. Áp suất tự bốc cháy của hỗn hợp khí là áp suất tối thiểu tại đó quá trình tự bốc cháy xảy ra. Áp suất tự bốc cháy càng thấp thì nguy cơ cháy, nổ càng lớn.

Thời gian cảm ứng của quá trình tự bốc cháy. Khoảng thời gian từ khi đạt đến áp suất tự bốc cháy cho đến khi ngọn lửa xuất hiện gọi là thời gian cảm ứng. Thời gian cảm ứng càng ngắn thì hỗn hợp khí càng dễ cháy, nổ.

Ví dụ: Sự cháy của hydrocarbon ở trạng thái khí với không khí có thời gian cảm ứng chỉ vài phần trăm giây, trong khi đó thời gian này của vài loại than đá trong không khí kéo dài hàng ngày thậm chí hàng tháng.

Các nguyên nhân gây ra cháy, nổ phổ biến nhất hiện nay

• Cháy do nhiệt độ cao đủ sức đốt cháy một số chất như que diêm, dăm bào, gỗ, khi hàn hơi, hàn điện, …
• Nguyên nhân tự bốc cháy: gỗ thông, giấy, vải sợi hoá học,
• Cháy do tác dụng của hoá chất, do phản ứng hóa học: một vài chất nào đó khi tác dụng với nhau sẽ gây ra hiện tượng cháy.
• Cháy do điện: khi chất cách điện bị hư hỏng, do quá tải hay ngắn mạch chập điện, dòng điện tăng cao gây nóng dây dẫn, do hồ quang điện sinh ra khi đóng cầu dao điện, khi cháy cầu chì, chạm mach, …
• Cháy do ma sát tĩnh điện của các vật thể chất cháy với nhau, như ma sát mài, …
• Cháy do tia bức xạ: tia nắng mặt trời khi tiếp xúc với những hỗn hợp cháy, nắng rọi qua những tấm thủy tinh lồi có thể hội tụ sức nóng tạo thành nguồn.
• Cháy do sét đánh, tia lửa sét.
• Cháy do áp suất thay đổi đột ngột: trường hợp này dễ gây nổ hơn gây cháy. Khi đổ nước nguội vào nước kim loại nóng chảy gây nổ; bởi vì khi nước nguội gặp nhiệt độ cao sẽ bốc hơi, tức khắc kéo theo tăng áp suất gây nổ. VD: Chất photphin (pH3) bình thường không gây nổ khi có oxy, nhưng khi hạ áp suất xuống lại gây ra nổ.
• Cháy nổ. Trong công nghiệp hay dùng các thiết bị có nhiệt độ cao như lò đốt, lò nung, các đường ống dẫn khí cháy, các bể chứa nhiên liệu dễ cháy gặp lửa hay tia lửa điện có thể gây cháy, nổ.
• Nổ lý học: là trường hợp nổ do áp suất trong một thể tích tăng cao mà vỏ bình chứa không chịu nổi áp suất nén đó nên bị nổ.
• Nổ hoá học: là hiện tượng nổ do cháy cực nhanh gây ra (thuốc súng, bom, đạn, mìn, … ).

Hóa học của sự cháy

Về mặt hóa học, cháy là một loại oxy hóa, đó là sự kết hợp của oxy với các chất khác để sản xuất các chất mới.

Quá trình này bắt đầu khi một chất dễ bắt lửa và/hoặc vật liệu dễ cháy, kết hợp với một lượng đầy đủ một chất oxy hóa như khí oxy hoặc một hợp chất giàu oxy (mặc dù có những chất oxy hóa mà không có oxy), được tiếp xúc với một nguồn nhiệt hoặc môi trường xung quanh có nhiệt độ trên điểm bắt lửa của nhiên liệu hoặc hỗn hợp chất oxy hóa.

Điều kiện tiếp theo là quá trình oxy hóa phải có thể duy trì tốc độ của phản ứng nhanh chóng đến mức để tạo ra một phản ứng dây chuyền.

Sự cháy được hình thành trước hết cần 3 yếu tố được biết qua tam giác cháy (Fire Triangle):

• Chất cháy
• Ôxy
• Nguồn nhiệt

Khi có đủ 3 yếu tố nói trên thì sự cháy vẫn chưa xuất hiện được mà cần phải có 3 điều kiện nữa thì sự cháy mới có thể xuất hiện.

• Ôxy phải lớn hơn : 14%
• Nguồn nhiệt phải đạt tới giới hạn bắt cháy của chất cháy.
• Thời gian tiếp xúc của 3 yếu tố đủ để xuất hiện sự cháy.

