Quale zona della candela ha la temperatura più alta. Workshop "accendere una candela"

Una fiamma è un fenomeno causato dal bagliore di un mezzo caldo gassoso. In alcuni casi contiene solidi dispersi e (o) plasma, in cui si verificano trasformazioni di reagenti di natura fisica e chimica. Sono loro che portano all'autoriscaldamento, al rilascio di calore e al bagliore. Il mezzo gassoso della fiamma contiene particelle cariche - radicali e ioni. Ciò spiega l'esistenza della conduttività elettrica della fiamma e la sua interazione con i campi elettromagnetici. Su questo principio si basano i dispositivi in ​​grado di sopprimere un incendio, modificarne la forma o strapparlo da materiali infiammabili utilizzando la radiazione elettromagnetica.

Tipi di fiamma

Il bagliore del fuoco si divide in due tipologie:

• non luminoso;
• incandescente.

Quasi ogni bagliore è visibile all'occhio umano, ma non tutti sono in grado di emetterlo quantità richiesta flusso luminoso.

Il bagliore della fiamma è determinato dai seguenti fattori.

1. Temperatura.
2. La densità e la pressione dei gas che partecipano alla reazione.
3. Presenza di materia solida.

La causa più comune del bagliore è questa è la presenza di una sostanza solida nella fiamma.

Molti gas bruciano con una fiamma debolmente luminosa o non luminosa. Di questi, i più comuni sono l'idrogeno solforato (fiamma colore blu come nella combustione), ammoniaca (giallo pallido), metano, monossido di carbonio (fiamma azzurra), idrogeno. I vapori di alcuni liquidi volatili bruciano con una fiamma appena luminosa (alcol e disolfuro di carbonio), e la fiamma dell'acetone e dell'etere diventa leggermente fumosa a causa del leggero rilascio di carbonio.

Per diversi vapori e gas infiammabili, la temperatura della fiamma non è la stessa. Anche la temperatura non è la stessa parti diverse fiamma e l'area di combustione completa ha temperature più elevate.

Quando brucia, una certa quantità di sostanza combustibile rilascia una certa quantità di calore. Se si conosce la struttura della sostanza, è possibile calcolare il volume e la composizione dei prodotti della combustione risultanti. E se conosci il calore specifico di queste sostanze, puoi calcolarlo temperatura massima che la fiamma raggiungerà.

Vale la pena ricordare che se una sostanza brucia nell'aria, per ogni volume di ossigeno che reagisce ci sono quattro volumi di azoto inerte. E poiché nella fiamma è presente azoto, viene riscaldato dal calore rilasciato durante la reazione. Sulla base di ciò, possiamo concludere che la temperatura della fiamma sarà costituita dalla temperatura dei prodotti della combustione e dell'azoto.

È impossibile determinare con precisione la temperatura, ma può essere fatto in modo approssimativo calore specifico cambia con la temperatura.

Ecco alcuni indicatori per la temperatura di un fuoco aperto in diversi materiali.

Fiamma di candela

La fiamma, che ogni persona può osservare quando brucia una candela, un fiammifero o un accendino, è un flusso di gas caldi che viene tirato verticalmente verso l'alto, grazie alla forza di Archimede. Lo stoppino della candela si riscalda prima e la paraffina inizia ad evaporare. La parte più bassa è caratterizzata da un leggero bagliore blu: c'è poco ossigeno e molto carburante. È per questo motivo che il combustibile non brucia completamente e si forma monossido di carbonio che, ossidandosi all'estremità del cono di fiamma, gli conferisce blu.

A causa della diffusione, un po’ più di ossigeno entra nel centro. Qui avviene la successiva ossidazione del combustibile e la temperatura aumenta. Ma questo non è sufficiente per la completa combustione del carburante. Ci sono particelle di carbone in basso e al centro e goccioline incombuste. Brillano a causa del calore intenso. Ma il carburante evaporato, così come i prodotti della combustione, l'acqua e anidride carbonica praticamente non si illuminano. In cima c'è la più alta concentrazione di ossigeno. Lì, le particelle incombuste che brillavano al centro si stanno bruciando. È per questo motivo che questa zona praticamente non si illumina, sebbene la temperatura sia la più alta.

Il bagliore del fuoco è classificato come segue.

In una fiamma laminare diffusa si distinguono tre gusci (zone). All'interno del cono di fiamma c'è:

• zona scura, dove non c'è combustione a causa della piccola quantità di ossidante - 300-350 gradi;
• zona luminosa, dove avviene la decomposizione termica del carburante e brucia parzialmente - 500-800 gradi;
• la zona è leggermente luminosa, dove infine bruciano i prodotti della decomposizione del combustibile e si raggiunge una temperatura massima di 900-1500 gradi.

Il parametro di temperatura della fiamma dipende dall'intensità della fornitura di ossidante e dalla natura della sostanza combustibile. La fiamma si diffonde attraverso il mezzo premiscelato. La propagazione avviene lungo la normale da ciascun punto del fronte alla superficie della fiamma.

