CC BY
40
ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ БЕЗОПАСНОСТИ
УДК 547.493:541.27:614.841.41
ВЗАИМОСВЯЗЬ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ С ХИМИЧЕСКИМ СТРОЕНИЕМ АЛКАНОВ И ЦИКЛОАЛКАНОВ
Е.В. Головина, Д.В. Бессонов, С.Г. Алексеев, Н.М. Барбин
Изучение взаимосвязи химического строения веществ с их пожароопасными свойствами представляется перспективным направлением в развитии методов прогнозирования пожароопасных свойств органических соединений. Актуальным является применение расчетных методов. В статье представлены расчеты, устанавливающие зависимость между основными показателями пожаровзрывобезопасности алканов и циклоалканов.
Ключевые слова: QSPR, методы прогнозирования, алканы, циклоалканы, пожарная опасность.
Финансовые и трудовые затраты на экспериментальное определение полного набора свойств каждого вещества колоссальны, и на текущий момент практически не представляется возможным осуществить данную работу. Таким образом, многие свойства потенциально полезных веществ остаются неизвестными. Для решения данной проблемы необходимы методы, способные дополнить экспериментальные и прогнозировать искомые значения свойств веществ с высокой точностью.
В настоящее время известны три подхода к расчету показателей пожаровзрывоопасности: дескрипторный, сравнительный и правила углеродной цепи [1], из которых сравнительный метод получил наименьшее распространение.
Одним из направлений QSPR (Quantative Structure -Property Relationship) является прогнозирование пожароопасных свойств веществ [2-4]. С данной точки зрения интересен анализ влияния химического строения молекул органических соединений на их пожароопасные свойства.
Объектами нашего исследования являются нормальные алканы и незамещенные циклоалканы, которые входят в состав нефтепродуктов и широко применяются в промышленности и в быту. Исходный массив для QSPR исследования сформирован с помощью базы данных DIPPR 801 [5] и дополнен с помощью расчетов по программе ACD/Lab 2014. В дополнение к данным из DIPPR 801 приведены показатели из базы данных ChemSpider [6].
CnH2n+2
алканы
CnH2n
циклоалканы
Рис. Химические формулы алканов и циклоалканов.
На рисунке изображены общие формулы химического строения алканов и циклоалканов. Очевидно, что наличие в алканах еще двух атомов водорода требует введения дополнительного поправочного коэффициента А, принимая во внимание то, что количество атомов углерода для сходных органических соединений (например, пропан и циклопропан) одинаково.
В результате проведенного QSPR
исследования установлено, что между основными показателями пожаровзрывоопасности алканов и циклоалканов существует следующая зависимость:
F1i/F2i = А,- = const
где F1i - /'-показатель
пожаровзрывопасности алкана; F2i - /-показатель пожаровзрывопасности циклоалкана.
А,- - /-константа. Найденные поправочные коэффициенты Ai приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Поправочные коэффициенты А1 для прогнозирования пожароопасных свойств алканов
С целью апробации дополнительных поправочных коэффициентов, проведен расчет температуры кипения и температуры вспышки для ряда нормальных алканов. Результаты расчетов представлены в таблице 2 и выделены курсивом.
Таблица 2.
Сопоставление справочных данных с введением поправочных коэффициентов А, для прогнозирования пожароопасных свойств алканов
Температура, К
Название
^кип ^всп
Propane СзН8 231 228 171 173
n-Butane С4Н10 273 271 199 203
n-Pentane С5Н12 309 306 224 227
n-Hexane С6Н14 342 336 250 246
n-Heptane С7Н16 372 372 269 269
n-Octane С8Н18 399 403 287 291
n-Nonane С9Н20 424 429 304 303
n-Decane С10Н22 447 450 323 325
n-Undecane С11Н24 469 467 339 333
n-Dodecane С12Н26 489 490 352 353
Абсолютная ошибка расчетов по предлагаемым уравнениям для температуры самовоспламенения не превышает 10 %, а для других показателей пожаровзрывоопасности - 2 %.
Библиографический список
1. Алексеев С.Г., Алексеев К.С., Барбин Н.М.
Методы прогнозирования основных показателей пожаровзрывоопасности органических соединений / С.Г. Алексеев, К.С. Алексеев, Н.М. Барбин // Техносферная безопасность. - 2015. - № 2 (7). - С. 4-14. URL:
http://uigps.ru/sites/default/files/jyrnal/stat%20PB%207/1.p df.
2. Katritzky A.R. QSPR modeling of flash points: An update / A.R. Katritzky, I.B. Stoyanova-Slavova, D.A. Dobchev, M. Karelson // J. Mol. Graph. Model. - 2007. -Vol. 26, No 2. - P. 529-536.
