THEMA'S
SERVICE & ADVIES

Exotherme chemische reacties, inclusief zelfontbranding van stof

Datum:10-01-2020

Chemische reacties kunnen op veel manieren aanleiding geven tot de ontsteking van explosieve mengsels.

In het artikel Vlammen en hete gassen zijn al enkele chemische reacties genoemd als potentiële ontstekingsbron, zoals open vuur en smeulende stoffen. Dit zijn beide chemische reacties waarbij een brandstof reageert met zuurstof uit de lucht. De daarbij vrijkomende warmte zorgt voor een lokale temperatuurstijging van het explosieve mengsel, waarvan een explosie het gevolg kan zijn. Die vormen van ontsteking zijn vrij algemeen bekend en worden dan ook direct herkend als mogelijke ontstekingsbron voor explosieve mengsels. Veel minder bekend als ontstekingsbron zijn echter de onderstaande chemische reacties:

  • Thermietreactie;

  • Zelfverhitting;

  • Polymerisatie.

Thermietreactie

Thermiet is een mengsel van een metaalpoeder en een fijn verdeeld metaaloxide. In dit mengsel moet aan de voorwaarde worden voldaan dat het metaalpoeder minder edel is dan het metaal in het metaaloxide. Anders kan de zogeheten thermietreactie niet verlopen. De redoxreactie die verloopt bij het aansteken van thermiet, is de overdracht van zuurstofatomen. Deze verhuizen van het metaaloxide naar het andere metaal. Hierbij komt zeer veel warmte vrij. Temperaturen boven de 3000 K zijn niet ongewoon. Zo ontstaat het oxide van het metaal dat eerst ongebonden in het mengsel zat en het pure metaal in vloeibare vorm, afkomstig van het metaaloxide. De reactie verloopt meestal vlot maar doorgaans niet explosief.

Het bekendste en meest gebruikte thermietmengsel is een mengsel van aluminiumpoeder en ijzer(III)oxide. Dit levert de volgende reactie op:

⇒ Fe2O3(s) + 2Al(s) → Al2O3(s) + 2Fe(s)

Deze reactie wordt gebruikt bij thermietlassen. Het overgebleven gesmolten ijzer vormt een nieuwe lasverbinding.

Metaalpoeder. bron: www.wikipedia.org

thermietreactie. bron: www.wikipedia.org

De thermietreactie is met andere woorden een chemische reactie tussen roest en een metaal die geïnitieerd wordt door een energierijk contact tussen beide stoffen. Bijvoorbeeld het slaan van een stuk aluminium op een roestig stuk staal kan leiden tot een thermietreactie tussen beide stoffen. Het contactoppervlak tussen beide stoffen wordt door de slag plaatselijk verhit en tevens treedt er een krachtige vermenging op van beide stoffen. Daardoor kan een exo­therme chemische reactie optreden waarbij stukjes roest vermengd met het aluminium reageren, verhit raken en als gloeiende deeltjes wegspringen. De belangrijkste eigenschap van dat soort mechanische vonken is dat ze een veel hogere energie kunnen bezitten dan ‘normale’ mechanische vonken. Naast aluminium vertonen ook titanium en magnesium die reactie in combinatie met roest.

Zelfverhitting

Onder zelfverhitting wordt de ontsteking verstaan die optreedt zonder tussenkomst van een vreemde ontstekingsbron, zoals een mechanische vonk, een heet voorwerp of vuurverschijnselen. Een groot aantal stoffen is in staat onder bepaalde omstandigheden voldoende warmte te produceren om zichzelf tot boven een ontstekingstemperatuur te verhitten. De exotherme reactie die ten grondslag ligt aan de explosieve reactie verloopt gewoonlijk ook al bij lagere temperaturen. Door de ongehinderde warmteafgifte aan de omgeving zal de temperatuur van het mengsel laag blijven. Wanneer die warmteafgifte echter wordt belemmerd, zal de temperatuur van de stof stijgen. De exotherme reactie zal daardoor nog sneller gaan verlopen en het proces zal zichzelf versnellen tot de snelle energieproductie die een explosie kenmerkt. Zelfverhitting zal in de praktijk dus optreden bij stoffen die bij lage temperatuur al voldoende warmte produceren en die bovendien die warmte slecht naar de omgeving kunnen afstaan. Dit laatste is het geval wanneer de stof in grote hoeveelheden is opgeslagen en thermisch goed is geïsoleerd. Bij zelfverhitting zijn de onderstaande typen exotherme chemische reacties te onderscheiden.