Nelle miscele gas-aria reali, la propagazione è sempre complicata da influssi esterni disturbanti, causati da attrito, flussi convettivi, gravità e altri fattori.

È per questo motivo che la velocità di propagazione reale è sempre diversa da quella normale. A seconda della natura della velocità di propagazione si distinguono i seguenti intervalli:

1. Durante la combustione della detonazione: più di 1000 metri al secondo.
2. Con un'esplosione: 300-1000.
3. Con deflagrazione - fino a 100.

Fiamma ossidante

Si trova nella parte più alta del fuoco, che ha la temperatura più alta. In questa zona le sostanze infiammabili vengono quasi completamente convertite in prodotti di combustione. C'è una mancanza di carburante e un eccesso di ossigeno . È per questo motivo che le sostanze, che si trovano in questa zona, vengono ossidati intensamente.

Fiamma riparatrice

Questa parte è più vicina al centro o si trova appena sotto di esso. C'è poco ossigeno per la combustione e molto carburante. Se una sostanza contenente ossigeno viene introdotta in quest'area, verrà allontanata dalla sostanza.

Temperatura del fuoco in un accendino

Un accendino è un dispositivo portatile progettato per produrre fuoco. Può essere benzina o gas, a seconda del carburante utilizzato. Esistono anche accendini che non contengono carburante proprio. Sono progettati per accendere una stufa a gas. Un accendino turbo di alta qualità è un dispositivo relativamente complesso. La temperatura del fuoco al suo interno può raggiungere i 1300 gradi.

Composizione chimica e colore della fiamma

Sugli accendini tascabili piccola dimensione, questo permette di trasportarli senza problemi. È abbastanza raro trovare un accendino da tavolo. Dopotutto, a causa loro grandi dimensioni non destinato al trasporto. I loro disegni sono vari. Ci sono accendini per caminetti. Hanno uno spessore e una larghezza ridotti, ma sono piuttosto lunghi.

Oggi gli accendini promozionali stanno diventando popolari. Se non c'è elettricità in casa, è impossibile darle fuoco. stufa a gas. Il gas viene acceso dal risultante arco elettrico. I vantaggi di questi accendini sono le seguenti qualità.

1. Durata e semplicità del design.
2. Accensione del gas rapida e affidabile.

Il primo accendino moderno a pietra focaia fu creato in Austria nel 1903 dopo l'invenzione della lega di ferrocerio da parte del barone Karl Auer von Welsbach.

Lo sviluppo degli accendini subì un'accelerazione durante la prima guerra mondiale. I soldati iniziarono ad usare i fiammiferi per vedere la strada al buio, ma la loro posizione veniva rivelata dall'intenso lampo quando venivano accesi. La necessità di un fuoco senza lampi significativi ha alimentato lo sviluppo degli accendini.

A quel tempo, i leader nella produzione di accendini a pietra focaia erano la Germania e l'Austria. Un dispositivo portatile di questo tipo, progettato per produrre fuoco, che si trova nelle tasche di molti fumatori, può essere pieno di molti pericoli se maneggiato in modo errato.

L'accendino non deve generare scintille attorno a sé durante il funzionamento. Il fuoco dovrebbe essere stabile e uniforme. La temperatura del fuoco negli accendini tascabili raggiunge circa 800-1000 gradi. Bagliore rosso o colore arancione causato da particelle di carbonio che diventano calde. Per i bruciatori domestici e gli accendini turbo viene utilizzato principalmente il gas butano, che brucia facilmente ed è inodore e incolore. Il butano si ottiene dalla lavorazione del petrolio e delle sue frazioni ad alte temperature. Il butano è un idrocarburo infiammabile, ma è assolutamente sicuro nei moderni accendini.

Tali accendini sono molto utili nella vita di tutti i giorni. Possono dare fuoco a qualsiasi materiale infiammabile. Il set di accendini turbo include un supporto da tavolo. Il colore della fiamma dipende dal materiale combustibile e dalla temperatura di combustione. La fiamma di un fuoco o di un caminetto ha principalmente aspetto variegato . La temperatura di combustione del legno è inferiore alla temperatura di combustione dello stoppino di una candela. È per questo motivo che il colore del fuoco non è giallo, ma arancione.

Rame, sodio e calcio si illuminano in diversi colori alle alte temperature.

L'accendino elettrico fu inventato nel 1770. In esso, un getto di idrogeno è stato acceso da una scintilla proveniente da una macchina elettroforica. Col tempo accendini a benzina hanno lasciato il posto a quelli a gas, che sono più convenienti. Devono contenere una batteria, una fonte di energia.

Non molto tempo fa sono comparsi gli accendini touch, in cui, senza impatto meccanico il gas viene infiammato dall'esposizione a sensore tattile. Accendini tattili tascabili. Esse contengono essenzialmente informazioni di tipo pubblicitario, che vengono stampate mediante tampografia o serigrafia.

