Plameň je jav spôsobený žiarou plynného horúceho média. V niektorých prípadoch obsahuje dispergované pevné látky a (alebo) plazmu, v ktorej dochádza k premenám činidiel fyzikálnej a chemickej povahy. Sú to tie, ktoré vedú k samozahrievaniu, uvoľňovaniu tepla a žiareniu. Plynné médium plameňa obsahuje nabité častice - radikály a ióny. To vysvetľuje existenciu elektrickej vodivosti plameňa a jeho interakciu s elektromagnetickými poľami. Na tomto princípe sú postavené zariadenia, ktoré dokážu požiar potlačiť, zmeniť jeho tvar alebo ho odtrhnúť od horľavých materiálov pomocou elektromagnetického žiarenia.
Druhy plameňa
Žiara ohňa sa delí na dva typy:
- nesvietiace;
- žeravý.
Takmer každá žiara je viditeľná ľudským okom, ale nie každá je schopná vyžarovať požadované množstvo svetelný tok.
Žiarivosť plameňa je určená nasledujúcimi faktormi.
- Teplota.
- Hustota a tlak plynov, ktoré sa zúčastňujú reakcie.
- Prítomnosť pevných látok.
Najčastejšou príčinou žiary je ide o prítomnosť pevnej látky v plameni.
Veľa plynov horí slabo svietivým alebo nesvietivým plameňom. Z nich sú najbežnejšie sírovodík (plameň modrá farba ako pri spaľovaní), amoniak (bledožltý), metán, oxid uhoľnatý (bledomodrý plameň), vodík. Pary niektorých prchavých kvapalín horia sotva svietivým plameňom (alkohol a sírouhlík), plameň acetónu a éteru sa mierne zadymí miernym uvoľňovaním uhlíka.
Pre rôzne horľavé výpary a plyny nie je teplota plameňa rovnaká. Teplota tiež nie je rovnaká rôzne časti plameň a oblasť úplného spaľovania má vyššie teploty.
Pri horení určité množstvo horľavej látky uvoľňuje určité množstvo tepla. Ak je známa štruktúra látky, potom je možné vypočítať objem a zloženie výsledných produktov spaľovania. A ak poznáte špecifické teplo týchto látok, môžete to vypočítať maximálna teplotaže plameň dosiahne.
Stojí za to pamätať, že ak látka horí na vzduchu, potom na každý objem kyslíka, ktorý reaguje, pripadajú štyri objemy inertného dusíka. A keďže je v plameni prítomný dusík, zahrieva sa teplom, ktoré sa pri reakcii uvoľňuje. Na základe toho môžeme konštatovať, že teplota plameňa bude pozostávať z teploty produktov spaľovania a dusíka.
Nie je možné presne určiť teplotu, ale dá sa to urobiť približne, pretože špecifické teplo zmeny s teplotou.
Tu sú niektoré ukazovatele teploty otvoreného ohňa v rôznych materiáloch.
Plameň sviečky
Plameň, ktorý môže každý človek pozorovať, keď horí sviečka, zápalka alebo zapaľovač, je prúd horúcich plynov, ktoré sú vďaka Archimedovej sile ťahané kolmo nahor. Sviečkový knôt sa najskôr zahreje a parafín sa začne odparovať. Najnižšia časť sa vyznačuje miernym modrým leskom – je tam málo kyslíka a veľa paliva. Je to preto, že palivo úplne nezhorí a tvorí sa oxid uhoľnatý, ktorý pri oxidácii na samom okraji kužeľa plameňa Modrá farba.
Vďaka difúzii sa do centra dostane trochu viac kyslíka. Dochádza tam k následnej oxidácii paliva a zvyšuje sa teplota. To však nestačí na úplné spálenie paliva. Na dne a v strede sú častice uhlia a nespálené kvapky. Žiari v dôsledku intenzívneho tepla. Ale odparené palivo, ako aj produkty spaľovania, voda a oxid uhličitý prakticky nesvieti. Na samom vrchole je najvyššia koncentrácia kyslíka. Tam dohoria nespálené častice, ktoré žiarili v strede. Z tohto dôvodu táto zóna prakticky nežiari, hoci teplota je tam najvyššia.
Žiara ohňa je klasifikovaná nasledovne.
V difúznom laminárnom plameni sa rozlišujú tri škrupiny (zóny). Vo vnútri kužeľa plameňa je:
- tmavá zóna, kde nedochádza k spaľovaniu v dôsledku malého množstva oxidačného činidla - 300-350 stupňov;
- svetelná zóna, kde dochádza k tepelnému rozkladu paliva a čiastočne horí - 500-800 stupňov;
- zóna je mierne svietiaca, kde produkty rozkladu paliva nakoniec horia a dosahuje sa maximálna teplota 900-1500 stupňov.
Teplotný parameter plameňa závisí od intenzity prívodu okysličovadla a charakteru horľavej látky. Plameň sa šíri cez vopred zmiešané médium. K šíreniu dochádza pozdĺž normály z každého bodu prednej časti na povrch plameňa.
V reálnych zmesiach plynu a vzduchu je šírenie vždy komplikované rušivými vonkajšími vplyvmi, ktoré sú spôsobené trením, konvekčným prúdením, gravitáciou a inými faktormi.
