Plamen je jev, který vzniká žhnutím plynného horkého média. V některých případech obsahuje dispergované pevné látky a (nebo) plazma, ve kterých dochází k přeměnám činidel fyzikální a chemické povahy. Právě ony vedou k samozahřívání, uvolňování tepla a záři. Plynné médium plamene obsahuje nabité částice - radikály a ionty. To vysvětluje existenci elektrické vodivosti plamene a jeho interakci s elektromagnetickými poli. Na tomto principu jsou postavena zařízení, která dokážou požár potlačit, změnit jeho tvar nebo jej odtrhnout od hořlavých materiálů pomocí elektromagnetického záření.
Druhy plamenů
Záře ohně se dělí na dva typy:
- nesvítící;
- řeřavý.
Téměř každá záře je viditelná lidským okem, ale ne každá je schopna vyzařovat požadované množství světelný tok.
Záře plamene je určena následujícími faktory.
- Teplota.
- Hustota a tlak plynů, které se účastní reakce.
- Přítomnost pevných látek.
Nejčastější příčinou záře je to je přítomnost pevné látky v plameni.
Mnoho plynů hoří slabě svítivým nebo nesvítivým plamenem. Z nich jsou nejběžnější sirovodík (plamen modrá barva jako při spalování), čpavek (světle žlutý), metan, oxid uhelnatý (světle modrý plamen), vodík. Páry některých těkavých kapalin hoří sotva svítivým plamenem (líh a sirouhlík), plamen acetonu a éteru se mírným uvolňováním uhlíku mírně zakouří.
U různých hořlavých par a plynů není teplota plamene stejná. Také teplota není stejná různé části plamen a oblast úplného spalování má vyšší teploty.
Při hoření určité množství hořlavé látky uvolňuje určité množství tepla. Pokud je známa struktura látky, lze vypočítat objem a složení výsledných produktů spalování. A pokud znáte specifické teplo těchto látek, můžete si to spočítat maximální teplotaže plamen dosáhne.
Stojí za to připomenout, že pokud látka hoří na vzduchu, pak na každý objem kyslíku, který reaguje, připadají čtyři objemy inertního dusíku. A jelikož je v plameni přítomen dusík, je zahříván teplem, které se uvolňuje při reakci. Na základě toho můžeme usoudit, že teplota plamene se bude skládat z teploty produktů spalování a dusíku.
Není možné přesně určit teplotu, ale lze to udělat přibližně, protože specifické teplo změny s teplotou.
Zde jsou některé ukazatele teploty otevřeného ohně v různých materiálech.
Plamen svíčky
Plamen, který může každý člověk pozorovat, když hoří svíčka, zápalka nebo zapalovač, je proudem horkých plynů, které jsou díky Archimédově síle taženy svisle vzhůru. Knot svíčky se nejprve zahřeje a parafín se začne odpařovat. Nejspodnější část se vyznačuje mírným modrým svitem – je tam málo kyslíku a hodně paliva. Díky tomu palivo zcela neshoří a vzniká oxid uhelnatý, který při oxidaci na samém okraji kužele plamene Modrá barva.
Díky difúzi se do centra dostane o něco více kyslíku. Dochází tam k následné oxidaci paliva a ke zvýšení teploty. To však nestačí k úplnému spálení paliva. Na dně a uprostřed jsou částice uhlí a nespálené kapky. Září vlivem intenzivního tepla. Ale odpařené palivo, stejně jako produkty spalování, voda a oxid uhličitý prakticky nesvítí. Úplně nahoře je nejvyšší koncentrace kyslíku. Tam dohoří nespálené částice, které žhnuly uprostřed. Z tohoto důvodu tato zóna prakticky nesvítí, přestože je tam teplota nejvyšší.
Záře ohně je klasifikována následovně.
V difuzním laminárním plameni se rozlišují tři pláště (zóny). Uvnitř kužele plamene je:
- tmavá zóna, kde nedochází ke spalování kvůli malému množství okysličovadla - 300–350 stupňů;
- světelná zóna, kde dochází k tepelnému rozkladu paliva a částečně hoří - 500–800 stupňů;
- zóna je mírně svítivá, kde se produkty rozkladu paliva nakonec spálí a dosáhne se maximální teploty 900-1500 stupňů.
Teplotní parametr plamene závisí na intenzitě přívodu okysličovadla a povaze hořlavé látky. Plamen se šíří předem namíchaným médiem. Šíření probíhá podél normály z každého bodu přední strany na povrch plamene.
V reálných směsích plynu a vzduchu je šíření vždy komplikováno rušivými vnějšími vlivy, které jsou způsobeny třením, konvektivním prouděním, gravitací a dalšími faktory.