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Fiamma- fenomeno causato dal bagliore di un mezzo gassoso caldo, in alcuni casi contenente plasma e/o solidi dispersi, in cui avvengono trasformazioni fisico-chimiche dei reagenti che portano al bagliore, al rilascio di calore e all'autoriscaldamento.

Il mezzo gassoso della fiamma contiene particelle cariche (ioni, radicali), che determinano la presenza di conduttività elettrica della fiamma e la sua interazione con i campi elettromagnetici. Su questo principio vengono costruiti dispositivi in ​​grado, utilizzando la radiazione elettromagnetica, di smorzare una fiamma, strapparla da materiali infiammabili o modificarne la forma.

Effetto quando si mescola acqua con cera

Colore della fiamma

Il diverso tipo di becco Bunsen dipende dall'apporto di ossigeno. A sinistra è ricco miscela di carburante senza miscelazione preliminare con l'ossigeno, brucia con una fiamma gialla, fumosa, sparsa; a destra, una miscela di combustibile magro con aggiunta di ossigeno non crea fuliggine, mentre il colore della fiamma è determinato dalle impurità.

Il colore della fiamma è determinato principalmente dalla radiazione termica e dalla radiazione derivante dalle transizioni quantistiche.

Temperatura della fiamma

La temperatura di accensione per la maggior parte dei materiali solidi è di 300°C. La temperatura della fiamma in una sigaretta accesa è di 700-800°C. In una partita, la temperatura della fiamma è di 750-850 °C, mentre 300 °C è la temperatura di accensione del legno e la temperatura di combustione del legno è di circa 800-1000 °C. La temperatura di combustione del propano-butano varia da 800 a 1970 °C. La temperatura della fiamma del cherosene è 800, in un ambiente di ossigeno puro - 2000 °C. La temperatura di combustione della benzina è 1300-1400 °C. La temperatura della fiamma dell'alcool non supera i 900 °C. La temperatura di combustione del magnesio è di 2200 °C.

Fiamma di candela

La fiamma abituale che osserviamo quando brucia una candela, la fiamma di un accendino o di un fiammifero, è un flusso di gas caldi, esteso verticalmente a causa della forza di Archimede (i gas caldi tendono a salire verso l'alto). Innanzitutto, lo stoppino della candela si riscalda e la paraffina inizia ad evaporare. La zona 1, la più bassa, è caratterizzata da un leggero bagliore blu: c'è molto carburante e poco ossigeno. Pertanto, la combustione incompleta del combustibile avviene con la formazione di CO che, ossidandosi all'estremità del cono di fiamma, gli conferisce un colore blu. Nella zona 2 penetra più ossigeno per diffusione; lì si verifica un'ulteriore ossidazione del carburante; la temperatura è più elevata che nella zona 1, ma non è ancora sufficiente per la combustione completa del carburante. La zona 1 e la zona 2 contengono goccioline di carburante incombusto e particelle di carbone. A causa del calore intenso, brillano. Il carburante evaporato e i suoi prodotti di combustione - anidride carbonica e acqua - difficilmente si illuminano. Nella zona 3 la concentrazione di ossigeno è ancora maggiore. Lì, le particelle di carburante incombusto che brillavano nella zona 2 vengono bruciate, quindi questa zona quasi non si illumina, sebbene lì la temperatura sia più alta.

Classificazione

Le fiamme vengono classificate in base a:

• stato di aggregazione sostanze infiammabili: fiamma di reagenti gassosi, liquidi, solidi e aerodispersi;
• radiazione: luminosa, colorata, incolore;
• stato dell'ambiente: combustibile - ossidante: diffusione, mezzi premiscelati;
• la natura del movimento del mezzo di reazione: laminare, turbolento, pulsante;
• temperatura: fredda, bassa temperatura, alta temperatura;
• velocità di propagazione: lenta, veloce;
• altezza: corta, lunga;
• percezione visiva: fumoso, trasparente, colorato.

In una fiamma a diffusione laminare si possono distinguere 3 zone (gusci). All'interno del cono fiamma sono presenti: zona oscura(300-350 ° C), dove la combustione non avviene per mancanza di ossidante; zona luminosa dove avviene la decomposizione termica del combustibile e la sua combustione parziale (500−800 °C); zona poco luminosa, caratterizzata dalla combustione finale dei prodotti della decomposizione del carburante e max. temperatura (900-1500 °C). La temperatura della fiamma dipende dalla natura della sostanza combustibile e dall'intensità dell'apporto di ossidante.

La propagazione della fiamma attraverso un mezzo premiscelato (indisturbato) avviene da ciascun punto del fronte di fiamma perpendicolare alla superficie della fiamma. Il valore di tale NSRP è la caratteristica principale di un ambiente infiammabile. Rappresenta la minima velocità possibile della fiamma. I valori NSRP differiscono per le diverse miscele combustibili: da 0,03 a 15 m/s.