Oxidaties

Oxidaties treden vooral op bij opgeslagen poeders. Poeders zijn van nature goede isolatoren en als het materiaal daarbij ook nog exotherm reageert met zuurstof, kan bij langdurige opslag de temperatuur in de poederhoop geleidelijk gaan stijgen. Daarbij worden dan smeulnesten gevormd die bij omscheppen van de poederhoop een ontstekingsbron kunnen vormen voor bijvoorbeeld explosieve stof/lucht-mengsels die bij dat omscheppen ontstaan.

Speciale aandacht verdienen de oxidaties van pyrofore stoffen, zoals ijzersulfide en fijn aluminiumpoeder waarvan het oppervlak (nog) niet geoxideerd is. Dat zijn stoffen die bij contact met lucht spontaan ontbranden, ook wanneer er sprake is van een goede warmteafgifte. De oorzaak daarvan is het snelle verloop van de chemische reactie bij lage temperaturen. Daarom dient de nodige voorzichtigheid in acht te worden genomen bij werkzaamheden aan katalysatorbedden waarin mogelijk pyrofore metalen zijn verwerkt.

Ontleding

Ontledingsreacties kunnen een ontstekingsbron vormen voor een explosief mengsel wanneer bij de ontleding warmte vrijkomt. Daardoor kan het mengsel in temperatuur stijgen en zo andere stoffen ontsteken. Gewoonlijk begint een ontledingsreactie door een kleine energieaanvoer, zoals een lokale temperatuurstijging of mechanische energie afkomstig van een slag of wrijving. Onder andere peroxides en ethyleen zijn stoffen die bekend staan om hun ongecontroleerde ontledingsreacties.

Etikettering van perioxides. bron: www.dreamstime.com

Broei

Broei is een reactie die kan optreden in vaste stoffen van organische oorsprong. Wanneer dat soort materialen wordt opgeslagen in grote hoeveelheden onder enigszins vochtige omstandigheden, kunnen micro-organismen een exotherme reactie veroorzaken. Daardoor kan het materiaal lokaal verhit worden tot maximaal zo’n 75 °C. Boven deze temperatuur sterven de organismen af, maar kan een gewone oxidatie de temperatuur verder doen stijgen tot het materiaal daadwerkelijk gaat smeulen. Stoffen die dat gedrag kunnen vertonen, zijn bijvoorbeeld steenkool, hooi en melkpoeder.

Vragen over dit artikel?
Stel uw vraag
Details
Gerelateerd
ATEX Ontstekingsbronnen Hete oppervlakken
10-01-2020
ATEX Ontstekingsbronnen Vlammen en hete gassen (inclusief hete deeltjes)
22-11-2019
ATEX Ontstekingsbronnen Elektrische installaties en elektrisch materieel
22-11-2019
ATEX Ontstekingsbronnen Statische elektriciteit
22-11-2019
ATEX Ontstekingsbronnen Elektromagnetische straling
22-11-2019
ATEX Ontstekingsbronnen Ioniserende straling
22-11-2019
ATEX Ontstekingsbronnen Ultrasoon geluid
22-11-2019
ATEX Gevarenzone-indeling Inventarisatie van explosieve atmosferen
23-02-2018
ATEX Technische maatregelen Intrinsiek veilig elektrisch materieel
03-06-2016
ATEX Technische maatregelen Verklaring van typeplaataanduidingen en certificaten
03-06-2016
ATEX Technische maatregelen Niet-elektrisch materieel met bewaking van ontstekingsbronnen
03-06-2016
ATEX Technische maatregelen Niet-elektrisch materieel met onderdompeling in vloeistof
03-06-2016
ATEX Organisatorische maatregelen Werkplek met ontploffingsgevaar
03-06-2016
ATEX Gevarenzone-indeling Voorkomen dat gassen zich tot explosieve mengsels vormen
20-12-2012
ATEX Explosies Soorten explosies
02-12-2011
ATEX Explosies Explosie-effecten
02-12-2011
Inhoudsopgave