Právě kvůli tomu se skutečná rychlost šíření vždy liší od normální. V závislosti na povaze rychlosti šíření se rozlišují následující rozsahy:
- Během detonačního spalování - více než 1000 metrů za sekundu.
- S výbuchem - 300-1000.
- S deflací - až 100.
Oxidační plamen
Nachází se v samotné horní části ohniště, kde je nejvyšší teplota. V této zóně se hořlavé látky téměř úplně přeměňují na produkty hoření. Je nedostatek paliva a přebytek kyslíku . Právě z tohoto důvodu látky, které jsou umístěny v této zóně, jsou intenzivně oxidovány.
Obnovující plamen
Tato část je nejblíže středu nebo se nachází těsně pod ním. Ke spalování je málo kyslíku a hodně paliva. Pokud se do této oblasti zavede látka obsahující kyslík, dojde k jejímu odebrání z látky.
Teplota ohně v zapalovači
Zapalovač je přenosné zařízení, které je určeno k vytváření ohně. Může to být benzín nebo plyn, v závislosti na použitém palivu. Existují i zapalovače, které neobsahují vlastní palivo. Jsou určeny k zapálení plynového sporáku. Kvalitní turbozapalovač je poměrně složité zařízení. Teplota ohně v něm může dosáhnout 1300 stupňů.
Chemické složení a barva plamene
Na kapesní zapalovače malá velikost, to umožňuje jejich bezproblémový přenos. Je poměrně vzácné najít stolní zapalovač. Ostatně kvůli jejich velké velikosti není určeno k přenášení. Jejich designy jsou různorodé. K dispozici jsou krbové podpalovače. Mají malou tloušťku a šířku, ale jsou poměrně dlouhé.
Dnes jsou reklamní zapalovače populární. Pokud v domě není elektřina, není možné jej zapálit. plynová kamna. Plyn je zapálen výsledným elektrický oblouk. Výhody těchto zapalovačů jsou následující kvality.
- Odolnost a jednoduchost designu.
- Rychlé a spolehlivé zapalování plynu.
První zapalovač s moderním pazourkem vznikl v Rakousku v roce 1903 po vynálezu feroceriové slitiny baronem Karlem Auerem von Welsbachem.
Vývoj zapalovačů se zrychlil během první světové války. Vojáci začali používat zápalky, aby viděli na cestu ve tmě, ale jejich polohu prozradil intenzivní záblesk při zapálení. Potřeba ohně bez výrazného záblesku podnítila vývoj zapalovačů.
V té době byly lídry ve výrobě kamínkových zapalovačů Německo a Rakousko. Takové přenosné zařízení, které je navrženo k vytváření ohně, nacházející se v kapse mnoha kuřáků, může být při nesprávné manipulaci spojeno s mnoha nebezpečími.
Zapalovač by během provozu neměl kolem sebe rozstřikovat jiskry. Oheň by měl být stabilní a rovnoměrný. Teplota ohně v kapesních zapalovačích dosahuje přibližně 800-1000 stupňů. Svítí červeně popř oranžová barva způsobené částicemi uhlíku, které se zahřívají. Pro domácí hořáky a turbozapalovače se používá především plynný butan, který snadno hoří a je bez zápachu a barvy. Butan se získává zpracováním oleje a jeho frakcí při vysokých teplotách. Butan je hořlavý uhlovodík, ale v provedeních moderních zapalovačů je naprosto bezpečný.
Takové zapalovače jsou velmi užitečné v každodenním životě. Mohou zapálit jakýkoli hořlavý materiál. Sada turbozapalovačů obsahuje stolní stojan. Barva plamene závisí na hořlavém materiálu a teplotě hoření. Plamen ohně nebo krbu má hlavně pestrý vzhled . Teplota hoření dřeva je nižší než teplota hoření knotu svíčky. Právě kvůli tomu není barva ohně žlutá, ale oranžová.
Měď, sodík a vápník při vysokých teplotách září různými barvami.
Elektrický zapalovač byl vynalezen v roce 1770. V něm došlo k zapálení vodíkového proudu jiskrou z elektroforového stroje. S časem benzínové zapalovače ustoupily plynovým, které jsou pohodlnější. Musí obsahovat baterii – zdroj energie.
Není to tak dávno, co se objevily dotykové zapalovače, ve kterých bez mechanický náraz plyn se zapálí vystavením dotykový senzor. Dotykové zapalovače kapesního typu. V zásadě obsahují informace reklamního typu, které jsou vytištěny tamponovým nebo sítotiskem.
Naformátujte jej prosím podle pravidel pro formátování článku.