Nella realtà la propagazione della fiamma nelle miscele gas-aria è sempre complicata da influssi perturbatori esterni dovuti alla gravità, ai flussi convettivi, all'attrito, ecc. Pertanto velocità reali Gli spread di P. differiscono sempre da quelli normali. A seconda della natura della combustione, la velocità di propagazione degli incendi è la seguente. campi di valori: con combustione per deflagrazione - fino a 100 m/s; durante la combustione esplosiva - da 300 a 1000 m/s; durante la combustione per detonazione - St. 1000 metri al secondo.

La fiamma di una candela accesa accompagna l'uomo da migliaia di anni.

Fiamma ossidante

Situato nella parte superiore e più calda della fiamma, dove le sostanze combustibili vengono quasi completamente convertite in prodotti della combustione. In questa zona della fiamma c'è un eccesso di ossigeno e una mancanza di carburante, quindi le sostanze collocate in questa zona vengono intensamente ossidate.

Fiamma riparatrice

Questa è la parte della fiamma più vicina al centro o appena sotto il centro della fiamma. In questa zona della fiamma c'è molto combustibile e poco ossigeno per la combustione, quindi se si introduce una sostanza contenente ossigeno in questa parte della fiamma, l'ossigeno verrà sottratto alla sostanza.

Ciò può essere illustrato utilizzando l'esempio della reazione di riduzione del solfato di bario BaSO 4 . Utilizzando un anello di platino, il BaSO 4 viene prelevato e riscaldato nella parte riducente della fiamma bruciatore ad alcool. In questo caso, il solfato di bario viene ridotto e si forma solfuro di bario BaS. Ecco perché si chiama fiamma riparativo.

Applicazione

Le fiamme (ossidanti e riducenti) vengono utilizzate in chimica analitica, in particolare nella produzione di perle colorate per la rapida identificazione di minerali e rocce, anche in campo, mediante cerbottana.

Fiamma a gravità zero

Vedi anche

• Combustione, compresa la combustione senza fiamma.
• Analisi pirochimica - metodi di rilevazione elementi chimici da diversi colori di fiamma.

Letteratura

Tideman B.G., Sciborsky D.B. Chimica della combustione. - L., 1935.

Combustione vari tipi il carburante è solitamente accompagnato da una fiamma. Le fiamme bruciano gas o vapori. Per studiare la struttura di una fiamma utilizzeremo una candela. Accendiamolo e diamo un'occhiata più da vicino aspetto fiamma. In esso si trovano tre parti: la parte interna, scura, adiacente allo stoppino, un cono luminoso attorno e una conchiglia appena percettibile all'esterno (Fig. 37). Lo stoppino stesso non brucia (brucia solo la sua estremità piegata).

Riso. 37. La struttura della fiamma di una candela. a - cono interno "scuro", b - cono luminoso centrale, c - parte esterna della fiamma

Esaminiamo la composizione di ciascuna parte della fiamma. Se dentro parte interna Inserite nella fiamma l'estremità di un tubo di vetro (Fig. 38), da esso uscirà un fumo biancastro che potrà essere acceso. Questi sono vapori di paraffina. Quindi, il cono scuro interno della fiamma è formato dal vapore di paraffina.

Lo depositeremo su breve tempo oggetto freddo; per esempio, una tazza di porcellana, al centro della fiamma c'è un cono luminoso. La tazza diventerà fumosa e ricoperta di fuliggine. Ciò significa che il cono luminoso contiene carbonio libero. La composizione del cono esterno della fiamma di paraffina ci è nota; Questi sono i prodotti finali della combustione della paraffina: vapore acqueo e anidride carbonica.

Inseriamo brevemente una scheggia nella fiamma, come mostrato in Figura 39.

La scheggia verrà carbonizzata solo nei punti che si trovano nel cono esterno. Ciò significa che la temperatura della fiamma è più alta al suo interno.

Da dove viene il carbone nella parte centrale della fiamma? Quando avvicini un fiammifero acceso allo stoppino, la paraffina si scioglie e inizia ad evaporare. I vapori che salgono dallo stoppino si infiammano. A causa dell'elevata temperatura nella parte centrale della fiamma, si verifica la distillazione a secco della paraffina, la decomposizione del suo vapore in carbone e gas combustibili. I gas bruciano a causa dell'aria che fluisce nella fiamma dal basso e, a causa del calore rilasciato durante la combustione, le particelle di carbone diventano incandescenti e conferiscono luminosità alla fiamma. Lasciarsi trasportare parte esterna fiamma, queste particelle a loro volta bruciano in anidride carbonica, qui la luminosità della fiamma si perde e la temperatura aumenta ancora di più.

Se si soffia aria nella fiamma di una candela utilizzando una fiamma ossidrica o un tubo di vetro, la fiamma diventa quasi non luminosa e la fuliggine non si deposita sulla tazza di porcellana portata al suo interno. Ciò è spiegato dal fatto che con un abbondante flusso d'aria, le particelle di carbone bruciano rapidamente e non indugiano nella fiamma.

Le fiamme si formano anche nei focolari dei forni.

