Как происходит горение

Как происходит горениеКогда горит свеча, мы тоже не видим, что происходит между «началом» и «концом» действия. Правда, мы видим колеблющееся пламя, как это видели миллиарды людей, жившие на Земле и живущие на ней сейчас.

Но только наблюдая за пламенем, ничего нельзя сказать о том, что же там внутри происходит.

Процессы, протекающие в пламени свечи, очень сложны, и их механизм стал проясняться только в последней четверти XX века. Исходные молекулы, из которых состоит горючее вещество свечи — парафин, слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции.

Реакция горения, как и большинство других реакций, происходит многостадийно, при этом на каждой стадии разрывается и образуется лишь небольшое число химических связей. Таким образом, суммарный процесс горения состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций; в сумме эти реакции и образуют пламя.

В ходе элементарных реакций образуются очень активные промежуточные частицы, например атомы и «осколки» молекул.

Живут эти частицы очень короткое время, концентрация их мала, поэтому обнаружить их, установить их химический состав и тем более изучить их свойства трудно.

Чтобы обнаружить эти частицы и определить их концентрацию, пламя в разных его участках просвечивали лазерными лучами. И вот что выяснилось.

Парафин состоит из углеводородов.

Типичным представителем этого класса соединений является октан С8Н18. Его молекула содержит цепочку из соединённых друг с другом восьми атомов углерода (связи С-С), которые соединены также с атомами водорода (связи С-Н). Когда свеча горит, молекулы углеводородов не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми.

Ещё «на подходе» к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки, без всякого участия кислорода.

При этом от конца молекул отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С8Н18 > С2Н* + С6Н*3 (звёздочками отмечены активные осколки молекул).

Далее от активных частиц могут отщепляться атомы водорода, и образуются соединения с двойными (С=С) и тройными (ОС) связями.

В пламени эти соединения могут вступать в дальнейшие реакции, в том числе такие, которые не были ранее известны химикам, например НС=СН + О* > СН2* + СО, СН2* + O2 > СO2 + Н* + Н*. Этот процесс продолжается, пока из исходных молекул не образуются частицы С2Н2, С2Н, С2. Самая горячая часть пламени имеет сине-голубой цвет, температура здесь достигает 1400 °С. В этой зоне светятся синим цветом возбуждённые частицы С2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не реагируют с кислородом с образованием конечных продуктов горения (СO2 и Н2O), а собираются в агрегаты, состоящие из всё большего числа атомов углерода: С2Н + С2Н2 > С4Н2 + Н, С2Н + С4Н2 > С6Н2 + Н и т. д. В результате образуются частицы сажи, имеющие форму крошечных шариков.

При высокой температуре они дают хорошо светящее пламя жёлтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы полностью сгорают, поэтому свеча и не дымит.

В ряде случаев происходит дальнейшее слипание этих частиц и образуются более крупные частицы сажи. Тогда пламя даёт чёрный дым. Так горит, например, резина.

Чёрный дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода.

С копотью горят скипидар С10Н16, бензол С6Н6, ацетилен С2Н2. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода — метан СН4, этан С2Нб, пропан С3Н8, бутан С4Н10 — горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем.

Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют пустые внутри шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами — в честь архитектора Ричарда Бакминстера Фуллера, который сооружал купола, похожие по строению на эти молекулы.

Открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

При недостаточном доступе воздуха к зоне горения частицы углерода при высокой температуре реагируют с молекулами воды и углекислого газа: С + СO2 = 2СО и С + Н2O = СО + Н2. В результате появляется очень опасный продукт неполного сгорания топлива — угарный газ СО. Его молекулы при вдыхании прочно связываются с молекулами гемоглобина крови, блокируя таким образом перенос кислорода из лёгких к тканям организма; человек «угорает», и, если ему вовремя не оказать помощь, наступает смерть от удушья.

Коварность угарного газа в том, что он не имеет запаха (природный газ метан тоже не имеет запаха, но к бытовому газу специально примешивают сильно пахнущие соединения).

Химическое описание пламени осложняется тем, что при высокой температуре реакционноспособным становится даже обычно инертный азот воздуха (N2), который, реагируя с кислородом при температуре выше 2000 °С, образует оксиды азота NO и NO2. Эти реакции, а также неполное сгорание, присутствие в топливе соединений серы приводят к загрязнению атмосферы и, кроме того, вызывают кислотные дожди. Поэтому изучение процессов, сопровождающих горение, позволяет регулировать пламя так чтобы свести к минимуму вредные выбросы и разрабатывать вещества, делающие изделия негорючими.

Читайте так же:

Комментарии запрещены.

О химии и химиках
  • Репетитор – это не обязательно

    06.09.2017

    Очень примечательным и ободряющим для российских граждан является тот факт, что во всем мире репетиторство развивается не менее бурными темпами, чем в России. Ведь когда на законодательном уровне было закреплено единый... 
    Читать полностью

  • Чудеса для разминки

    02.02.2017

    Если чего-нибудь не раздобудешь, неважно. Пропусти опыт и переходи к следующему. Но описание пропущенного опыта прочитай: когда-нибудь, при удобном случае, к нему можно и вернуться. Для первого опыта нужны два вещества, которые,... 
    Читать полностью

  • Варим яйцо в бумажной кастрюле

    02.02.2017

    Возьмите лист плотной бумаги, сверните из него колпачок. Стыки проклейте быстросохнущим клеем и скрепите скобами степлера. В эту бумажную емкость налейте воды, положите сырое яйцо. Согните из проволоки держатель (его можно... 
    Читать полностью

  • Свеча из мыла

    02.02.2017

    Когда мы рассуждали о том, почему мыло моет, то упоминали особое устройство его молекулы: «голова» и длинный «хвост», причем «голова» стремится к воде, а «хвост», напротив, от воды отталкивается… Рассмотрим... 
    Читать полностью

  • Главные принципы домашнего физика

    01.02.2017

    Правило первое (самое главное). Сначала демонстрация опыта, потом – его объяснение и применение закона! Именно такая последовательность привлекает максимальное внимание, и вызывает главный вопрос исследователя – «Почему?» Правило... 
    Читать полностью