Z tohto dôvodu sa skutočná rýchlosť šírenia vždy líši od normálnej. V závislosti od povahy rýchlosti šírenia sa rozlišujú tieto rozsahy:
- Počas detonačného spaľovania - viac ako 1000 metrov za sekundu.
- S výbuchom - 300-1000.
- S deflagráciou - do 100.
Oxidačný plameň
Nachádza sa úplne v hornej časti ohniska, kde je najvyššia teplota. V tejto zóne sa horľavé látky takmer úplne premieňajú na produkty spaľovania. Je nedostatok paliva a prebytok kyslíka . Práve z tohto dôvodu látky, ktoré sú umiestnené v tejto zóne, sú intenzívne oxidované.
Obnovujúci plameň
Táto časť je najbližšie k centru alebo sa nachádza tesne pod ním. Na spaľovanie je málo kyslíka a veľa paliva. Ak sa do tejto oblasti zavedie látka obsahujúca kyslík, odoberie sa z látky.
Teplota ohňa v zapaľovači
Zapaľovač je prenosné zariadenie, ktoré je určené na vytváranie ohňa. Môže to byť benzín alebo plyn, v závislosti od použitého paliva. Existujú aj zapaľovače, ktoré neobsahujú vlastné palivo. Sú určené na zapálenie plynového sporáka. Kvalitný turbozapaľovač je pomerne zložité zariadenie. Teplota ohňa v ňom môže dosiahnuť 1300 stupňov.
Chemické zloženie a farba plameňa
Na vreckových zapaľovačoch malá veľkosť, to umožňuje ich bezproblémové prenášanie. Je dosť zriedkavé nájsť stolný zapaľovač. Predsa kvôli ich veľké veľkosti nie je určený na prenášanie. Ich dizajn je rôznorodý. K dispozícii sú krbové zapaľovače. Majú malú hrúbku a šírku, ale sú dosť dlhé.
Dnes sa reklamné zapaľovače stávajú populárnymi. Ak v dome nie je elektrina, nie je možné ho zapáliť. plynová pec. Plyn sa zapáli výsledným elektrický oblúk. Výhody týchto zapaľovačov sú nasledujúce vlastnosti.
- Odolnosť a jednoduchosť dizajnu.
- Rýchle a spoľahlivé zapaľovanie plynu.
Prvý zapaľovač s moderným pazúrikom vznikol v Rakúsku v roku 1903 po vynájdení feroceriovej zliatiny barónom Karlom Auerom von Welsbachom.
Vývoj zapaľovačov sa urýchlil počas prvej svetovej vojny. Vojaci začali používať zápalky, aby videli na cestu v tme, ale ich polohu odhalil intenzívny záblesk pri zapálení. Potreba ohňa bez výrazného záblesku podnietila vývoj zapaľovačov.
V tom čase boli lídrami vo výrobe kamienkových zapaľovačov Nemecko a Rakúsko. Takéto prenosné zariadenie, ktoré je určené na vytváranie ohňa, ktoré sa nachádza vo vrecku mnohých fajčiarov, môže byť spojené s mnohými nebezpečenstvami, ak sa s ním nesprávne zaobchádza.
Zapaľovač by počas prevádzky nemal okolo seba striekať iskry. Oheň by mal byť stabilný a rovnomerný. Teplota ohňa vo vreckových zapaľovačoch dosahuje približne 800-1000 stupňov. Svieti na červeno resp oranžová farba spôsobené časticami uhlíka, ktoré sa zahrievajú. Pre domáce horáky a turbozapaľovače sa používa hlavne bután, ktorý ľahko horí a je bez zápachu a farby. Bután sa získava spracovaním oleja a jeho frakcií pri vysokých teplotách. Bután je horľavý uhľovodík, ale v moderných ľahších prevedeniach je absolútne bezpečný.
Takéto zapaľovače sú veľmi užitočné v každodennom živote. Môžu zapáliť akýkoľvek horľavý materiál. Sada turbo zapaľovačov obsahuje stojan na stôl. Farba plameňa závisí od horľavého materiálu a teploty spaľovania. Plameň ohňa alebo krbu má hlavne pestrý vzhľad . Teplota horenia dreva je nižšia ako teplota horenia sviečkového knôtu. Je to preto, že farba ohňa nie je žltá, ale oranžová.
Meď, sodík a vápnik pri vysokých teplotách žiaria rôznymi farbami.
Elektrický zapaľovač bol vynájdený v roku 1770. V ňom došlo k zapáleniu prúdu vodíka iskrou z elektroforového stroja. S časom benzínové zapaľovače ustúpili plynovým, ktoré sú pohodlnejšie. Musia obsahovať batériu – zdroj energie.
Nie je to tak dávno, čo sa objavili dotykové zapaľovače, v ktorých bez mechanický náraz plyn sa zapáli vystavením dotykový senzor. Dotykové zapaľovače vreckového typu. V zásade obsahujú informácie reklamného typu, ktoré sú vytlačené tampónovou alebo sieťotlačou.
Naformátujte ho podľa pravidiel formátovania článku.