3. Калач А.В., Карташова Т.В., Сорокина Ю.Н., Облиенко М.В. Прогнозирование пожароопасных свойств органических соединений с применением дескрипторов / А.В. Калач, Т.В. Карташова, Ю.Н. Сорокина, М.В. Облиенко // Пожарная безопасность. -2013. - № 1. - С. 70-73.
4. Королев Д. С., Калач АВ. Прогнозирование, основанное на молекулярных дескрипторах и искусственных нейронных сетях, как способ исключения образования горючей среды /Д.С. Королев, А.В. Калач // Пожары и чрезвычайные ситуации: предотвращение, ликвидация. - 2016. - № 2. - С. 68-72.
5. DIPPR 801. Режим доступа: http://dippr.byu.edu/public/ (дата обращения 25.04.2016).
6. База данных ChemSpider Королевского химического общества Великобритании (Royal Society of Chemistry of Great Britain). [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://www.chemspider.com.
References
1. Alekseev S.G., Alekseev K.S., Barbin N.M.
Metody prognozirovanija osnovnyh pokazatelej pozharovzryvoopasnosti organicheskih soedinenij / S.G. Alekseev, K.S. Alekseev, N.M. Barbin // Tehnosfernaja bezopasnost'. - 2015. - № 2 (7). - S. 4-14. URL: http://uigps.ru/sites/default/files/jyrnal/stat%20PB %20 7/1. pdf.
2. Katritzky A.R. QSPR modeling of flash points: An update / A.R. Katritzky, I.B. Stoyanova-Slavova, D.A. Dobchev, M. Karelson // J. Mol. Graph. Model. - 2007. -Vol. 26, No 2. - P. 529-536.
3. Kalach A. V., Kartashova T.V., Sorokina Ju.N., Oblienko M.V. Prognozirovanie pozharoopasnyh svojstv organicheskih soedinenij s primeneniem deskriptorov / A.V. Kalach, T.V. Kartashova, Ju.N. Sorokina, M.V. Oblienko // Pozharnaja bezopasnost'. - 2013. - № 1. - S. 70-73.
4. Korolev D.S., Kalach A.V. Prognozirovanie, osnovannoe na molekuljarnyh deskriptorah i iskusstvennyh nejronnyh setjah, kak sposob iskljuchenija obrazovanija gorjuchej sredy / D.S. Korolev, A. V. Kalach // Pozhary i chrezvychajnye situacii: predotvrashhenie, likvidacija. -2016. - № 2. - S. 68-72.
5. DIPPR 801. Rezhim dostupa: http://dippr.byu.edu/public/ (data obrashhenija 25.04.2016).
6. Baza dannyh ChemSpider Korolevskogo himicheskogo obshhestva Velikobritanii (Royal Society of Chemistry of Great Britain). [Jelektronnyj resurs]. Rezhim dostupa: http://www.chemspider.com.
THE CORRELATION OF FIRE HAZARD INDICATORS WITH THE CHEMICAL STRUCTURE IN ALKANES AND CYCLOALKANES
The study of the correlation of the chemical structure of substances to their combustible properties is a perspective direction in the development of methods of forecasting fire hazard properties of organic compounds. Relevant is the application of estimation methods. The article presents calculations that establish the correlation between the main hazard indicators of alkanes and cycloalkanes.
Key words: QSPR, prediction methods, alkanes, cycloalkaneu, fire hazard.
Головина Е.В.,
адъюнкт,
Уральский институт ГПС МЧС России, Россия, Екатеринбург. Golovina E. V., graduate student,
Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia, Russia, Yekaterinburg.
Бессонов Д.В.,
начальник сектора исследовательских и испытательных работ
ФГБУ СЭУ ФПС Испытательная пожарная лаборатория по Свердловской области,
Россия, Екатеринбург.
Bessonov D. V.,
head of sector research and experimental works,
research SEU FPS Test fire laboratory of the Sverdlovsk region,
Russia, Yekaterinburg.
Алексеев С.Г.,
старший научный сотрудник, к.х.н., Уральский институт ГПС МЧС России, Россия, Екатеринбург. Alexeev S.G.,
senior researcher, candidate of chemical Sciences,
Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia,
Russia, Yekaterinburg.
Барбин Н.М.,
старший научный сотрудник, д.х.н., Уральский институт ГПС МЧС России, Россия, Екатеринбург. Barbin N.M.,
senior researcher, doctor of chemical Sciences,
Ural Institute of State Firefighting Service of EMERCOM of Russia,
Russia, Yekaterinburg.
©Головина Е.В., Бессонов Д.В., Алексеев С.Г, Барбин Н.М., 2016