Như vậy bản chất của sự cháy được hình thành nhờ có đủ 3 yếu tố và 3 điều kiện nói trên muốn phòng ngừa không để cháy xảy ra và dập tắt được sự cháy cần sử dụng nguyên lý loại bỏ một trong những yếu tố tạo hình sự cháy.

• Về vật cháy: là cả thế giới vật chất hết sức đa dạng phong phú và tồn tại ở 3 trạng thái rắn, lỏng, khí, chất cháy là chất có khả năng tiếp tục cháy sau khi đã tách khỏi nguồn nhiệt.
• Về ôxy: Ôxy là chất khí không cháy được nhưng nó là dưỡng khí cần thiết, không có ôxy thì không sinh ra sự cháy được ôxy chiếm tỉ lệ 21% trong không khí nếu ôxy giảm xuống nhỏ hơn 14% thì hầu hết các chất cháy không duy trì được sự cháy nữa, trừ 1 số ít chất đặc biệt cháy được trong điều kiện nghèo ôxy (ví dụ hydro và mêtan còn 5% ôxy vẫn cháy được).Nguồn lửa hay nguồn nhiệt: nguồn lửa nguồn nhiệt gây cháy thường xuất phát từ các nguồn gốc.
• Điện năng biến thành nhiệt năng (do các nguyên nhân quá tải, nghẽn mạch, gia nhiệt, hồ quang, tĩnh điện)

Phản ứng hóa học sinh nhiệt dẫn tới cháy bao gồm:

• Ma sát (cơ năng biến thành nhiệt năng)
• Ngọn lửa trần, nhiệt trần (nguồn lửa, nguồn nhiệt ở trạng thái mở như điếu thuốc, ngọn đèn, hàn xì khô)
• Thiên nhiên sét, nhiệt mặt trời.

Các dấu hiệu để nhận biết đám cháy: thường có 3 dấu hiệu cơ bản để nhận biết được đám cháy.

• Mùi vị sản phẩm cháy được hình thành do sự cháy không hoàn toàn của chất chý tạo nên, do đó sản phẩm cháy của chất nào thì mang mùi vị đặc trưng của chất đó.
• Khói: khói là sản phẩm của sự cháy, sinh ra từ các chất cháy khác nhau nên có màu sắc khác nhau màu sắc của khói phụ htuộc vào điều kiện cháy đủ không khí hoặc thiếu không khí.
• Ánh lửa và tiếng nổ là biểu hiện đặc trưng của phản ứng cháy từ sự phát sáng của ngọn lửa mà phát hiện được cháy. Hoặc sự cháy xảy ra gây nổ và phát hiện được cháy.

Từ các dấu hiệu của đám cháy giúp ta phát hiện được đám cháy phán đoán được loại chất cháy để có biện pháp sử dụng phương tiện thiết bị kỹ thuật chữa cháy cho phù hợp đạt hiệu quả cao.

Hóa học về nổ

Một vụ nổ  ngoài 3 yếu tố cần có của sự cháy thì cần thêm 3 yếu tố khác được biết qua “LỤC GIÁC NỔ” (Hexagon Explosion) đó là:

• Gas or Dust in suspension: Độ huyền phù (nổi lơ lửng) của các hạt bụi hoặc hơi gas
• Concentration: Nồng độ của các hạt/hơi này
• Explosive limits: Giới hạn nổ của các hạt/hơi này

Độ huyền phù là sự phân bố của các hạt/hơi lơ lửng trong không khí. Nồng độ là lượng bụi/hơi trong một không gian kín hoặc bị giới hạn.

Không gian hạn chế này cho phép tích tụ và gia tăng khả năng của vụ nổ.

Giới hạn nổ là nồng độ tối thiểu hoặc tối đa của hạt/hơi có thể xảy ra vụ nổ trong một không gian hạn chế nếu xuất hiện nguồn gây cháy.

Sau đây, chúng ta sẽ tìm hiểu 3 vụ nổ chính thường thấy trong cuộc sống là nổ hạt nhân, nổ hóa học và nổ lý học.

Nổ hạt nhân

Vụ nổ hạt nhân có thể được gây ra bởi phản ứng tổng hợp hoặc phản ứng phân hạch.

Trong phản ứng tổng hợp, hạt nhân của hai nguyên tử nhỏ kết hợp với nhau tạo thành một nguyên tử lớn hơn, đôi khi đi kèm với neutron.