1. Descrivere la struttura di una fiamma ed esperimenti che possono essere utilizzati per determinare la composizione delle sue parti. Quale ha la temperatura di fiamma più alta?
2. * Se metti una candela accesa luce solare, poi sulla carta posta dietro di essa apparirà un'ombra scura proprio da quella parte della fiamma della candela che brilla intensamente. Perché?
3. Tutte le sostanze bruciano formando una fiamma?
4. Come rendere una fiamma non fumante?

Come maledire l'oscurità
È meglio almeno accenderlo
una piccola candela.
Confucio

All'inizio

I primi tentativi di comprendere il meccanismo di combustione sono associati ai nomi dell'inglese Robert Boyle, del francese Antoine Laurent Lavoisier e del russo Mikhail Vasilyevich Lomonosov. Si è scoperto che durante la combustione la sostanza non “scompare” da nessuna parte, come una volta si credeva ingenuamente, ma si trasforma in altre sostanze, per lo più gassose e quindi invisibili. Lavoisier dimostrò per primo nel 1774 che durante la combustione circa un quinto della sostanza si perde nell'aria. Nel corso del 19° secolo, gli scienziati studiarono in dettaglio la fisica e processi chimici, che accompagna la combustione. La necessità di tale lavoro è stata causata principalmente da incendi ed esplosioni nelle miniere.

Ma solo nell’ultimo quarto del XX secolo furono identificate le principali reazioni chimiche che accompagnano la combustione, e ancora oggi resta molto nella chimica della fiamma macchie scure. Sono quelli più studiati metodi moderni in molti laboratori. Questi studi hanno diversi obiettivi. Da un lato, è necessario ottimizzare i processi di combustione nei forni delle centrali termoelettriche e nei cilindri dei motori a combustione interna, per prevenire la combustione esplosiva (detonazione) quando la miscela aria-benzina viene compressa nel cilindro di un'auto. D’altro canto è necessario ridurne il numero sostanze nocive formato durante il processo di combustione e, allo stesso tempo, cercarne di più mezzi efficaci estinguere l'incendio.

Esistono due tipi di fiamma. Il combustibile e l'ossidante (molto spesso ossigeno) possono essere forniti forzatamente o spontaneamente alla zona di combustione separatamente e miscelati nella fiamma. Oppure possono essere miscelati in anticipo: tali miscele possono bruciare o addirittura esplodere in assenza di aria, come polvere da sparo, miscele pirotecniche per fuochi d'artificio, carburante per missili. La combustione può avvenire sia con la partecipazione dell'ossigeno che entra nella zona di combustione con l'aria, sia con l'aiuto dell'ossigeno contenuto nella sostanza ossidante. Una di queste sostanze è il sale di Berthollet (clorato di potassio KClO 3); questa sostanza cede facilmente l'ossigeno. Un forte agente ossidante è l'acido nitrico HNO 3: nella sua forma pura ne accende molti materia organica. Nitrati, sali acido nitrico(ad esempio sotto forma di fertilizzante - nitrato di potassio o di ammonio), sono facilmente infiammabili se miscelati con sostanze infiammabili. Un altro potente ossidante, il tetrossido di azoto N 2 O 4 è un componente dei carburanti per missili. L'ossigeno può anche essere sostituito da forti agenti ossidanti come il cloro, in cui bruciano molte sostanze, o il fluoro. Il fluoro puro è uno degli agenti ossidanti più potenti; l'acqua brucia nel suo flusso.

Reazioni a catena

Le basi della teoria della combustione e della propagazione della fiamma furono gettate alla fine degli anni '20 del secolo scorso. Come risultato di questi studi, ramificato reazioni a catena. Per questa scoperta sono stati premiati il ​​chimico fisico russo Nikolai Nikolaevich Semenov e il ricercatore inglese Cyril Hinshelwood Premio Nobel in chimica. Le reazioni a catena non ramificate più semplici furono scoperte nel 1913 dal chimico tedesco Max Bodenstein usando l'esempio della reazione dell'idrogeno con il cloro. Viene espressa la reazione totale semplice equazione H2 + Cl2 = 2HCl. In effetti, si tratta di frammenti di molecole molto attivi, i cosiddetti radicali liberi. Sotto l'influenza della luce nelle regioni ultraviolette e blu dello spettro o ad alte temperature, le molecole di cloro si disintegrano in atomi, che iniziano una lunga catena di trasformazioni (a volte fino a un milione di collegamenti); Ognuna di queste trasformazioni è chiamata reazione elementare:

Cl + H2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl, ecc.

Ad ogni stadio (legame di reazione), un centro attivo (atomo di idrogeno o cloro) scompare e contemporaneamente appare un nuovo centro attivo, continuando la catena. Le catene si rompono quando due specie attive si incontrano, ad esempio Cl + Cl → Cl 2. Ogni catena si propaga molto velocemente, quindi se generi particelle attive “iniziali” con ad alta velocità, la reazione procederà così rapidamente che potrebbe portare ad un'esplosione.

N. N. Semenov e Hinshelwood scoprirono che le reazioni di combustione dei vapori di fosforo e idrogeno procedono diversamente: la minima scintilla o fiamma aperta potrebbe provocare un'esplosione anche a temperatura ambiente. Queste reazioni sono reazioni a catena ramificata: le particelle attive si “moltiplicano” durante la reazione, cioè quando una particella attiva scompare, ne compaiono due o tre. Ad esempio, in una miscela di idrogeno e ossigeno, che altrimenti può essere conservata in modo sicuro per centinaia di anni influenze esterne, la comparsa di atomi di idrogeno attivi per un motivo o per l'altro innesca il seguente processo:

H+O2→OH+O,
O + H2 → OH + H.

Pertanto, in un periodo di tempo insignificante, una particella attiva (atomo di H) si trasforma in tre (un atomo di idrogeno e due radicali idrossilici OH), che lanciano già tre catene invece di una. Di conseguenza, il numero di catene cresce come una valanga, il che porta immediatamente all'esplosione della miscela di idrogeno e ossigeno, poiché in questa reazione viene rilasciata molta energia termica. Gli atomi di ossigeno sono presenti nelle fiamme e nella combustione di altre sostanze. Possono essere rilevati se dirigi il flusso aria compressa attraverso la parte superiore della fiamma del bruciatore. Allo stesso tempo, nell'aria verrà rilevato un odore caratteristico di ozono: si tratta di atomi di ossigeno che "si attaccano" alle molecole di ossigeno per formare molecole di ozono: O + O 2 = O 3, che sono state portate fuori dalla fiamma dall'aria fredda .

La possibilità di esplosione di una miscela di ossigeno (o aria) con molti gas infiammabili - idrogeno, monossido di carbonio, metano, acetilene - dipende dalle condizioni, principalmente dalla temperatura, composizione e pressione della miscela. Quindi, se, a seguito di una perdita di gas domestico in cucina (costituito principalmente da metano), il suo contenuto nell'aria supera il 5%, la miscela esploderà dalla fiamma di un fiammifero o di un accendino, e anche da una piccola scintilla che scivola attraverso l'interruttore quando si accende la luce. Non ci sarà alcuna esplosione se le catene si romperanno più velocemente di quanto possano ramificarsi. Ecco perché la lampada per minatori, che il chimico inglese Humphry Davy sviluppò nel 1816, senza sapere nulla della chimica della fiamma, era sicura. In questa lampada la fiamma libera era protetta dall'atmosfera esterna (che poteva essere esplosiva) con una fitta rete metallica. Sulla superficie metallica le particelle attive scompaiono effettivamente, trasformandosi in molecole stabili e quindi non possono penetrare nell'ambiente esterno.

Il meccanismo completo delle reazioni a catena ramificata è molto complesso e può comprendere più di cento reazioni elementari. Molte reazioni di ossidazione e combustione di composti inorganici e organici sono reazioni a catena ramificata. La stessa sarà la reazione di fissione dei nuclei di elementi pesanti, ad esempio il plutonio o l'uranio, sotto l'influenza dei neutroni, che agiscono come analoghi delle particelle attive nelle reazioni chimiche. Penetrando nel nucleo di un elemento pesante, i neutroni provocano la sua fissione, che è accompagnata dal rilascio di energia molto elevata; Allo stesso tempo, dal nucleo vengono emessi nuovi neutroni, che provocano la fissione dei nuclei vicini. I processi chimici e nucleari a catena ramificata sono descritti da modelli matematici simili.

Di cosa hai bisogno per iniziare?

Perché la combustione abbia inizio è necessario che siano soddisfatte alcune condizioni. Innanzitutto, la temperatura della sostanza infiammabile deve superare un determinato valore limite, chiamato temperatura di accensione. Il famoso romanzo di Ray Bradbury Fahrenheit 451 è così chiamato perché a circa questa temperatura (233°C) la carta prende fuoco. È la “temperatura di accensione” al di sopra della quale i combustibili solidi rilasciano vapori infiammabili o prodotti di decomposizione gassosa in quantità sufficienti per la loro combustione stabile. La temperatura di accensione del legno di pino secco è approssimativamente la stessa.

La temperatura della fiamma dipende dalla natura della sostanza combustibile e dalle condizioni di combustione. Pertanto, la temperatura di una fiamma di metano nell'aria raggiunge i 1900°C e quando brucia in ossigeno - 2700°C. Una fiamma ancora più calda viene prodotta quando l'idrogeno (2800°C) e l'acetilene (3000°C) vengono bruciati in ossigeno puro. Non c'è da stupirsi che la fiamma di una torcia ad acetilene tagli facilmente quasi tutti i metalli. Lo stesso alta temperatura, a circa 5000°C (è registrato nel Guinness dei primati), quando bruciato in ossigeno, produce un liquido bassobollente - subnitruro di carbonio C 4 N 2 (questa sostanza ha la struttura del dicianoacetilene NC–C=C–CN ). E secondo alcune informazioni, quando brucia in un'atmosfera di ozono, la temperatura può raggiungere i 5700°C. Se questo liquido viene dato fuoco all'aria, brucerà con una fiamma rossa e fumosa con un bordo verde-viola. D'altra parte sono note anche le fiamme fredde. Ad esempio, bruciano quando basse pressioni vapore di fosforo. Durante l'ossidazione si ottiene anche una fiamma relativamente fredda determinate condizioni disolfuro di carbonio e idrocarburi leggeri; ad esempio, il propano produce una fiamma fredda a pressione ridotta e temperature comprese tra 260 e 320°C.

Solo nell'ultimo quarto del XX secolo il meccanismo dei processi che si verificano nelle fiamme di molte sostanze combustibili cominciò a diventare più chiaro. Questo meccanismo è molto complesso. Le molecole originali sono solitamente troppo grandi per reagire direttamente con l'ossigeno nei prodotti di reazione. Ad esempio, la combustione dell'ottano, uno dei componenti della benzina, è espressa dall'equazione 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Tuttavia, tutti gli 8 atomi di carbonio e 18 atomi di idrogeno in un La molecola di ottano non può combinarsi contemporaneamente con 50 atomi di ossigeno: per questo l'insieme deve rompersi legami chimici e se ne formeranno molti nuovi. La reazione di combustione avviene in molte fasi, in modo che in ogni fase si rompa e si formi solo un piccolo numero di legami chimici, e il processo consiste in molte reazioni elementari che si verificano in sequenza, la cui totalità appare all'osservatore come una fiamma. È difficile studiare le reazioni elementari principalmente perché le concentrazioni di particelle intermedie reattive nella fiamma sono estremamente piccole.

Dentro la fiamma

Rilevamento ottico aree diverse le fiamme mediante laser hanno permesso di stabilire la composizione qualitativa e quantitativa delle particelle attive ivi presenti: frammenti di molecole di una sostanza combustibile. Si è scoperto che anche nella reazione apparentemente semplice della combustione dell'idrogeno nell'ossigeno 2H 2 + O 2 = 2H 2 O, si verificano più di 20 reazioni elementari con la partecipazione di molecole O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 , H 2 O, particelle attive N, O, OH, MA 2. Ecco, ad esempio, ciò che scrisse il chimico inglese Kenneth Bailey su questa reazione nel 1937: “L'equazione per la reazione dell'idrogeno con l'ossigeno è la prima equazione con cui la maggior parte dei principianti in chimica acquisisce familiarità. Questa reazione sembra loro molto semplice. Ma anche i chimici professionisti rimangono un po’ stupiti nel vedere un libro di cento pagine intitolato “La reazione dell’ossigeno con l’idrogeno”, pubblicato da Hinshelwood e Williamson nel 1934”. A questo possiamo aggiungere che nel 1948 fu pubblicata una monografia molto più ampia di A. B. Nalbandyan e V. V. Voevodsky intitolata “The Mechanism of Hydrogen Oxidation and Combustion”.

I moderni metodi di ricerca hanno permesso di studiare le singole fasi di tali processi, di misurare la velocità con cui le varie particelle attive reagiscono tra loro e con molecole stabili quando temperature diverse. Conoscendo il meccanismo delle singole fasi del processo, è possibile “assemblare” l'intero processo, cioè simulare una fiamma. La complessità di tale modellizzazione non risiede solo nello studio dell'intero complesso degli elementari reazioni chimiche, ma anche la necessità di tenere conto dei processi di diffusione delle particelle, di scambio termico e delle correnti convettive nella fiamma (sono queste ultime a creare l'affascinante gioco di lingue di un fuoco ardente).

Da dove viene tutto?

Il principale combustibile dell'industria moderna sono gli idrocarburi, che vanno dal più semplice, il metano, agli idrocarburi pesanti, contenuti nell'olio combustibile. La fiamma anche dell'idrocarburo più semplice, il metano, può comportare fino a cento reazioni elementari. Tuttavia, non tutti sono stati studiati in modo sufficientemente dettagliato. Quando gli idrocarburi pesanti, come quelli presenti nella paraffina, bruciano, le loro molecole non possono raggiungere la zona di combustione senza rimanere intatte. Anche avvicinandosi alla fiamma, a causa dell'elevata temperatura, si dividono in frammenti. In questo caso, i gruppi contenenti due atomi di carbonio vengono solitamente scissi dalle molecole, ad esempio C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Le specie attive con un numero dispari di atomi di carbonio possono astrarre atomi di idrogeno, formando composti con doppi legami C=C e tripli C≡C. Si è scoperto che nella fiamma tali composti possono entrare in reazioni precedentemente sconosciute ai chimici, poiché non si verificano fuori dalla fiamma, ad esempio C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO2+H+N.