Plamen- jev způsobený žárem horkého plynného média, v některých případech obsahujících plazmu a/nebo dispergované pevné látky, při kterém dochází k fyzikálně-chemickým přeměnám činidel vedoucím k žáru, uvolňování tepla a samovolnému zahřívání.
Plynné prostředí plamene obsahuje nabité částice (ionty, radikály), které určují přítomnost elektrické vodivosti plamene a jeho interakci s elektromagnetickými poli. Na tomto principu jsou postavena zařízení, která dokážou pomocí elektromagnetického záření plamen utlumit, odtrhnout od hořlavých materiálů nebo změnit jeho tvar.
Efekt při smíchání vody s voskem
Barva plamene
Různé typy Bunsenových hořáků závisí na přívodu kyslíku. Vlevo je bohatý palivová směs bez předběžného smíchání s kyslíkem hoří žlutým, kouřovým, rozptýleným plamenem, chudá palivová směs s přídavkem kyslíku nevytváří saze, zatímco barva plamene je určena nečistotami.
Barva plamene je určena především tepelným zářením a zářením z kvantových přechodů.
Teplota plamene
Teplota vznícení u většiny pevných materiálů je 300 °C. Teplota plamene v hořící cigaretě je 700-800°C. V zápalce je teplota plamene 750-850 °C, zatímco 300 °C je teplota vznícení dřeva a teplota spalování dřeva je přibližně 800-1000 °C. Teplota spalování propan-butanu se pohybuje od 800 do 1970 °C. Teplota plamene petroleje je 800, v prostředí čistého kyslíku - 2000 °C. Teplota spalování benzínu je 1300-1400 °C. Teplota plamene alkoholu nepřesahuje 900 °C. Teplota spalování hořčíku je 2200 °C.
Plamen svíčky
Obvyklý plamen, který pozorujeme, když hoří svíčka, plamen zapalovače nebo zápalky, je proud horkých plynů, který se vertikálně rozšiřuje díky Archimédově síle (horké plyny mají tendenci stoupat nahoru). Nejprve se zahřeje knot svíčky a parafín se začne odpařovat. Zóna 1, nejnižší, se vyznačuje mírným modrým svitem – je tam hodně paliva a málo kyslíku. Proto dochází k nedokonalému spalování paliva s tvorbou CO, který oxidací na samém okraji kužele plamene získává modrou barvu. Do zóny 2 proniká difúzí více kyslíku, dochází zde k další oxidaci paliva, teplota je vyšší než v zóně 1, ale stále to nestačí k úplnému spálení paliva. Zóna 1 a zóna 2 obsahují nespálené kapičky paliva a částice uhlí. Vlivem intenzivního tepla září. Odpařené palivo a produkty jeho spalování – oxid uhličitý a voda – téměř nesvítí. V zóně 3 je koncentrace kyslíku ještě vyšší. Tam se dohoří nespálené částice paliva, které žhnuly v zóně 2, takže tato zóna téměř nesvítí, ačkoliv je tam teplota nejvyšší.
Klasifikace
Plameny jsou klasifikovány podle:
- skupenství hořlavé látky: plamen plynných, kapalných, pevných a vzduchem přenášených činidel;
- záření: svítivé, barevné, bezbarvé;
- stav prostředí: palivo - okysličovadlo: difúzní, předmíchaná média;
- charakter pohybu reakčního prostředí: laminární, turbulentní, pulzující;
- teplota: studená, nízká teplota, vysoká teplota;
- rychlosti šíření: pomalé, rychlé;
- výška: krátká, dlouhá;
- zrakové vnímání: kouřové, průhledné, barevné.
V laminárním difúzním plameni lze rozlišit 3 zóny (skořápky). Uvnitř kužele plamene jsou: temná zóna(300−350 °C), kde nedochází ke spalování z důvodu nedostatku okysličovadla; světelná zóna, kde dochází k tepelnému rozkladu paliva a jeho částečnému spalování (500−800 °C); sotva svítivá zóna, která se vyznačuje dohořením produktů rozkladu paliva a max. teplota (900−1500 °C). Teplota plamene závisí na povaze hořlavé látky a intenzitě přívodu okysličovadla.
K šíření plamene předem namíchaným médiem (nerušeným) dochází z každého bodu čela plamene kolmo k povrchu plamene. Hodnota takového NSRP je hlavní charakteristikou hořlavého média. Představuje minimální možnou rychlost plamene. Hodnoty NSRP se liší pro různé hořlavé směsi - od 0,03 do 15 m/s.
Šíření plamene reálnými směsmi plynu a vzduchu je vždy komplikováno vnějšími rušivými vlivy způsobenými gravitací, konvektivním prouděním, třením atd. skutečné rychlosti Pomazánky P. se vždy liší od normálních. V závislosti na povaze hoření má rychlost šíření požárů následující. rozsahy hodnot: s deflagračním spalováním - do 100 m/s; při explozivním spalování - od 300 do 1000 m/s; při detonačním hoření - St. 1000 m/s.
Plamen hořící svíčky provází člověka po tisíce let.
Oxidační plamen
Nachází se v horní, nejžhavější části plamene, kde se hořlavé látky téměř úplně přeměňují na produkty spalování. V této oblasti plamene je přebytek kyslíku a nedostatek paliva, takže látky umístěné v této zóně jsou intenzivně oxidovány.
Obnovující plamen
Toto je část plamene nejblíže středu nebo těsně pod středem plamene. V této oblasti plamene je hodně paliva a málo kyslíku pro spalování, takže pokud do této části plamene zavedete látku obsahující kyslík, kyslík se z látky odebere.
To lze ilustrovat na příkladu redukční reakce síranu barnatého BaS04. Pomocí platinové smyčky se BaSO 4 odebírá a zahřívá v redukční části plamene lihový hořák. V tomto případě se redukuje síran barnatý a vzniká sulfid barnatý BaS. Proto se nazývá plamen obnovující.
aplikace
Plameny (oxidační a redukční) se používají v analytické chemii, zejména při výrobě barevných perel pro rychlou identifikaci minerálů a skály a to i v terénu pomocí foukačky.
Plamen v nulové gravitaci
viz také
- Spalování včetně bezplamenného spalování.
- Pyrochemická analýza - detekční metody chemické prvky různými barvami plamene.
Literatura
Tideman B. G., Sciborsky D. B. Chemie spalování. - L., 1935.
Spalování různé typy palivo je obvykle doprovázeno plamenem. Plameny jsou hořící plyny nebo páry. Ke studiu struktury plamene použijeme svíčku. Pojďme si ho zapálit a podívat se na něj blíže vzhled plamen. Nacházejí se v něm tři části: vnitřní, tmavá část přiléhající ke knotu, svítící kužel kolem něj a zvenčí sotva znatelná mušle (obr. 37). Samotný knot nehoří (hoří pouze jeho ohnutý konec).
Rýže. 37. Struktura plamene svíčky. a - vnitřní „tmavý“ kužel, b - střední svítící kužel, c - vnější část plamene
Prozkoumejme složení každé části plamene. Pokud v vnitřní část Konec skleněné trubice vložíme do plamene (obr. 38), poté jím bude vycházet bělavý kouř, který lze zapálit. Jsou to parafínové páry. Vnitřní tmavý kužel plamene je tedy tvořen parafínovými parami.
Uložíme to na krátký čas studený předmět; například porcelánový šálek, ve střední části plamene - svítící kužel. Šálek se zakouří a pokryje sazemi. To znamená, že svítící kužel obsahuje volný uhlík. Složení vnějšího kužele parafínového plamene je nám známé; Jedná se o konečné produkty spalování parafínu – vodní páru a oxid uhličitý.
Krátce vložíme do plamene třísku, jak je znázorněno na obrázku 39.
Tříska bude zuhelnatělá pouze v těch místech, která jsou ve vnějším kuželu. To znamená, že teplota plamene je v něm nejvyšší.
Odkud pochází uhlí ve střední části plamene? Když ke knotu přivedete zapálenou zápalku, parafín se roztaví a začne se odpařovat. Páry stoupající z knotu se vznítí. Vlivem vysoké teploty ve střední části plamene dochází k suché destilaci parafínu - rozkladu jeho par na uhlí a hořlavé plyny. Plyny hoří díky vzduchu proudícímu do plamene zespodu a vlivem tepla uvolněného při jejich spalování se částice uhlí rozžhaví do běla a dodávají plameni svítivost. Nechat se unést dovnitř vnější část plamen, tyto částice zase shoří na oxid uhličitý, svítivost plamene se zde ztrácí a teplota se ještě zvyšuje.
Pokud je do plamene svíčky vháněn vzduch pomocí foukače nebo skleněné trubice, plamen se stává téměř nesvítivým a saze se neusazují na do něj vneseném porcelánovém kelímku. To je vysvětleno skutečností, že při hojném proudění vzduchu částice uhlí rychle hoří a nezůstávají v plameni.
Plameny se tvoří také v topeništích pecí.
- Popište strukturu plamene a pokusy, pomocí kterých lze určit složení jeho částí. Která z nich má nejvyšší teplotu plamene?
- * Pokud umístíte hořící svíčku sluneční světlo, pak se na papíru umístěném za ním objeví tmavý stín právě z té části plamene svíčky, která jasně září. Proč?
- Hoří všechny látky za vzniku plamene?
- Jak udělat plamen nekuřácký?
Jak proklínat temnotu
Je lepší to alespoň zapálit
jedna malá svíčka.
Konfucius
Nejprve
První pokusy o pochopení spalovacího mechanismu jsou spojeny se jmény Angličana Roberta Boylea, Francouze Antoina Laurenta Lavoisiera a Rusa Michaila Vasiljeviče Lomonosova. Ukázalo se, že při spalování látka nikam „nezmizí“, jak se kdysi naivně věřilo, ale mění se v jiné látky, většinou plynné a tedy neviditelné. Lavoisier jako první v roce 1774 ukázal, že při spalování se přibližně pětina z nich ztrácí ze vzduchu. V průběhu 19. století vědci podrobně studovali fyzikální a chemické procesy, doprovázející spalování. Potřebu takové práce vyvolaly především požáry a výbuchy v dolech.
Ale teprve v poslední čtvrtině dvacátého století byly identifikovány hlavní chemické reakce doprovázející spalování a dodnes toho v chemii plamene zůstává mnoho. tmavé skvrny. Jsou studovány nejvíce moderní metody v mnoha laboratořích. Tyto studie mají několik cílů. Na jedné straně je nutné optimalizovat spalovací procesy v topeništích tepelných elektráren a ve válcích spalovacích motorů, aby nedocházelo k explozivnímu hoření (detonaci) při stlačování směsi vzduch-benzín ve válci automobilu. Na druhou stranu je nutné počet snížit škodlivé látky vzniklé během procesu spalování a zároveň - hledejte další účinnými prostředky hašení požáru.
Existují dva druhy plamenů. Palivo a okysličovadlo (nejčastěji kyslík) mohou být nuceně nebo samovolně přiváděny do spalovací zóny odděleně a smíchány v plameni. Nebo je lze předem namíchat – takové směsi mohou za nepřítomnosti vzduchu hořet nebo dokonce explodovat, např. střelný prach, pyrotechnické směsi na ohňostroje, raketové palivo. Spalování může nastat jak za účasti kyslíku vstupujícího do spalovací zóny se vzduchem, tak za pomoci kyslíku obsaženého v oxidační látce. Jednou z těchto látek je Bertholletova sůl (chlorečnan draselný KClO 3); tato látka se snadno vzdává kyslíku. Silným oxidačním činidlem je kyselina dusičná HNO 3: v čisté formě mnohé zapálí organická hmota. Dusičnany, soli kyselina dusičná(například ve formě hnojiva - dusičnanu draselného nebo amonného), jsou snadno hořlavé, pokud jsou smíchány s hořlavými látkami. Další silné okysličovadlo, oxid dusnatý N 2 O 4 je součástí raketových paliv. Kyslík lze nahradit i silnými oxidačními činidly jako je chlór, ve kterém mnoho látek hoří, nebo fluor. Čistý fluor je jedním z nejsilnějších oxidačních činidel, které voda hoří ve svém proudu.
Řetězové reakce
Základy teorie spalování a šíření plamene byly položeny koncem 20. let minulého století. V důsledku těchto studií rozvětvené řetězové reakce. Za tento objev byli oceněni ruský fyzikální chemik Nikolaj Nikolajevič Semenov a anglický badatel Cyril Hinshelwood Nobelova cena v chemii. Jednodušší nerozvětvené řetězové reakce objevil již v roce 1913 německý chemik Max Bodenstein na příkladu reakce vodíku s chlórem. Vyjádří se celková reakce jednoduchá rovnice H2 + Cl2 = 2HCl. Ve skutečnosti se jedná o velmi aktivní fragmenty molekul – tzv volné radikály. Vlivem světla v ultrafialové a modré oblasti spektra nebo při vysokých teplotách se molekuly chloru rozpadají na atomy, které začínají dlouhý (někdy až milion článků) řetězec přeměn; Každá z těchto transformací se nazývá elementární reakce:
Cl + H2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl atd.
V každé fázi (reakční článek) zmizí jedno aktivní centrum (atom vodíku nebo chloru) a současně se objeví nové aktivní centrum, které pokračuje v řetězci. Řetězce se přeruší, když se setkají dva aktivní druhy, například Cl + Cl → Cl 2. Každý řetězec se šíří velmi rychle, takže pokud generujete „počáteční“ aktivní částice s vysoká rychlost reakce bude probíhat tak rychle, že může vést k explozi.
N. N. Semenov a Hinshelwood zjistili, že spalovací reakce par fosforu a vodíku probíhají odlišně: sebemenší jiskra, resp. otevřený plamen může způsobit výbuch i při pokojové teplotě. Tyto reakce jsou rozvětvené řetězové reakce: aktivní částice se během reakce „množí“, to znamená, že když jedna aktivní částice zmizí, objeví se dvě nebo tři. Například ve směsi vodíku a kyslíku, kterou lze bezpečně skladovat stovky let, pokud ne vnější vlivy, objevení se aktivních atomů vodíku z toho či onoho důvodu spouští následující proces:
H + O 2 → OH + O,
O + H2 → OH + H.
Jedna aktivní částice (atom H) se tak během nevýznamného časového úseku změní na tři (atom vodíku a dva OH hydroxylové radikály), které již spouštějí tři řetězce místo jednoho. Výsledkem je, že počet řetězců roste jako lavina, což okamžitě vede k explozi směsi vodíku a kyslíku, protože při této reakci se uvolňuje velké množství tepelné energie. Atomy kyslíku jsou přítomny v plamenech a při hoření jiných látek. Mohou být detekovány, pokud směrujete proud stlačený vzduch přes horní část plamene hořáku. Současně bude ve vzduchu detekován charakteristický zápach ozónu - jedná se o atomy kyslíku „přilepené“ na molekuly kyslíku za vzniku molekul ozonu: O + O 2 = O 3, které byly vyneseny z plamene studeným vzduchem .
Možnost výbuchu směsi kyslíku (nebo vzduchu) s mnoha hořlavými plyny - vodíkem, oxidem uhelnatým, metanem, acetylenem - závisí na podmínkách, především na teplotě, složení a tlaku směsi. Pokud tedy v důsledku úniku domácího plynu v kuchyni (skládá se převážně z metanu), jeho obsah ve vzduchu překročí 5 %, pak směs vybuchne z plamene zápalky nebo zapalovače, a to i z malá jiskra, která při rozsvícení světla proklouzne vypínačem. K výbuchu nedojde, pokud se řetězy přetrhnou rychleji, než se stihnou rozvětvit. Proto byla lampa pro horníky, kterou anglický chemik Humphry Davy vyvinul v roce 1816, aniž by věděl cokoli o chemii plamene, bezpečná. V této lampě byl otevřený plamen chráněn od vnější atmosféry (která by mohla být výbušná) silnou kovovou sítí. Na kovovém povrchu aktivní částice účinně mizí, mění se ve stabilní molekuly, a proto nemohou proniknout do vnějšího prostředí.
Úplný mechanismus reakcí s rozvětveným řetězcem je velmi složitý a může zahrnovat více než sto elementárních reakcí. Mnoho oxidačních a spalovacích reakcí anorganických a organických sloučenin jsou reakce s rozvětveným řetězcem. Stejná bude reakce štěpení jader těžkých prvků, například plutonia nebo uranu, pod vlivem neutronů, které působí jako analogy aktivních částic v chemických reakcích. Neutrony, které pronikají do jádra těžkého prvku, způsobují jeho štěpení, které je doprovázeno uvolněním velmi vysoké energie; Zároveň jsou z jádra emitovány nové neutrony, které způsobují štěpení sousedních jader. Chemické a jaderné procesy s rozvětveným řetězcem jsou popsány podobnými matematickými modely.
Co potřebujete, abyste mohli začít?
Aby spalování začalo, musí být splněna řada podmínek. V první řadě musí teplota hořlavé látky překročit určitou mezní hodnotu, která se nazývá zápalná teplota. Slavný román Raye Bradburyho Fahrenheit 451 je tak pojmenován, protože přibližně při této teplotě (233 °C) se papír vznítí. Jedná se o „teplotu vznícení“, nad kterou pevná paliva uvolňují hořlavé páry nebo plynné produkty rozkladu v množství dostatečném pro jejich stabilní spalování. Suché borové dřevo má přibližně stejnou teplotu vznícení.
Teplota plamene závisí na povaze hořlavé látky a podmínkách hoření. Teplota v plameni metanu na vzduchu tedy dosahuje 1900 °C a při hoření v kyslíku - 2700 °C. Ještě žhavější plamen vzniká při spalování vodíku (2800 °C) a acetylenu (3000 °C) v čistém kyslíku. Není divu, že plamen acetylenového hořáku snadno rozřeže téměř jakýkoli kov. Stejný vysoká teplota, asi 5000°C (je zapsána v Guinessově knize rekordů), při spalování v kyslíku vzniká nízkovroucí kapalina - subnitrid uhlíku C 4 N 2 (tato látka má strukturu dikyanoacetylenu NC–C=C–CN ). A podle některých informací při hoření v ozónové atmosféře může teplota dosáhnout až 5700°C. Pokud je tato kapalina zapálena na vzduchu, bude hořet červeným kouřovým plamenem se zelenofialovým okrajem. Na druhou stranu jsou známé i studené plameny. Například hoří, když nízké tlaky páry fosforu. Během oxidace se také získá relativně studený plamen jisté podmínky sirouhlík a lehké uhlovodíky; například propan vytváří studený plamen při sníženém tlaku a teplotách mezi 260–320 °C.