Khối lượng của các sản phẩm của phản ứng nhỏ hơn khối lượng của các chất phản ứng và sự khác biệt về khối lượng đó được chuyển đổi thành năng lượng theo phương trình nổi tiếng của Einstein: E = mc 2 trong đó E là năng lượng được tạo ra, m là khối lượng chuyển thành năng lượng và c là tốc độ ánh sáng.

Tốc độ ánh sáng rất lớn và chỉ một lượng nhỏ khối lượng phải được chuyển đổi để dẫn đến một vụ nổ đáng kể.

Trong phản ứng phân hạch, một nguyên tử lớn, chẳng hạn như urani, bị bắn phá bằng neutron, khiến hạt nhân của nguyên tử tách thành hai hạt nhân nhỏ hơn và một số neutron.

Khối lượng kết hợp của các nguyên tử sản phẩm và neutron nhỏ hơn khối lượng của nguyên tử ban đầu và khối lượng tổn thất được chuyển thành năng lượng theo phương trình của Einstein.

Các neutron được tạo ra bởi phản ứng phân hạch làm cho các nguyên tử lớn khác phân hạch và việc sản xuất neutron của chúng vẫn khiến các nguyên tử khác phân hạch, dẫn đến phản ứng dây chuyền tiếp tục theo cấp số nhân (ví dụ: 2, 4, 8, 16, 32, 64,…).

Toàn bộ quá trình rất nhanh, chỉ mất vài phần triệu giây. Việc sản xuất năng lượng kết quả làm nóng không khí xung quanh và khiến nó giãn nở dưới dạng sóng nổ.

Cả hai phản ứng tổng hợp và phản ứng phân hạch đều có thể được sử dụng trong bom. Các phản ứng nhiệt hạch đòi hỏi nhiệt độ rất cao để bắt đầu, vì vậy chúng được bắt đầu bởi các phản ứng phân hạch.

(Khi được kiểm soát ở tốc độ chậm hơn trong các lò phản ứng hạt nhân, các phản ứng phân hạch được sử dụng để sản xuất năng lượng và nhiên liệu hạt nhân bổ sung.)

Nổ hóa học

Vụ nổ hóa học có thể là phản ứng phân hủy hoặc kết hợp. Trong cả hai trường hợp, phản ứng tỏa nhiệt và năng lượng được giải phóng bởi phản ứng được chuyển đổi một phần để hoạt động.

Phản ứng phân hủy xảy ra trong các vật liệu như trinitrotoluene (TNT) và nitroglycerine. Các phân tử của các vật liệu này có chứa oxy. Khi phân tử bị phân hủy, các sản phẩm bị đốt cháy khí, được sản xuất ở nhiệt độ cao.

Thể tích của khí lớn hơn nhiều so với thể tích của chất nổ, tạo ra áp suất cao tại vùng phản ứng. Sự giãn nở nhanh chóng của các khí tạo thành sóng xung kích mang lại hiệu ứng nổ.

Ngay cả một số hydrocarbon không có oxy trong phân tử của chúng, chẳng hạn như acetylene, có thể bị phân hủy một cách bùng nổ.

Phản ứng kết hợp đòi hỏi hai hoặc nhiều thành phần phản ứng với nhau tỏa nhiệt để tạo ra khí nóng.

Một số ví dụ là ammonium nitrate và dầu nhiên liệu (ANFO), thuốc súng (kali nitrat, carbon và lưu huỳnh ) và pháo hoa.

Trong các vụ nổ này, các chất phản ứng tạo nên chất nổ phải được trộn cẩn thận để đảm bảo rằng phản ứng sẽ tiếp tục.

Thiệt hại do vụ nổ phụ thuộc một phần vào tốc độ xảy ra phản ứng nổ. Phản ứng phân hủy thường xảy ra nhanh hơn nhiều so với phản ứng kết hợp.

Chúng có nhiều khả năng được sử dụng cho các ứng dụng quân sự vì chúng có sức tàn phá cao hơn. Chúng cũng có hiệu ứng vỡ mạnh hơn (gọi là brisance) so với các phản ứng kết hợp.

Vụ nổ kết hợp thường được sử dụng trong các hoạt động khai thác vì chúng có độ bầm thấp hơn và xảy ra với tốc độ chậm hơn.

Có một trường hợp vụ nổ đặc biệt được gọi là vụ nổ đám mây hơi có thể xảy ra khi một loại nhiên liệu (như propan thông thường) được trộn lẫn với khí quyển.