Plameň- jav spôsobený žiarou horúceho plynného média, v niektorých prípadoch obsahujúcich plazmu a/alebo dispergované pevné látky, pri ktorom dochádza k fyzikálno-chemickým premenám činidiel, čo vedie k žiaru, uvoľňovaniu tepla a samovoľnému zahrievaniu.
Plynné médium plameňa obsahuje nabité častice (ióny, radikály), čo určuje prítomnosť elektrickej vodivosti plameňa a jeho interakciu s elektromagnetickými poľami. Na tomto princípe sú postavené zariadenia, ktoré dokážu pomocou elektromagnetického žiarenia stlmiť plameň, odtrhnúť ho od horľavých materiálov alebo zmeniť jeho tvar.
Účinok pri zmiešaní vody s voskom
Farba plameňa
Rôzne typy Bunsenovho horáka závisia od prívodu kyslíka. Vľavo je bohatý palivovej zmesi bez predbežného zmiešania s kyslíkom horí žltým, dymovým, rozptýleným plameňom, vpravo chudobná palivová zmes s prídavkom kyslíka nevytvára sadze, zatiaľ čo farba plameňa je určená nečistotami.
Farba plameňa je určená predovšetkým tepelným žiarením a žiarením z kvantových prechodov.
Teplota plameňa
Teplota vznietenia pre väčšinu pevných materiálov je 300 °C. Teplota plameňa v horiacej cigarete je 700-800°C. V zápalke je teplota plameňa 750-850 °C, pričom 300 °C je teplota vznietenia dreva a teplota spaľovania dreva je približne 800-1000 °C. Teplota spaľovania propán-butánu sa pohybuje od 800 do 1970 °C. Teplota plameňa petroleja je 800, v prostredí čistého kyslíka - 2000 °C. Teplota spaľovania benzínu je 1300-1400 °C. Teplota plameňa alkoholu nepresahuje 900 °C. Teplota spaľovania horčíka je 2200 °C.
Plameň sviečky
Zvyčajný plameň, ktorý pozorujeme, keď horí sviečka, plameň zapaľovača alebo zápalky, je prúd horúcich plynov, rozšírený vertikálne v dôsledku Archimedovej sily (horúce plyny majú tendenciu stúpať nahor). Najprv sa knôt sviečky zahreje a parafín sa začne odparovať. Zóna 1, najnižšia, sa vyznačuje miernym modrým žiarením – je tam veľa paliva a málo kyslíka. Preto dochádza k neúplnému spaľovaniu paliva s tvorbou CO, ktorý oxidáciou na samom okraji kužeľa plameňa dáva modrú farbu. Difúziou preniká do zóny 2 viac kyslíka, dochádza tam k ďalšej oxidácii paliva, teplota je vyššia ako v zóne 1, ale stále to nestačí na úplné spálenie paliva. Zóna 1 a zóna 2 obsahujú nespálené kvapôčky paliva a častice uhlia. Vplyvom intenzívneho tepla svietia. Vyparené palivo a produkty jeho spaľovania – oxid uhličitý a voda – takmer nežiaria. V zóne 3 je koncentrácia kyslíka ešte väčšia. Tam sa spália nespálené častice paliva, ktoré svietili v zóne 2, takže táto zóna takmer nežiari, hoci je tam teplota najvyššia.
Klasifikácia
Plamene sú klasifikované podľa:
- stav agregácie horľavé látky: plameň plynných, kvapalných, pevných a vzduchom prenášaných činidiel;
- žiarenie: svietiace, farebné, bezfarebné;
- stav prostredia: palivo - okysličovadlo: difúzne, predmiešané médiá;
- charakter pohybu reakčného prostredia: laminárny, turbulentný, pulzujúci;
- teplota: studená, nízka teplota, vysoká teplota;
- rýchlosti šírenia: pomalé, rýchle;
- výška: krátka, dlhá;
- zrakové vnímanie: dymové, priehľadné, farebné.
V laminárnom difúznom plameni možno rozlíšiť 3 zóny (škrupiny). Vo vnútri kužeľa plameňa sú: tmavá zóna(300–350 °C), kde nedochádza k horeniu v dôsledku nedostatku okysličovadla; svetelná zóna, kde dochádza k tepelnému rozkladu paliva a jeho čiastočnému spaľovaniu (500–800 °C); ledva svietiaca zóna, ktorá je charakteristická dohorením produktov rozkladu paliva a max. teplota (900-1500 °C). Teplota plameňa závisí od charakteru horľavej látky a intenzity prívodu okysličovadla.
K šíreniu plameňa cez vopred zmiešané médium (nerušene) dochádza z každého bodu čela plameňa kolmo k povrchu plameňa. Hodnota takéhoto NSRP je hlavnou charakteristikou horľavého média. Predstavuje minimálnu možnú rýchlosť plameňa. Hodnoty NSRP sa líšia pre rôzne horľavé zmesi - od 0,03 do 15 m/s.
Šírenie plameňa cez skutočné zmesi plynu a vzduchu je vždy komplikované vonkajšími rušivými vplyvmi spôsobenými gravitáciou, konvekčným prúdením, trením atď. skutočné rýchlosti Nátierky P. sa vždy líšia od bežných. V závislosti od charakteru horenia má rýchlosť šírenia požiaru nasledovné. rozsahy hodnôt: s deflačným spaľovaním - do 100 m/s; pri explozívnom spaľovaní - od 300 do 1000 m / s; pri detonačnom spaľovaní - sv. 1000 m/s.
Plameň horiacej sviečky sprevádza človeka už tisícročia.
Oxidačný plameň
Nachádza sa v hornej, najhorúcejšej časti plameňa, kde sa horľavé látky takmer úplne premieňajú na produkty spaľovania. V tejto oblasti plameňa je prebytok kyslíka a nedostatok paliva, takže látky umiestnené v tejto zóne sú intenzívne oxidované.
Obnovujúci plameň
Toto je časť plameňa najbližšie k stredu alebo tesne pod stredom plameňa. V tejto oblasti plameňa je veľa paliva a málo kyslíka na spaľovanie, takže ak do tejto časti plameňa privediete látku obsahujúcu kyslík, kyslík sa z látky odoberie.
Toto možno ilustrovať na príklade redukčnej reakcie síranu bárnatého BaS04. Pomocou platinovej slučky sa odoberá BaSO 4 a zahrieva sa v redukčnej časti plameňa liehový horák. V tomto prípade sa redukuje síran bárnatý a vzniká sulfid bárnatý BaS. Preto sa volá plameň obnovujúci.
Aplikácia
Plamene (oxidačné a redukčné) sa používajú v analytickej chémii, najmä pri výrobe farebných perál na rýchlu identifikáciu minerálov a skaly, a to aj v teréne, pomocou fúkačky.
Plameň v nulovej gravitácii
pozri tiež
- Spaľovanie vrátane bezplameňového spaľovania.
- Pyrochemická analýza - detekčné metódy chemické prvky rôznymi farbami plameňa.
Literatúra
Tideman B. G., Sciborsky D. B. Chémia horenia. - L., 1935.
Spaľovanie rôzne druhy palivo je zvyčajne sprevádzané plameňom. Plamene sú horiace plyny alebo výpary. Na štúdium štruktúry plameňa použijeme sviečku. Zapáľme si ju a pozrime sa na ňu bližšie vzhľad plameň. Nachádzajú sa v ňom tri časti: vnútorná, tmavá časť priliehajúca ku knôtu, okolo neho svietiaci kužeľ a zvonku sotva badateľná škrupina (obr. 37). Samotný knôt nehorí (horí iba jeho ohnutý koniec).
Ryža. 37. Štruktúra plameňa sviečky. a - vnútorný „tmavý“ kužeľ, b - stredný svetelný kužeľ, c - vonkajšia časť plameňa
Pozrime sa na zloženie každej časti plameňa. Ak v vnútorná časť Koniec sklenenej trubice vložte do plameňa (obr. 38), potom cez ňu bude vychádzať belavý dym, ktorý sa môže zapáliť. Sú to parafínové výpary. Vnútorný tmavý kužeľ plameňa je teda tvorený parafínovými parami.
Uložíme to na krátky čas studený predmet; napríklad porcelánový pohár, v strednej časti plameňa - svietiaci kužeľ. Pohár sa zadymí a zakryje sadzami. To znamená, že svetelný kužeľ obsahuje voľný uhlík. Zloženie vonkajšieho kužeľa parafínového plameňa je nám známe; Sú to konečné produkty spaľovania parafínu – vodná para a oxid uhličitý.
Nakrátko vložíme do plameňa triesku, ako je znázornené na obrázku 39.
Oštiepok bude zuhoľnatený len na tých miestach, ktoré sú vo vonkajšom kuželi. To znamená, že teplota plameňa je v ňom najvyššia.
Odkiaľ pochádza uhlie v strednej časti plameňa? Keď ku knôtu prinesiete zapálenú zápalku, parafín sa roztopí a začne sa odparovať. Pary stúpajúce z knôtu sa zapália. Vplyvom vysokej teploty v strednej časti plameňa dochádza k suchej destilácii parafínu – rozkladu jeho pár na uhlie a horľavé plyny. Plyny horia vzduchom prúdiacim do plameňa zospodu a vplyvom tepla uvoľneného pri ich spaľovaní sa častice uhlia rozžerú do biela a dodávajú plameňu svietivosť. Nechať sa uniesť vonkajšia časť plameň, tieto častice sa zas spaľujú na oxid uhličitý, stráca sa tu svietivosť plameňa a teplota sa ešte zvyšuje.
Ak je do plameňa sviečky vháňaný vzduch pomocou fúkača alebo sklenenej trubice, plameň sa stáva takmer nesvietivým a na porcelánovom pohári, ktorý je doň vnesený, sa neusadzujú sadze. Vysvetľuje to skutočnosť, že pri hojnom prúdení vzduchu častice uhlia rýchlo horia a nezostávajú v plameni.
Plamene vznikajú aj v ohniskách pecí.
- Popíšte štruktúru plameňa a experimenty, pomocou ktorých možno určiť zloženie jeho častí. Ktorý z nich má najvyššiu teplotu plameňa?
- * Ak položíte horiacu sviečku slnečné svetlo, potom sa na papieri umiestnenom za ním objaví tmavý tieň presne z tej časti plameňa sviečky, ktorá jasne žiari. prečo?
- Horia všetky látky a vytvárajú plameň?
- Ako urobiť plameň nefajčiarskym?
Ako prekliať temnotu
Je lepšie ho aspoň zapáliť
jedna malá sviečka.
Konfucius
Najprv
Prvé pokusy o pochopenie spaľovacieho mechanizmu sa spájajú s menami Angličana Roberta Boyla, Francúza Antoina Laurenta Lavoisiera a Rusa Michaila Vasiljeviča Lomonosova. Ukázalo sa, že pri spaľovaní látka nikde „nezmizne“, ako sa kedysi naivne verilo, ale mení sa na iné látky, väčšinou plynné a teda neviditeľné. Lavoisier ako prvý v roku 1774 ukázal, že pri spaľovaní sa zo vzduchu stráca približne pätina. V priebehu 19. storočia vedci podrobne študovali fyzikálne a chemické procesy, sprevádzajúce spaľovanie. Potrebu takejto práce vyvolali predovšetkým požiare a výbuchy v baniach.
Ale až v poslednej štvrtine dvadsiateho storočia boli identifikované hlavné chemické reakcie sprevádzajúce spaľovanie a dodnes toho v chémii plameňa zostáva veľa. tmavé škvrny. Najviac sa študujú moderné metódy v mnohých laboratóriách. Tieto štúdie majú niekoľko cieľov. Na jednej strane je potrebné optimalizovať spaľovacie procesy v peciach tepelných elektrární a vo valcoch spaľovacích motorov, aby nedochádzalo k explozívnemu horeniu (detonácii) pri stláčaní zmesi vzduch-benzín vo valci automobilu. Na druhej strane je potrebné znížiť počet škodlivé látky vznikajúce počas spaľovacieho procesu, a zároveň – hľadajte viac účinnými prostriedkami hasenie požiaru.
Existujú dva typy plameňa. Palivo a okysličovadlo (najčastejšie kyslík) môžu byť nútene alebo spontánne dodávané do spaľovacej zóny oddelene a zmiešané v plameni. Alebo sa dajú vopred namiešať – takéto zmesi môžu za neprítomnosti vzduchu horieť či dokonca explodovať, ako napríklad pušný prach, pyrotechnické zmesi na ohňostroje, raketové palivo. K horeniu môže dôjsť za účasti kyslíka vstupujúceho do spaľovacej zóny so vzduchom, ako aj pomocou kyslíka obsiahnutého v oxidačnej látke. Jednou z týchto látok je Bertholletova soľ (chlorečnan draselný KClO 3); táto látka sa ľahko vzdáva kyslíka. Silným oxidačným činidlom je kyselina dusičná HNO 3: v čistej forme mnohé zapáli organickej hmoty. Dusičnany, soli kyselina dusičná(napríklad vo forme hnojiva - dusičnanu draselného alebo amónneho), sú ľahko horľavé, ak sa zmiešajú s horľavými látkami. Ďalšie silné okysličovadlo, oxid dusnatý N 2 O 4 je súčasťou raketových palív. Kyslík sa dá nahradiť aj silnými oxidačnými činidlami ako je chlór, v ktorom horí veľa látok, alebo fluór. Čistý fluór je jedným z najsilnejších oxidačných činidiel, v jeho prúde horí voda.
Reťazové reakcie
Základy teórie horenia a šírenia plameňa boli položené koncom 20. rokov minulého storočia. V dôsledku týchto štúdií rozvetvené reťazové reakcie. Za tento objav boli ocenení ruský fyzikálny chemik Nikolaj Nikolajevič Semenov a anglický výskumník Cyril Hinshelwood nobelová cena v chémii. Jednoduchšie nerozvetvené reťazové reakcie objavil už v roku 1913 nemecký chemik Max Bodenstein na príklade reakcie vodíka s chlórom. Vyjadrí sa celková reakcia jednoduchá rovnica H2 + Cl2 = 2 HCl. V skutočnosti ide o veľmi aktívne fragmenty molekúl – tzv voľné radikály. Vplyvom svetla v ultrafialovej a modrej oblasti spektra alebo pri vysokých teplotách sa molekuly chlóru rozpadajú na atómy, ktoré začínajú dlhý (niekedy až milión článkov) reťazec premien; Každá z týchto transformácií sa nazýva elementárna reakcia:
Cl + H2 → HCl + H,
H + Cl2 → HCl + Cl atď.
V každom štádiu (reakčný článok) zmizne jedno aktívne centrum (atóm vodíka alebo chlóru) a súčasne sa objaví nové aktívne centrum, ktoré pokračuje v reťazci. Reťazce sa prerušia, keď sa stretnú dva aktívne druhy, napríklad Cl + Cl → Cl 2. Každý reťazec sa šíri veľmi rýchlo, takže ak generujete „počiatočné“ aktívne častice s vysoká rýchlosť, reakcia bude prebiehať tak rýchlo, že môže viesť k výbuchu.
N. N. Semenov a Hinshelwood zistili, že spaľovacie reakcie pár fosforu a vodíka prebiehajú odlišne: najmenšia iskra, resp. otvorený plameň môže spôsobiť výbuch aj pri izbovej teplote. Tieto reakcie sú rozvetvené reťazové reakcie: aktívne častice sa počas reakcie „množia“, to znamená, že keď jedna aktívna častica zmizne, objavia sa dve alebo tri. Napríklad v zmesi vodíka a kyslíka, ktorá sa dá bezpečne skladovať aj stovky rokov, ak nie vonkajšie vplyvy, objavenie sa aktívnych atómov vodíka z nejakého dôvodu spúšťa nasledujúci proces:
H + O 2 → OH + O,
O + H2 -> OH + H.
Jedna aktívna častica (atóm H) sa tak za nevýznamný čas zmení na tri (atóm vodíka a dva OH hydroxylové radikály), ktoré už spúšťajú tri reťazce namiesto jedného. Výsledkom je, že počet reťazcov rastie ako lavína, čo okamžite vedie k výbuchu zmesi vodíka a kyslíka, pretože pri tejto reakcii sa uvoľňuje veľa tepelnej energie. Atómy kyslíka sú prítomné v plameňoch a pri spaľovaní iných látok. Môžu byť zistené, ak nasmerujete prúd stlačený vzduch cez hornú časť plameňa horáka. Zároveň bude vo vzduchu zistený charakteristický zápach ozónu - ide o atómy kyslíka, ktoré sa „nalepia“ na molekuly kyslíka a vytvoria molekuly ozónu: O + O 2 = O 3, ktoré boli vynesené z plameňa studeným vzduchom. .
Možnosť výbuchu zmesi kyslíka (alebo vzduchu) s mnohými horľavými plynmi - vodík, oxid uhoľnatý, metán, acetylén - závisí od podmienok, hlavne od teploty, zloženia a tlaku zmesi. Ak teda v dôsledku úniku plynu z domácnosti v kuchyni (pozostáva prevažne z metánu), jeho obsah vo vzduchu presiahne 5 %, potom zmes vybuchne z plameňa zápalky alebo zapaľovača a dokonca aj z malá iskra, ktorá pri zapnutí svetla prekĺzne cez vypínač. K výbuchu nedôjde, ak sa reťaze pretrhnú rýchlejšie, ako sa stihnú rozvetviť. Preto bola lampa pre baníkov, ktorú anglický chemik Humphry Davy vyvinul v roku 1816, bez toho, aby vedel čokoľvek o chémii plameňa, bezpečná. V tejto lampe bol otvorený plameň ohradený od vonkajšej atmosféry (ktorá by mohla byť výbušná) hrubou kovovou sieťkou. Na povrchu kovu aktívne častice účinne miznú, menia sa na stabilné molekuly, a preto nemôžu prenikať do vonkajšieho prostredia.
Úplný mechanizmus reakcií s rozvetveným reťazcom je veľmi zložitý a môže zahŕňať viac ako sto elementárnych reakcií. Mnohé oxidačné a spaľovacie reakcie anorganických a organických zlúčenín sú rozvetvené reťazové reakcie. Rovnaká bude reakcia štiepenia jadier ťažkých prvkov, napríklad plutónia alebo uránu, pod vplyvom neutrónov, ktoré pôsobia ako analógy aktívnych častíc v chemických reakciách. Neutróny, ktoré prenikajú do jadra ťažkého prvku, spôsobujú jeho štiepenie, ktoré je sprevádzané uvoľňovaním veľmi vysokej energie; Zároveň sa z jadra vyžarujú nové neutróny, ktoré spôsobujú štiepenie susedných jadier. Chemické a jadrové procesy s rozvetveným reťazcom sú opísané podobnými matematickými modelmi.
Čo potrebujete, aby ste mohli začať?
Aby sa spaľovanie začalo, musí byť splnených niekoľko podmienok. V prvom rade musí teplota horľavej látky prekročiť určitú hraničnú hodnotu, ktorá sa nazýva zápalná teplota. Slávny román Raya Bradburyho Fahrenheit 451 je tak pomenovaný, pretože približne pri tejto teplote (233 °C) sa papier vznieti. Ide o „teplotu vznietenia“, nad ktorou tuhé palivá uvoľňujú horľavé pary alebo plynné produkty rozkladu v množstvách dostatočných na ich stabilné spaľovanie. Teplota vznietenia suchého borovicového dreva je približne rovnaká.
Teplota plameňa závisí od povahy horľavej látky a podmienok horenia. Teplota v plameni metánu vo vzduchu teda dosahuje 1900 ° C a pri spaľovaní v kyslíku - 2700 ° C. Ešte horúcejší plameň vzniká pri spaľovaní vodíka (2800°C) a acetylénu (3000°C) v čistom kyslíku. Niet divu, že plameň acetylénového horáka ľahko rozreže takmer akýkoľvek kov. Rovnaký vysoká teplota, asi 5000°C (je zapísaná v Guinessovej knihe rekordov), pri spaľovaní v kyslíku vzniká nízkovriaca kvapalina - uhlíkový subnitrid C 4 N 2 (táto látka má štruktúru dikyanoacetylénu NC–C=C–CN ). A podľa niektorých informácií pri horení v ozónovej atmosfére môže teplota dosiahnuť až 5700°C. Ak sa táto kvapalina zapáli na vzduchu, bude horieť červeným dymovým plameňom so zelenofialovým okrajom. Na druhej strane sú známe aj studené plamene. Napríklad horia, keď nízke tlaky para fosforu. Relatívne studený plameň sa získa aj počas oxidácie v určité podmienky sírouhlík a ľahké uhľovodíky; napríklad propán vytvára studený plameň pri zníženom tlaku a teplotách medzi 260 – 320 °C.
Až v poslednej štvrtine dvadsiateho storočia sa mechanizmus procesov prebiehajúcich v plameňoch mnohých horľavých látok začal objasňovať. Tento mechanizmus je veľmi zložitý. Pôvodné molekuly sú zvyčajne príliš veľké na to, aby priamo reagovali s kyslíkom na reakčné produkty. Napríklad spaľovanie oktánu, jednej zo zložiek benzínu, vyjadruje rovnica 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Avšak všetkých 8 atómov uhlíka a 18 atómov vodíka v oktánová molekula sa nemôže súčasne spojiť s 50 atómami kyslíka: na to sa musí sada rozbiť chemické väzby a vznikne veľa nových. Reakcia horenia prebieha v mnohých stupňoch - takže v každom štádiu sa preruší a vytvorí len malý počet chemických väzieb a proces pozostáva z mnohých postupne prebiehajúcich elementárnych reakcií, ktorých súhrn sa pozorovateľovi javí ako plameň. Primárne je ťažké študovať elementárne reakcie, pretože koncentrácie reaktívnych medziproduktových častíc v plameni sú extrémne malé.
Vo vnútri plameňa
Optické snímanie rôznych oblastiach plamene pomocou laserov umožnili stanoviť kvalitatívne a kvantitatívne zloženie prítomných aktívnych častíc - fragmentov molekúl horľavej látky. Ukázalo sa, že aj pri zdanlivo jednoduchej reakcii spaľovania vodíka v kyslíku 2H 2 + O 2 = 2H 2 O dochádza k viac ako 20 elementárnym reakciám za účasti molekúl O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 , H 2 O, aktívne častice N, O, OH, ALE 2. Tu je napríklad to, čo o tejto reakcii napísal anglický chemik Kenneth Bailey v roku 1937: „Rovnica pre reakciu vodíka s kyslíkom je prvou rovnicou, s ktorou sa zoznámi väčšina začiatočníkov v chémii. Táto reakcia sa im zdá veľmi jednoduchá. Ale aj profesionálni chemici sú trochu ohromení, keď vidia stostranovú knihu s názvom „Reakcia kyslíka s vodíkom“, ktorú vydali Hinshelwood a Williamson v roku 1934. K tomu môžeme dodať, že v roku 1948 vyšla oveľa väčšia monografia A. B. Nalbandyana a V. V. Voevodského s názvom „Mechanizmus oxidácie a spaľovania vodíka“.
Moderné výskumné metódy umožnili študovať jednotlivé štádiá takýchto procesov, merať rýchlosť, akou rôzne aktívne častice reagujú medzi sebou a so stabilnými molekulami pri rozdielne teploty. Poznaním mechanizmu jednotlivých fáz procesu je možné celý proces „poskladať“, teda simulovať plameň. Zložitosť takéhoto modelovania spočíva nielen v štúdiu celého komplexu elementárnych chemické reakcie, ale aj potrebu brať do úvahy procesy difúzie častíc, prenosu tepla a konvekčných prúdov v plameni (práve tie druhé vytvárajú fascinujúcu hru jazykov horiaceho ohňa).
Odkiaľ všetko pochádza?
Hlavným palivom moderného priemyslu sú uhľovodíky, od najjednoduchších, metánu, až po ťažké uhľovodíky, ktoré obsahuje vykurovací olej. Plameň aj toho najjednoduchšieho uhľovodíka, metánu, môže zahŕňať až sto elementárnych reakcií. Nie všetky však boli dostatočne podrobne študované. Keď horia ťažké uhľovodíky, ako sú tie, ktoré sa nachádzajú v parafíne, ich molekuly sa nemôžu dostať do spaľovacej zóny bez toho, aby zostali nedotknuté. Dokonca aj pri priblížení sa k plameňu sa vplyvom vysokej teploty rozdelili na úlomky. V tomto prípade sa skupiny obsahujúce dva atómy uhlíka zvyčajne odštiepia od molekúl, napríklad C8H18 → C2H5 + C6H13. Aktívne druhy s nepárnym počtom atómov uhlíka môžu abstrahovať atómy vodíka a vytvárať zlúčeniny s dvojitými väzbami C=C a trojitými väzbami C≡C. Zistilo sa, že v plameni môžu takéto zlúčeniny vstúpiť do reakcií, ktoré chemici predtým nepoznali, pretože sa mimo plameňa nevyskytujú, napríklad C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → C02 + H + N.
Postupná strata vodíka počiatočnými molekulami vedie k zvyšovaniu podielu uhlíka v nich, až vznikajú častice C 2 H 2, C 2 H, C 2. Modro-modrá zóna plameňa je spôsobená žiarou excitovaných častíc C 2 a CH v tejto zóne. Ak je obmedzený prístup kyslíka do spaľovacej zóny, tak tieto častice neoxidujú, ale zhromažďujú sa do agregátov - polymerizujú podľa schémy C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C4H2 → C6H2 + N atď.