La graduale perdita di idrogeno da parte delle molecole iniziali porta ad un aumento della proporzione di carbonio in esse fino alla formazione delle particelle C 2 H 2, C 2 H, C 2. La zona della fiamma blu-blu è dovuta al bagliore delle particelle eccitate di C 2 e CH in questa zona. Se l'accesso dell'ossigeno alla zona di combustione è limitato, queste particelle non si ossidano, ma vengono raccolte in aggregati: polimerizzano secondo lo schema C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + N, ecc.

Il risultato sono particelle di fuliggine costituite quasi esclusivamente da atomi di carbonio. Hanno la forma di minuscole palline con un diametro fino a 0,1 micrometri, che contengono circa un milione di atomi di carbonio. Tali particelle ad alte temperature danno una fiamma ben luminosa giallo. Nella parte superiore della fiamma della candela, queste particelle bruciano, quindi la candela non fa fumo. Se si verifica un'ulteriore adesione di queste particelle di aerosol, si formano particelle di fuliggine più grandi. Di conseguenza, la fiamma (ad esempio, la gomma che brucia) produce fumo nero. Tale fumo appare se aumenta la proporzione di carbonio rispetto all'idrogeno nel carburante originale. Un esempio è la trementina - una miscela di idrocarburi con la composizione C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzene C 6 H 6 (C n H 2n–6) e altri liquidi infiammabili privi di idrogeno - tutti di loro fumano quando vengono bruciati. Una fiamma fumosa e brillantemente luminosa è prodotta dall'acetilene C 2 H 2 (C n H 2n–2) che brucia nell'aria; Un tempo tale fiamma veniva utilizzata nelle lanterne di acetilene montate su biciclette e automobili e nelle lampade dei minatori. E viceversa: idrocarburi ad alto contenuto di idrogeno: metano CH 4, etano C 2 H 6, propano C 3 H 8, butano C 4 H 10 ( formula generale C n H 2n+2) - bruciare con sufficiente accesso d'aria con una fiamma quasi incolore. Una miscela di propano e butano sotto forma di liquido a bassa pressione si trova negli accendini, così come nelle bombole utilizzate dai residenti estivi e dai turisti; le stesse bombole sono installate nelle auto a gas. Più recentemente, si è scoperto che la fuliggine spesso contiene molecole sferiche costituite da 60 atomi di carbonio; furono chiamati fullereni e la scoperta di questo nuova forma al carbonio è stato assegnato il Premio Nobel per la Chimica nel 1996.

Tipi di carburante. Combustione del carburante- una delle fonti di energia più comuni utilizzate dall'uomo.

Ce ne sono diversi tipi di carburante in base allo stato di aggregazione: combustibile solido, combustibile liquido e combustibile gassoso. Di conseguenza, possiamo fornire esempi: il combustibile solido è coke, carbone, il combustibile liquido è il petrolio e i suoi prodotti (cherosene, benzina, petrolio, olio combustibile, il combustibile gassoso è gas (metano, propano, butano, ecc.)

Un parametro importante ogni tipo di carburante è il suo potere calorifico, che, in molti casi, determina la direzione di utilizzo del carburante.

Valore calorico- questa è la quantità di calore che viene rilasciata durante la combustione di 1 kg (o 1 m 3) di carburante ad una pressione di 101,325 kPa e 0 0 C, cioè in condizioni normali. potere calorifico Espresso in unità di kJ/kg (kilojoule per kg). Naturalmente, diversi tipi

combustibili con diverso potere calorifico: Lignite - 25550 Carbone - 33920

• Torba - 23900
• cherosene - 35000
• albero - 18850
• benzina - 46000

Si può vedere che il metano dei combustibili sopra elencati ha il potere calorifico più elevato.

Per ottenere il calore contenuto nel combustibile è necessario riscaldarlo fino alla temperatura di accensione e, ovviamente, in presenza di una quantità sufficiente di ossigeno. Nel processo di una reazione chimica - combustione - viene rilasciato gran numero

calore. Come brucia il carbone. Il carbone si riscalda e si illumina sotto l'influenza dell'ossigeno, formando monossido di carbonio (IV), cioè CO 2 (o anidride carbonica). Quindi CO2 in strato superiore i carboni ardenti reagiscono nuovamente con il carbone, provocandone la formazione di uno nuovo composto chimico - monossido di carbonio (II) o CO - monossido di carbonio

. Ma questa sostanza è molto attiva e non appena nell'aria appare una quantità sufficiente di ossigeno, la sostanza CO brucia con una fiamma blu per formare la stessa anidride carbonica. Probabilmente ti sei mai posto la domanda: cos'è? temperatura della fiamma ?! Tutti sanno che, ad esempio, per effettuare alcune reazioni chimiche è necessario riscaldare i reagenti. Per tali scopi, i laboratori utilizzano un bruciatore a gas funzionante gas naturale avendo un meraviglioso potere calorifico . Quando si brucia carburante: gas, l'energia chimica della combustione viene convertita in energia termica . Per bruciatore a gas

La fiamma può essere raffigurata in questo modo:

Il punto più alto della fiamma è uno dei punti più caldi della fiamma. La temperatura a questo punto è di circa 1540 0 C - 1550 0 C