Teprve v poslední čtvrtině dvacátého století se začal vyjasňovat mechanismus procesů probíhajících v plamenech mnoha hořlavých látek. Tento mechanismus je velmi složitý. Původní molekuly jsou obvykle příliš velké na to, aby reagovaly přímo s kyslíkem na reakční produkty. Například spalování oktanu, jedné ze složek benzínu, je vyjádřeno rovnicí 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Všech 8 atomů uhlíku a 18 atomů vodíku v molekula oktanu se nemůže sloučit současně s 50 atomy kyslíku: k tomu se musí sada rozbít chemické vazby a vznikne mnoho nových. Spalovací reakce probíhá v mnoha fázích - takže v každé fázi se přeruší a vytvoří pouze malý počet chemických vazeb a proces sestává z mnoha postupně se vyskytujících elementárních reakcí, jejichž celek se pozorovateli jeví jako plamen. Primárně je obtížné studovat elementární reakce, protože koncentrace reaktivních meziproduktových částic v plameni jsou extrémně malé.
Uvnitř plamene
Optické snímání různé oblasti plameny pomocí laserů umožnily stanovit kvalitativní i kvantitativní složení tam přítomných aktivních částic - fragmentů molekul hořlavé látky. Ukázalo se, že i při zdánlivě jednoduché reakci spalování vodíku v kyslíku 2H 2 + O 2 = 2H 2 O dochází k více než 20 elementárním reakcím za účasti molekul O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 , H 2 O, aktivní částice N, O, OH, ALE 2. Zde je například to, co o této reakci napsal anglický chemik Kenneth Bailey v roce 1937: „Rovnice pro reakci vodíku s kyslíkem je první rovnicí, se kterou se seznámí většina začátečníků v chemii. Tato reakce se jim zdá velmi jednoduchá. Ale i profesionální chemici jsou poněkud ohromeni, když vidí stostránkovou knihu s názvem „Reakce kyslíku s vodíkem“, kterou vydali Hinshelwood a Williamson v roce 1934. K tomu můžeme dodat, že v roce 1948 vyšla mnohem rozsáhlejší monografie A. B. Nalbandyana a V. V. Voevodského s názvem „Mechanismus oxidace a spalování vodíku“.
Moderní výzkumné metody umožnily studovat jednotlivé fáze takových procesů, měřit rychlost, s jakou různé aktivní částice reagují mezi sebou a se stabilními molekulami při různé teploty. Se znalostí mechanismu jednotlivých fází procesu je možné celý proces „sestavit“, tedy simulovat plamen. Složitost takového modelování nespočívá pouze ve studiu celého komplexu elementárních chemické reakce, ale také nutnost brát v úvahu procesy difúze částic, přenosu tepla a konvekční proudy v plameni (právě ty druhé vytvářejí fascinující hru jazyků hořícího ohně).
Odkud všechno pochází
Hlavním palivem moderního průmyslu jsou uhlovodíky, od těch nejjednodušších, metanu, až po těžké uhlovodíky, které jsou obsaženy v topném oleji. Plamen i toho nejjednoduššího uhlovodíku, metanu, může zahrnovat až sto elementárních reakcí. Ne všechny však byly dostatečně podrobně prozkoumány. Když těžké uhlovodíky, jako jsou ty, které se nacházejí v parafínu, hoří, jejich molekuly se nemohou dostat do zóny spalování, aniž by zůstaly nedotčené. I při přiblížení k plameni se vlivem vysoké teploty rozlomily na úlomky. V tomto případě jsou skupiny obsahující dva atomy uhlíku obvykle odštěpeny od molekul, například C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Aktivní druhy s lichým počtem atomů uhlíku mohou abstrahovat atomy vodíku a vytvářet sloučeniny s dvojitými vazbami C=C a trojnými vazbami C≡C. Bylo zjištěno, že v plameni mohou takové sloučeniny vstupovat do reakcí, které nebyly dříve chemikům známy, protože se mimo plamen nevyskytují, například C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO2 + H + N.
Postupná ztráta vodíku počátečními molekulami vede k nárůstu podílu uhlíku v nich, až vznikají částice C 2 H 2, C 2 H, C 2. Modro-modrá zóna plamene je způsobena záře excitovaných částic C 2 a CH v této zóně. Pokud je omezen přístup kyslíku do spalovací zóny, pak tyto částice neoxidují, ale shromažďují se do agregátů - polymerují podle schématu C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C4H2 → C6H2 + N atd.
Výsledkem jsou částice sazí skládající se téměř výhradně z atomů uhlíku. Mají tvar malých kuliček o průměru až 0,1 mikrometru, které obsahují přibližně milion atomů uhlíku. Takové částice při vysokých teplotách dávají dobře svítivý plamen žlutá barva. V horní části plamene svíčky tyto částice hoří, takže svíčka nekouří. Pokud dojde k další adhezi těchto aerosolových částic, vytvoří se větší částice sazí. Výsledkem je, že plamen (například hořící guma) produkuje černý kouř. Takový kouř se objeví, pokud se zvýší podíl uhlíku vzhledem k vodíku v původním palivu. Příkladem je terpentýn - směs uhlovodíků o složení C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzen C 6 H 6 (C n H 2n–6), a další hořlavé kapaliny s nedostatkem vodíku - vše z nich při hoření kouří. Kouřový a jasně svítivý plamen vzniká hořením acetylenu C 2 H 2 (C n H 2n–2) na vzduchu; Kdysi se takový plamen používal v acetylenových lucernách namontovaných na jízdních kolech a autech a v hornických lampách. A naopak: uhlovodíky s vysokým obsahem vodíku - methan CH 4, ethan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10 ( obecný vzorec C n H 2n+2) - hoříme za dostatečného přístupu vzduchu téměř bezbarvým plamenem. Směs propanu a butanu ve formě kapaliny pod nízkým tlakem se nachází v zapalovačích, stejně jako v lahvích používaných letními obyvateli a turisty; stejné lahve jsou instalovány v automobilech na plyn. Nedávno bylo zjištěno, že saze často obsahují kulovité molekuly sestávající z 60 atomů uhlíku; byly nazývány fullereny a objev tohoto nový formulář uhlíku byla v roce 1996 udělena Nobelova cena za chemii.
Druhy paliva. Spalování paliva- jeden z nejběžnějších zdrojů energie využívaných lidmi.
Je jich několik druhy paliva podle stavu agregace: tuhé palivo, kapalná paliva a plynná paliva. Podle toho můžeme uvést příklady: tuhé palivo je koks, uhlí, kapalné palivo je ropa a její produkty (petrolej, benzín, ropa, topný olej, plynné palivo jsou plyny (metan, propan, butan atd.)
Důležitý parametr každý druh paliva je jeho výhřevnost, který v mnoha případech určuje směr použití paliva.
Výhřevnost- to je množství tepla, které se uvolní při spalování 1 kg (nebo 1 m 3) paliva při tlaku 101,325 kPa a 0 0 C, tedy za normálních podmínek. Vyjádřený výhřevnost v jednotkách kJ/kg (kilojoule na kg). Přirozeně, odlišné typy paliva s různou výhřevností:
Hnědé uhlí - 25550 
Uhlí - 33920 
Rašelina - 23900
- petrolej - 35 000
- strom - 18850
- benzín - 46 000
- metan - 50 000
Je vidět, že metan z výše uvedených paliv má nejvyšší výhřevnost.
Pro získání tepla obsaženého v palivu je třeba ho zahřát na jeho zápalnou teplotu a samozřejmě za přítomnosti dostatečného množství kyslíku. V procesu chemické reakce – spalování – se uvolňuje velký počet teplo.
Jak hoří uhlí. Uhlí se pod vlivem kyslíku zahřívá a žhne a vytváří oxid uhelnatý (IV), tedy CO 2 (neboli oxid uhličitý). Poté CO 2 in horní vrstvažhavé uhlí opět reaguje s uhlím, což má za následek vznik nového chemická sloučenina- oxid uhelnatý (II) nebo CO - kysličník uhelnatý. Tato látka je ale velmi aktivní a jakmile se ve vzduchu objeví dostatečné množství kyslíku, látka CO hoří modrým plamenem za vzniku stejného oxidu uhličitého.
Pravděpodobně jste si někdy položili otázku, co je teplota plamene?! Každý ví, že například k provedení některých chemických reakcí je nutné zahřát činidla. Pro tyto účely používají laboratoře plynový hořák pracující na zemní plyn mít úžasný výhřevnost. Při spalování paliva - plynu se chemická energie spalování přeměňuje na Termální energie. Pro plynový hořák Plamen lze znázornit takto:
Nejvyšší bod plamene je jedním z nejžhavějších míst plamene. Teplota v tomto bodě je asi 1540 0 C - 1550 0 C
Trochu níže (asi 1/4 dílu) - uprostřed plamene - nejžhavější zóna 1560 0 C