Výsledkom sú častice sadzí pozostávajúce takmer výlučne z atómov uhlíka. Majú tvar malých guľôčok s priemerom do 0,1 mikrometra, ktoré obsahujú približne milión atómov uhlíka. Takéto častice pri vysokých teplotách dávajú dobre svietiaci plameň žltá farba. Na vrchu plameňa sviečky tieto čiastočky horia, takže sviečka nedymí. Ak dôjde k ďalšej adhézii týchto aerosólových častíc, vytvoria sa väčšie častice sadzí. Výsledkom je, že plameň (napríklad horiaca guma) vytvára čierny dym. Takýto dym sa objaví, ak sa zvýši podiel uhlíka v pomere k vodíku v pôvodnom palive. Príkladom je terpentín - zmes uhľovodíkov so zložením C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzén C 6 H 6 (C n H 2n–6), a iné horľavé kvapaliny s nedostatkom vodíka - všetky z nich dym pri horení. Dymový a jasne svietiaci plameň vzniká horením acetylénu C 2 H 2 (C n H 2n–2) na vzduchu; Kedysi sa takýto plameň používal v acetylénových lampášoch namontovaných na bicykloch a autách a v baníckych lampách. A naopak: uhľovodíky s vysokým obsahom vodíka - metán CH 4, etán C 2 H 6, propán C 3 H 8, bután C 4 H 10 ( všeobecný vzorec C n H 2n+2) - horieť za dostatočného prístupu vzduchu takmer bezfarebným plameňom. Zmes propánu a butánu vo forme kvapaliny pod nízkym tlakom sa nachádza v zapaľovačoch, ako aj vo fľašiach používaných letnými obyvateľmi a turistami; rovnaké valce sú inštalované v autách poháňaných plynom. Nedávno sa zistilo, že sadze často obsahujú guľovité molekuly pozostávajúce zo 60 atómov uhlíka; nazývali sa fullerény a objav tohto nový formulár uhlík dostal v roku 1996 Nobelovu cenu za chémiu.
Druhy paliva. Spaľovanie paliva- jeden z najbežnejších zdrojov energie využívanej ľuďmi.
Je ich viacero druhy paliva podľa stavu agregácie: tuhé palivo, kvapalné palivo a plynné palivo. Podľa toho môžeme uviesť príklady: tuhé palivo je koks, uhlie, kvapalné palivo je ropa a jej produkty (kerozín, benzín, ropa, vykurovací olej, plynné palivo sú plyny (metán, propán, bután atď.)
Dôležitý parameter každý druh paliva je jeho kalorická hodnota, ktorý v mnohých prípadoch určuje smer použitia paliva.
Kalorická hodnota- je to množstvo tepla, ktoré sa uvoľní pri spaľovaní 1 kg (alebo 1 m 3) paliva pri tlaku 101,325 kPa a 0 0 C, teda za normálnych podmienok. Vyjadrený kalorická hodnota v jednotkách kJ/kg (kilojoule na kg). prirodzene, odlišné typy palivá s rôznou výhrevnosťou:
Hnedé uhlie - 25550 
Uhlie - 33920 
Rašelina - 23900
- petrolej - 35 000
- strom - 18850
- benzín - 46 000
- metán - 50 000
Je vidieť, že z uvedených palív má najvyššiu výhrevnosť metán.
Na získanie tepla obsiahnutého v palive je potrebné ho zahriať na svoju zápalnú teplotu a samozrejme za prítomnosti dostatočného množstva kyslíka. V procese chemickej reakcie - spaľovania - sa uvoľňuje veľké množstvo teplo.
Ako horí uhlie. Uhlie sa zahrieva a žiari pod vplyvom kyslíka a vytvára oxid uhoľnatý (IV), to znamená CO 2 (alebo oxid uhličitý). Potom CO 2 v Horná vrstvažeravé uhlie opäť reaguje s uhlím, výsledkom čoho je vznik nového chemická zlúčenina- oxid uhoľnatý (II) alebo CO - oxid uhoľnatý. Ale táto látka je veľmi aktívna a akonáhle sa vo vzduchu objaví dostatočné množstvo kyslíka, látka CO horí modrým plameňom za vzniku rovnakého oxidu uhličitého.
Pravdepodobne ste si niekedy položili otázku, čo je teplota plameňa?! Každý vie, že napríklad na uskutočnenie niektorých chemických reakcií je potrebné zahriať činidlá. Na tieto účely sa v laboratóriách používa plynový horák zemný plyn mať úžasné kalorická hodnota. Pri spaľovaní paliva - plynu sa chemická energia spaľovania premieňa na termálna energia. Pre plynový horák Plameň môže byť znázornený takto:
Najvyšší bod plameňa je jedným z najhorúcejších miest plameňa. Teplota v tomto bode je asi 1540 0 C - 1550 0 C
Trochu nižšie (asi 1/4 dielu) - v strede plameňa - najhorúcejšia zóna 1560 0 C