Nếu đám mây bị đốt cháy, tốc độ cháy có thể đủ nhanh để tạo thành sóng xung kích. Mặc dù áp lực trong sóng xung kích có thể không cao lắm so với các vụ nổ khác, nhưng nó đủ mạnh để phá hủy hoặc phá hủy các công trình.

Trong vụ nổ đám mây hơi, kết quả được gọi là sự lệch hướng nếu sóng xung kích di chuyển chậm hơn tốc độ âm thanh và phát nổ nếu sóng xung kích di chuyển nhanh hơn tốc độ âm thanh.

Vụ nổ có sức tàn phá mạnh hơn sự xì hơi vì sóng xung kích mạnh hơn.

Cần lưu ý rằng chất nổ nói chung là các hợp chất không ổn định.

Khi quá trình phân hủy tỏa nhiệt hoặc phản ứng kết hợp được bắt đầu, nhiệt độ sẽ tăng lên và phản ứng tăng tốc; nó thường không thể dừng lại.

Nổ lý học

Vụ nổ lý học là những vụ nổ trong đó không xảy ra phản ứng hóa học hoặc hạt nhân. Ví dụ thường gặp nhất là vỡ một tàu có nhiên liệu, khí hoặc lỏng, tồn tại dưới áp suất cao.

Nếu tàu chứa vỡ, nhiên liệu của nó được tự do mở rộng và sóng xung kích được hình thành. Ngay cả một lốp xe ô tô thông thường cũng có thể phát nổ nếu nó bị tràn quá mức.

Chất lỏng có nhiệt độ sôi bình thường dưới nhiệt độ môi trường đôi khi được lưu trữ (dưới áp suất hơi của chính chúng) ở áp suất cao hơn áp suất khí quyển.

Nếu bể chứa chất lỏng vỡ, một phần chất lỏng bốc hơi cực nhanh và nở ra, tạo thành sóng xung kích. Quá trình này được gọi là vụ nổ hơi mở rộng chất lỏng sôi (BLEVE) và kết quả vụ nổ có thể rất tàn phá.

Vụ nổ có thể được sử dụng cho mục đích xây dựng, chẳng hạn như khai thác và xây dựng đường bộ; để giải trí, như bắn pháo hoa; hoặc cho mục đích phá hoại, như vũ khí quân sự và bom khủng bố.

Chúng có thể được sử dụng cố ý hoặc vô tình. Vật liệu nổ phải luôn được xử lý hết sức cẩn thận để ngăn ngừa tai nạn.

Sự thận trọng như vậy phải được thực hiện với không chỉ chất nổ công nghiệp, mà cả các vật liệu thường gặp như pháo hoa, phòng thí nghiệm và hóa chất công nghiệp, và khí dễ cháy.

Các phương pháp phòng chống cháy nổ hữu hiệu nhất hiện nay

• Nên che chắn cẩn thận khi dùng các thiết bị hàn có tình trạng phóng tia lửa điện.
• Không dùng lửa để kiểm tra các thiết bị chứa chất dễ cháy như bình gas trong bếp, xăng dầu trong bình hoặc những nơi có nguy cơ gây cháy.
• Tắt bếp, thiết bị điện khi ngừng sử dụng, không nên làm việc này và việc kia cùng lúc vì dễ dẫn đến tình trạng quên tắt thiết bị.
• Sử dụng thiết bị điện đúng công suất để đảm bảo sự an toàn cho chính bạn và những người xung quanh
• Không lưu trữ những chất dễ gây cháy nổ khi không được phép của cơ quan có chức năng. Phải đảm bảo đúng tiêu chuẩn phòng cháy của cơ quan chức năng khi được phép lưu trữ.
• Khi có cháy, cần ngắt các thiết bị điện trong gia đình qua công tắc điện tổng bằng gậy, chất cách điện.
• Sử dụng bình chữa cháy gần nhất để dập tắt các đám lửa nhỏ không liên quan đến xăng, dầu…
• Tuyệt đối không sử dụng nước để dập lửa phát ra từ xăng, dầu vì các chất trên nhẹ hơn nước nên sẽ khiến ngọn lửa nhanh chóng lan rộng, khó khống chế.

Đến đây là bài viết đã hết rồi. Hi vọng sẽ giúp ích cho các bạn phần nào trong tương lai.

Lần sau nếu có ai hỏi về cháy nổ thì hãy nhớ về hóa học đằng sau chúng nhé!

Tuyên bố từ chối trách nhiệm: