Ngọn lửa là hiện tượng gây ra bởi sự phát sáng của môi trường khí nóng. Trong một số trường hợp, nó chứa chất rắn phân tán và (hoặc) huyết tương, trong đó xảy ra sự biến đổi chất phản ứng có tính chất vật lý và hóa học. Chính chúng dẫn đến hiện tượng tự nóng lên, tỏa nhiệt và phát sáng. Môi trường khí của ngọn lửa chứa các hạt tích điện - gốc và ion. Điều này giải thích sự tồn tại tính dẫn điện của ngọn lửa và sự tương tác của nó với trường điện từ. Các thiết bị có thể dập tắt đám cháy, thay đổi hình dạng hoặc tách đám cháy ra khỏi vật liệu dễ cháy bằng bức xạ điện từ được chế tạo dựa trên nguyên tắc này.
Các loại ngọn lửa
Ánh sáng của lửa được chia thành hai loại:
- không sáng;
- rực sáng.
Mắt người có thể nhìn thấy hầu hết mọi ánh sáng nhưng không phải ai cũng có khả năng phát ra số lượng yêu cầu quang thông.
Độ sáng của ngọn lửa được quyết định bởi các yếu tố sau:.
- Nhiệt độ.
- Mật độ và áp suất của các khí tham gia phản ứng.
- Sự hiện diện của chất rắn.
Nguyên nhân phổ biến nhất của sự phát sáng là đây là sự hiện diện của một chất rắn trong ngọn lửa.
Nhiều chất khí cháy với ngọn lửa phát sáng yếu hoặc không phát sáng. Trong số này, phổ biến nhất là hydrogen sulfide (ngọn lửa màu xanh da trời như khi đốt), amoniac (màu vàng nhạt), metan, carbon monoxide (ngọn lửa màu xanh nhạt), hydro. Hơi của một số chất lỏng dễ bay hơi cháy với ngọn lửa hầu như không phát sáng (cồn và cacbon disulfua), còn ngọn lửa của axeton và ete trở nên hơi khói do cacbon thoát ra nhẹ.
Đối với các loại hơi và khí dễ cháy khác nhau, nhiệt độ ngọn lửa không giống nhau. Nhiệt độ cũng không giống nhau các bộ phận khác nhau ngọn lửa, vùng cháy hoàn toàn có nhiệt độ cao hơn.
Khi đốt cháy, một lượng chất cháy nhất định sẽ tỏa ra một lượng nhiệt nhất định. Nếu biết cấu trúc của chất thì có thể tính được thể tích và thành phần của sản phẩm đốt cháy thu được. Và nếu bạn biết nhiệt dung riêng của những chất này thì bạn có thể tính được Nhiệt độ tối đa ngọn lửa sẽ chạm tới.
Điều đáng ghi nhớ là nếu một chất cháy trong không khí thì cứ mỗi thể tích oxy phản ứng sẽ có bốn thể tích nitơ trơ. Và vì nitơ có trong ngọn lửa nên nó bị đốt nóng bởi nhiệt tỏa ra trong quá trình phản ứng. Dựa trên điều này, chúng ta có thể kết luận rằng nhiệt độ ngọn lửa sẽ bao gồm nhiệt độ của sản phẩm đốt và nitơ.
Không thể xác định chính xác nhiệt độ nhưng có thể xác định được một cách gần đúng, vì nhiệt dung riêng thay đổi theo nhiệt độ.
Dưới đây là một số chỉ tiêu về nhiệt độ khi cháy ở các loại vật liệu khác nhau.
Ngọn lửa nến
Ngọn lửa mà mọi người có thể quan sát thấy khi một ngọn nến, diêm hoặc bật lửa cháy, là một dòng khí nóng bị kéo thẳng đứng lên trên nhờ lực Archimedes. Đầu tiên bấc nến nóng lên và parafin bắt đầu bay hơi. Phần thấp nhất có đặc điểm là phát sáng nhẹ màu xanh lam - có ít oxy và nhiều nhiên liệu. Chính vì điều này mà nhiên liệu không cháy hết và carbon monoxide được hình thành, khi bị oxy hóa ở rìa của hình nón ngọn lửa sẽ tạo ra nó Màu xanh.
Do sự khuếch tán, một ít oxy đi vào trung tâm hơn. Sau đó quá trình oxy hóa nhiên liệu xảy ra ở đó và nhiệt độ tăng lên. Nhưng điều này là không đủ để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Có các hạt than ở phía dưới và ở giữa và những giọt không cháy. Chúng phát sáng do nhiệt độ cao. Nhưng nhiên liệu bay hơi cũng như các sản phẩm cháy, nước và khí cacbonic thực tế không phát sáng. Ở phía trên cùng là nơi có nồng độ oxy cao nhất. Ở đó, những hạt không cháy phát sáng ở trung tâm đang cháy hết. Chính vì lý do này mà vùng này thực tế không phát sáng, mặc dù nhiệt độ ở đó là cao nhất.
Sự phát sáng của lửa được phân loại như sau.
Trong ngọn lửa phân tầng khuếch tán, ba lớp vỏ (vùng) được phân biệt. Bên trong hình nón ngọn lửa có:
- vùng tối, nơi không có sự cháy do lượng nhỏ chất oxy hóa - 300−350 độ;
- vùng phát sáng, nơi xảy ra quá trình phân hủy nhiệt của nhiên liệu và cháy một phần - 500−800 độ;
- vùng này hơi sáng, nơi các sản phẩm phân hủy nhiên liệu cuối cùng sẽ cháy và đạt nhiệt độ tối đa 900-1500 độ.
Thông số nhiệt độ của ngọn lửa phụ thuộc vào cường độ cung cấp chất oxy hóa và bản chất của chất dễ cháy. Ngọn lửa lan truyền qua môi trường trộn sẵn. Sự lan truyền xảy ra dọc theo pháp tuyến từ mỗi điểm của mặt trước lên bề mặt ngọn lửa.
Trong các hỗn hợp khí-không khí trong đời sống thực, sự lan truyền luôn phức tạp do các ảnh hưởng bên ngoài gây nhiễu, gây ra bởi ma sát, dòng đối lưu, trọng lực và các yếu tố khác.
Chính vì điều này mà tốc độ lan truyền thực sự luôn khác với tốc độ truyền thông thường. Tùy thuộc vào bản chất của tốc độ lan truyền, các phạm vi sau được phân biệt:
- Trong quá trình đốt cháy phát nổ - hơn 1000 mét mỗi giây.
- Với một vụ nổ - 300−1000.
- Với sự xì hơi - lên tới 100.
Ngọn lửa oxy hóa
Nó nằm ở phần trên cùng của ngọn lửa, nơi có nhiệt độ cao nhất. Tại vùng này, các chất dễ cháy gần như được chuyển hóa hoàn toàn thành sản phẩm cháy. Thiếu nhiên liệu và dư thừa oxy . Chính vì lý do này mà các chất, được đặt trong vùng này, bị oxy hóa mạnh mẽ.
Ngọn lửa phục hồi
Phần này gần trung tâm nhất hoặc nằm ngay dưới nó. Có rất ít oxy để đốt cháy và rất nhiều nhiên liệu. Nếu một chất có chứa oxy được đưa vào khu vực này, nó sẽ bị lấy đi khỏi chất đó.
Nhiệt độ cháy trong bật lửa
Bật lửa là một thiết bị cầm tay được thiết kế để tạo ra lửa. Nó có thể là xăng hoặc gas, tùy thuộc vào nhiên liệu sử dụng. Ngoài ra còn có bật lửa không chứa nhiên liệu riêng. Chúng được thiết kế để đốt cháy bếp gas. Bật lửa turbo chất lượng cao là một thiết bị tương đối phức tạp. Nhiệt độ cháy trong đó có thể đạt tới 1300 độ.
Thành phần hóa học và màu sắc của ngọn lửa
Trên bật lửa bỏ túi kích thước nhỏ, điều này cho phép chúng được chuyển đi mà không gặp bất kỳ vấn đề gì. Khá hiếm để tìm thấy một chiếc bật lửa để bàn. Rốt cuộc, vì họ kích thước lớn không nhằm mục đích mang theo. Thiết kế của họ rất đa dạng. Có bật lửa lò sưởi. Chúng có độ dày và chiều rộng nhỏ, nhưng khá dài.
Ngày nay, bật lửa khuyến mại đang trở nên phổ biến. Nếu trong nhà không có điện thì không thể đốt được. lò ga. Kết quả là khí bị đốt cháy hồ quang điện. Ưu điểm của những chiếc bật lửa này là những phẩm chất sau.
- Độ bền và sự đơn giản của thiết kế.
- Đánh lửa khí nhanh và đáng tin cậy.
Chiếc bật lửa đầu tiên làm bằng đá lửa hiện đại được tạo ra ở Áo vào năm 1903 sau khi Nam tước Karl Auer von Welsbach phát minh ra hợp kim ferrocerium.
Sự phát triển của bật lửa tăng tốc trong Thế chiến thứ nhất. Những người lính bắt đầu sử dụng diêm để nhìn đường trong bóng tối, nhưng vị trí của họ bị lộ bởi tia sáng dữ dội khi bốc cháy. Nhu cầu về lửa mà không có đèn flash đáng kể đã thúc đẩy sự phát triển của bật lửa.
Vào thời điểm đó, những nước dẫn đầu trong việc sản xuất bật lửa đá lửa là Đức và Áo. Một thiết bị cầm tay như vậy, được thiết kế để tạo ra lửa, được tìm thấy trong túi của nhiều người hút thuốc, có thể gây ra nhiều nguy hiểm nếu sử dụng không đúng cách.
Bật lửa không được phun tia lửa ra xung quanh trong quá trình hoạt động. Ngọn lửa phải ổn định và đồng đều. Nhiệt độ cháy của bật lửa bỏ túi đạt khoảng 800-1000 độ. Phát sáng màu đỏ hoặc màu cam do các hạt carbon trở nên nóng. Đối với đầu đốt gia dụng và bật lửa turbo, khí butan được sử dụng chủ yếu, dễ cháy, không mùi, không màu. Butan thu được bằng cách xử lý dầu và các phần của nó ở nhiệt độ cao. Butan là một hydrocacbon dễ cháy nhưng lại an toàn tuyệt đối trong các thiết kế bật lửa hiện đại.
Những chiếc bật lửa như vậy rất hữu ích trong cuộc sống hàng ngày. Chúng có thể đốt cháy bất kỳ vật liệu dễ cháy nào. Bộ bật lửa turbo bao gồm một giá để bàn. Màu sắc của ngọn lửa phụ thuộc vào vật liệu cháy và nhiệt độ cháy. Ngọn lửa của một ngọn lửa hoặc lò sưởi chủ yếu có cái nhìn đa dạng . Nhiệt độ cháy của gỗ thấp hơn nhiệt độ cháy của bấc nến. Chính vì vậy mà màu của lửa không phải là màu vàng mà là màu cam.
Đồng, natri và canxi phát sáng với nhiều màu sắc khác nhau ở nhiệt độ cao.
Bật lửa điện được phát minh vào năm 1770. Trong đó, một tia hydro được đốt cháy nhờ tia lửa từ máy điện di. Theo thời gian bật lửa xăng nhường chỗ cho gas, thuận tiện hơn. Chúng phải chứa pin - một nguồn năng lượng.
Cách đây không lâu, bật lửa cảm ứng đã xuất hiện, trong đó không có tác động cơ học khí bốc cháy khi tiếp xúc với cảm biến chạm. Bật lửa cảm ứng dạng bỏ túi. Về cơ bản, chúng chứa thông tin dạng quảng cáo, được in bằng cách sử dụng in pad hoặc in lụa.
Vui lòng định dạng nó theo các quy tắc định dạng bài viết.
Ngọn lửa- hiện tượng gây ra bởi sự phát sáng của môi trường khí nóng, trong một số trường hợp có chứa plasma và/hoặc chất rắn phân tán, trong đó xảy ra sự biến đổi hóa lý của thuốc thử, dẫn đến phát sáng, giải phóng nhiệt và tự sinh nhiệt.
Môi trường khí của ngọn lửa chứa các hạt tích điện (ion, gốc tự do), xác định sự hiện diện của tính dẫn điện của ngọn lửa và sự tương tác của nó với trường điện từ. Theo nguyên tắc này, các thiết bị được chế tạo có thể sử dụng bức xạ điện từ để làm tắt ngọn lửa, xé ngọn lửa ra khỏi vật liệu dễ cháy hoặc thay đổi hình dạng của nó.
Tác dụng khi trộn nước với sáp
Màu ngọn lửa
Các loại đầu đốt Bunsen khác nhau phụ thuộc vào nguồn cung cấp oxy. Bên trái là giàu có hỗn hợp nhiên liệu không trộn sơ bộ với oxy thì cháy với ngọn lửa màu vàng, có khói, rải rác ở bên phải, hỗn hợp nhiên liệu nghèo có thêm oxy không tạo ra bồ hóng, còn màu của ngọn lửa do tạp chất quyết định.
Màu sắc của ngọn lửa được xác định chủ yếu bởi bức xạ nhiệt và bức xạ từ sự chuyển đổi lượng tử.
Nhiệt độ ngọn lửa
Nhiệt độ bốc cháy của hầu hết các vật liệu rắn là 300°C. Nhiệt độ ngọn lửa của điếu thuốc đang cháy là 700-800°C. Trong que diêm, nhiệt độ ngọn lửa là 750-850°C, trong khi 300°C là nhiệt độ bắt lửa của gỗ và nhiệt độ cháy của gỗ là khoảng 800-1000°C. Nhiệt độ cháy của propan-butan dao động từ 800 đến 1970 °C. Nhiệt độ ngọn lửa của dầu hỏa là 800, trong môi trường oxy nguyên chất - 2000 ° C. Nhiệt độ cháy của xăng là 1300-1400°C. Nhiệt độ ngọn lửa của rượu không vượt quá 900 ° C. Nhiệt độ cháy của magie là 2200°C.
Ngọn lửa nến
Ngọn lửa thông thường mà chúng ta quan sát thấy khi ngọn nến cháy, ngọn lửa của bật lửa hoặc que diêm, là một dòng khí nóng, kéo dài theo phương thẳng đứng do lực Archimedes (khí nóng có xu hướng bay lên trên). Đầu tiên, bấc nến nóng lên và parafin bắt đầu bay hơi. Vùng 1, vùng thấp nhất, có đặc điểm là hơi sáng xanh - có nhiều nhiên liệu và ít oxy. Do đó, quá trình đốt cháy nhiên liệu không hoàn toàn xảy ra với sự hình thành CO, chất này bị oxy hóa ở rìa của hình nón ngọn lửa, tạo cho nó màu xanh lam. Do khuếch tán, nhiều oxy xâm nhập vào vùng 2 hơn; quá trình oxy hóa nhiên liệu tiếp tục diễn ra ở đó; nhiệt độ cao hơn ở vùng 1 nhưng vẫn không đủ để đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu. Vùng 1 và vùng 2 chứa các giọt nhiên liệu chưa cháy hết và các hạt than. Do sức nóng dữ dội, chúng phát sáng. Nhiên liệu bay hơi và các sản phẩm cháy của nó - carbon dioxide và nước - hầu như không phát sáng. Ở vùng 3, nồng độ oxy thậm chí còn lớn hơn. Ở đó, những hạt nhiên liệu chưa cháy hết, phát sáng ở vùng 2 bị đốt cháy hết nên vùng này gần như không phát sáng dù nhiệt độ ở đó cao nhất.
Phân loại
Ngọn lửa được phân loại theo:
- trạng thái tập hợp chất dễ cháy: ngọn lửa của thuốc thử khí, lỏng, rắn và trong không khí;
- bức xạ: sáng, có màu, không màu;
- trạng thái môi trường: nhiên liệu - chất oxy hóa: khuếch tán, môi trường trộn sẵn;
- bản chất chuyển động của môi trường phản ứng: tầng, hỗn loạn, dao động;
- nhiệt độ: lạnh, nhiệt độ thấp, nhiệt độ cao;
- tốc độ lan truyền: chậm, nhanh;
- chiều cao: ngắn, dài;
- nhận thức thị giác: khói, trong suốt, màu sắc.
Trong ngọn lửa khuếch tán tầng, có thể phân biệt được 3 vùng (vỏ). Bên trong nón lửa có: vùng tối(300−350 °C), trong đó quá trình cháy không xảy ra do thiếu chất oxy hóa; vùng sáng nơi xảy ra quá trình phân hủy nhiệt của nhiên liệu và đốt cháy một phần (500−800 °C); vùng hầu như không phát sáng, được đặc trưng bởi quá trình đốt cháy cuối cùng của các sản phẩm phân hủy nhiên liệu và tối đa. nhiệt độ (900−1500 ° C). Nhiệt độ ngọn lửa phụ thuộc vào bản chất của chất dễ cháy và cường độ cung cấp chất oxy hóa.
Sự lan truyền ngọn lửa qua môi trường trộn sẵn (không bị xáo trộn) xảy ra từ mỗi điểm của mặt trước ngọn lửa vuông góc với bề mặt ngọn lửa. Giá trị của NSRP như vậy là đặc điểm chính của môi trường dễ cháy. Nó đại diện cho tốc độ ngọn lửa tối thiểu có thể. Giá trị NSRP khác nhau đối với các hỗn hợp dễ cháy khác nhau - từ 0,03 đến 15 m/s.
Sự lan truyền của ngọn lửa qua hỗn hợp khí-không khí trong đời thực luôn phức tạp bởi các ảnh hưởng nhiễu loạn bên ngoài do trọng lực, dòng đối lưu, ma sát, v.v. Do đó tốc độ thực Mức chênh lệch của P. luôn khác với mức chênh lệch thông thường. Tùy theo tính chất của quá trình cháy mà tốc độ lan truyền của đám cháy như sau. phạm vi giá trị: với quá trình đốt cháy - lên tới 100 m/s; trong quá trình đốt nổ - từ 300 đến 1000 m/s; trong quá trình đốt cháy nổ - St. 1000 m/s.
Ngọn lửa của một ngọn nến đang cháy đã đồng hành cùng con người hàng ngàn năm.
Ngọn lửa oxy hóa
Nằm ở phía trên, phần nóng nhất của ngọn lửa, nơi các chất dễ cháy gần như được chuyển hóa hoàn toàn thành sản phẩm cháy. Khu vực này của ngọn lửa thừa oxy và thiếu nhiên liệu nên các chất đặt vào khu vực này bị oxy hóa mạnh.
Ngọn lửa phục hồi
Đây là phần ngọn lửa gần tâm nhất hoặc ngay dưới tâm ngọn lửa. Ở khu vực này của ngọn lửa có nhiều nhiên liệu và ít oxy để đốt cháy nên nếu đưa một chất có chứa oxy vào phần ngọn lửa này thì lượng oxy sẽ bị lấy đi khỏi chất đó.
Điều này có thể được minh họa bằng ví dụ về phản ứng khử của bari sunfat BaSO 4. Dùng vòng bạch kim, BaSO 4 được lấy ra và nung ở phần khử của ngọn lửa rượu đốt. Trong trường hợp này, bari sunfat bị khử và bari sunfua BaS được hình thành. Vì vậy người ta gọi ngọn lửa phục hồi.
Ứng dụng
Ngọn lửa (oxy hóa và khử) được sử dụng trong hóa học phân tích, đặc biệt trong sản xuất ngọc trai màu để xác định nhanh các khoáng chất và đá, kể cả ở hiện trường, sử dụng ống thổi.
Ngọn lửa trong môi trường không trọng lực
Xem thêm
- Đốt cháy, bao gồm cả đốt cháy không có ngọn lửa.
- Phân tích nhiệt hóa - phương pháp phát hiện nguyên tố hóa học bởi các màu ngọn lửa khác nhau.
Văn học
Tideman B. G., Sciborsky D. B. Hóa học của quá trình đốt cháy. - L., 1935.
Đốt cháy nhiều loại khác nhau nhiên liệu thường đi kèm với ngọn lửa. Ngọn lửa đang đốt khí hoặc hơi. Để nghiên cứu cấu trúc của ngọn lửa, chúng ta sẽ sử dụng cây nến. Hãy thắp sáng nó và nhìn kỹ hơn vào vẻ bề ngoài ngọn lửa. Ba phần được tìm thấy trong đó: phần bên trong, phần tối tiếp giáp với bấc, một hình nón phát sáng xung quanh nó và một lớp vỏ hầu như không đáng chú ý ở bên ngoài (Hình 37). Bản thân bấc không cháy (chỉ cháy phần đầu cong của nó).
Cơm. 37. Cấu trúc của ngọn lửa nến. a - hình nón “tối” bên trong, b - hình nón phát sáng ở giữa, c - phần bên ngoài của ngọn lửa
Hãy xem xét thành phần của từng phần của ngọn lửa. Nếu ở phần bên trongĐưa đầu ống thủy tinh vào ngọn lửa (Hình 38), sau đó một làn khói trắng sẽ thoát ra từ đó và có thể bốc cháy. Đây là hơi parafin. Vì vậy, hình nón tối bên trong của ngọn lửa được hình thành bởi hơi parafin.
Chúng tôi sẽ gửi nó vào một khoảng thời gian ngắn vật lạnh; ví dụ, một chiếc cốc sứ, ở phần giữa của ngọn lửa - một hình nón phát sáng. Chiếc cốc sẽ có khói và phủ đầy bồ hóng. Điều này có nghĩa là nón phát sáng có chứa cacbon tự do. Chúng ta đã biết thành phần hình nón bên ngoài của ngọn lửa parafin; Đây là sản phẩm cuối cùng của quá trình đốt cháy parafin - hơi nước và carbon dioxide.
Hãy nhanh chóng nhét một chiếc dằm vào ngọn lửa, như trong Hình 39.
Chiếc dằm sẽ chỉ cháy thành than ở những vị trí nằm ở hình nón bên ngoài. Điều này có nghĩa là nhiệt độ ngọn lửa cao nhất trong đó.
Than ở giữa ngọn lửa đến từ đâu? Khi bạn đưa que diêm đã cháy vào bấc, parafin sẽ tan chảy và bắt đầu bay hơi. Hơi nước bốc lên từ bấc sẽ bốc cháy. Do nhiệt độ cao ở phần giữa của ngọn lửa, quá trình chưng cất khô parafin xảy ra - sự phân hủy hơi của nó thành than và khí dễ cháy. Khí cháy do không khí chảy vào ngọn lửa từ bên dưới và do nhiệt thoát ra trong quá trình đốt cháy, các hạt than trở nên nóng trắng và chúng tạo ra độ sáng cho ngọn lửa. Bị cuốn đi phần ngoài ngọn lửa, những hạt này lần lượt đốt cháy thành carbon dioxide, độ sáng của ngọn lửa ở đây bị mất và nhiệt độ càng tăng lên.
Nếu không khí được thổi vào ngọn lửa của ngọn nến bằng đèn khò hoặc ống thủy tinh, ngọn lửa gần như không phát sáng và bồ hóng không lắng xuống cốc sứ mang vào đó. Điều này được giải thích là do với luồng không khí dồi dào, các hạt than cháy nhanh và không đọng lại trong ngọn lửa.
Ngọn lửa cũng hình thành trong hộp lửa lò.
- Mô tả cấu trúc của ngọn lửa và các thí nghiệm có thể dùng để xác định thành phần của các bộ phận của ngọn lửa. Cái nào có nhiệt độ ngọn lửa cao nhất?
- * Nếu bạn đặt một ngọn nến đang cháy trên Ánh sáng mặt trời, khi đó trên tờ giấy đặt phía sau nó, một bóng đen sẽ xuất hiện chính xác từ phần ngọn lửa phát sáng rực rỡ. Tại sao?
- Có phải mọi chất đều cháy tạo thành ngọn lửa?
- Làm thế nào để ngọn lửa không bốc khói?
Làm thế nào để nguyền rủa bóng tối
Tốt hơn hết là ít nhất hãy thắp sáng nó
một ngọn nến nhỏ.
nho giáo
Lúc đầu
Những nỗ lực đầu tiên để tìm hiểu cơ chế đốt cháy gắn liền với tên của người Anh Robert Boyle, người Pháp Antoine Laurent Lavoisier và Mikhail Vasilyevich Lomonosov người Nga. Hóa ra trong quá trình đốt cháy, chất này không “biến mất” ở bất cứ đâu như người ta từng tin tưởng một cách ngây thơ mà biến thành các chất khác, chủ yếu là khí và do đó vô hình. Lavoisier là người đầu tiên chứng minh vào năm 1774 rằng trong quá trình đốt cháy, khoảng 1/5 lượng khí đó bị mất đi trong không khí. Trong thế kỷ 19, các nhà khoa học đã nghiên cứu chi tiết các đặc tính vật lý và quá trình hóa học, kèm theo quá trình đốt cháy. Nhu cầu làm việc như vậy chủ yếu là do cháy nổ trong hầm mỏ.
Nhưng chỉ trong một phần tư cuối của thế kỷ 20, người ta mới xác định được các phản ứng hóa học chính đi kèm với quá trình đốt cháy, và cho đến ngày nay vẫn còn rất nhiều điều về hóa học của ngọn lửa. đốm đen. Họ được nghiên cứu nhiều nhất phương pháp hiện đạiở nhiều phòng thí nghiệm. Những nghiên cứu này có một số mục tiêu. Một mặt, cần tối ưu hóa quá trình cháy trong lò nung của nhà máy nhiệt điện và trong xi lanh của động cơ đốt trong, nhằm ngăn ngừa hiện tượng cháy nổ (nổ) khi nén hỗn hợp không khí-xăng trong xi lanh ô tô. Mặt khác, cần giảm số lượng Những chất gây hạiđược hình thành trong quá trình đốt cháy, đồng thời - tìm hiểu thêm phương tiện hiệu quả dập tắt ngọn lửa.
Có hai loại ngọn lửa. Nhiên liệu và chất oxy hóa (thường là oxy) có thể được cung cấp cưỡng bức hoặc tự phát vào vùng đốt riêng biệt và trộn lẫn trong ngọn lửa. Hoặc chúng có thể được trộn trước - những hỗn hợp như vậy có thể cháy hoặc thậm chí phát nổ khi không có không khí, chẳng hạn như thuốc súng, hỗn hợp pháo hoa dùng làm pháo hoa, nhiên liệu tên lửa. Sự đốt cháy có thể xảy ra cả khi có sự tham gia của oxy đi vào vùng đốt cùng với không khí và với sự trợ giúp của oxy có trong chất oxy hóa. Một trong những chất này là muối Berthollet (kali clorat KClO 3); chất này dễ dàng nhả oxy. Tác nhân oxy hóa mạnh là axit nitric HNO 3: ở dạng nguyên chất nó đốt cháy nhiều chất hữu cơ. Nitrat, muối axit nitric(ví dụ ở dạng phân bón - kali hoặc amoni nitrat), rất dễ cháy nếu trộn với các chất dễ cháy. Một chất oxy hóa mạnh khác, nitơ tetroxide N 2 O 4 là thành phần của nhiên liệu tên lửa. Oxy cũng có thể được thay thế bằng các chất oxy hóa mạnh như clo, trong đó nhiều chất bị đốt cháy, hoặc flo. Flo nguyên chất là một trong những chất oxy hóa mạnh nhất; nước cháy khi chảy vào.
Phản ứng dây chuyền
Nền tảng của lý thuyết về sự cháy và lan truyền ngọn lửa được đặt ra vào cuối những năm 20 của thế kỷ trước. Theo kết quả của những nghiên cứu này, đã phân nhánh phản ứng dây chuyền. Với phát hiện này, nhà hóa học vật lý người Nga Nikolai Nikolaevich Semenov và nhà nghiên cứu người Anh Cyril Hinshelwood đã được trao giải thưởng giải thưởng Nobel trong hóa học. Các phản ứng dây chuyền không phân nhánh đơn giản hơn đã được nhà hóa học người Đức Max Bodenstein phát hiện vào năm 1913 bằng ví dụ về phản ứng của hydro với clo. Phản ứng tổng cộng được biểu thị phương trình đơn giản H2 + Cl2 = 2HCl. Trên thực tế, nó liên quan đến những mảnh phân tử rất tích cực - cái gọi là gốc tự do. Dưới tác động của ánh sáng ở vùng cực tím và xanh lam của quang phổ hoặc ở nhiệt độ cao, các phân tử clo phân hủy thành các nguyên tử, bắt đầu một chuỗi biến đổi dài (đôi khi lên đến một triệu liên kết); Mỗi sự biến đổi này được gọi là một phản ứng cơ bản:
Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl, v.v.
Ở mỗi giai đoạn (liên kết phản ứng), một trung tâm hoạt động (nguyên tử hydro hoặc clo) biến mất và đồng thời một trung tâm hoạt động mới xuất hiện, tiếp tục chuỗi. Chuỗi bị đứt khi hai loài hoạt động gặp nhau, ví dụ Cl + Cl → Cl 2. Mỗi chuỗi lan truyền rất nhanh, vì vậy nếu bạn tạo ra các hạt hoạt động “ban đầu” với tốc độ cao, phản ứng sẽ diễn ra nhanh đến mức có thể dẫn đến nổ.
N. N. Semenov và Hinshelwood phát hiện ra rằng các phản ứng cháy của hơi photpho và hydro diễn ra khác nhau: tia lửa nhỏ nhất hoặc ngọn lửa mở có thể gây nổ ngay cả ở nhiệt độ phòng. Những phản ứng này là phản ứng dây chuyền phân nhánh: các hạt hoạt động “nhân lên” trong quá trình phản ứng, tức là khi một hạt hoạt động biến mất thì hai hoặc ba hạt hoạt động xuất hiện. Ví dụ, trong hỗn hợp hydro và oxy, có thể được lưu trữ an toàn trong hàng trăm năm, nếu không ảnh hưởng bên ngoài, sự xuất hiện của các nguyên tử hydro hoạt động vì lý do này hay lý do khác sẽ kích hoạt quá trình sau:
H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.
Do đó, trong một khoảng thời gian không đáng kể, một hạt hoạt động (nguyên tử H) biến thành ba (một nguyên tử hydro và hai gốc OH hydroxyl), tạo ra ba chuỗi thay vì một. Kết quả là, số lượng chuỗi tăng lên như một trận tuyết lở, ngay lập tức dẫn đến vụ nổ hỗn hợp hydro và oxy, vì phản ứng này giải phóng rất nhiều năng lượng nhiệt. Nguyên tử oxy có mặt trong ngọn lửa và trong quá trình đốt cháy các chất khác. Chúng có thể được phát hiện nếu bạn điều khiển luồng khí nén ngang qua đỉnh ngọn lửa đốt. Đồng thời, trong không khí sẽ phát hiện mùi đặc trưng của ozone - đây là những nguyên tử oxy “bám” vào các phân tử oxy để tạo thành phân tử ozone: O + O 2 = O 3, được đưa ra khỏi ngọn lửa bằng không khí lạnh .
Khả năng xảy ra vụ nổ của hỗn hợp oxy (hoặc không khí) với nhiều loại khí dễ cháy - hydro, carbon monoxide, metan, axetylen - phụ thuộc vào các điều kiện, chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ, thành phần và áp suất của hỗn hợp. Vì vậy, nếu do rò rỉ khí đốt gia dụng trong nhà bếp (chủ yếu là khí metan), hàm lượng của nó trong không khí vượt quá 5%, thì hỗn hợp sẽ phát nổ từ ngọn lửa của diêm hoặc bật lửa, và thậm chí từ tia lửa nhỏ lọt qua công tắc khi bật đèn. Sẽ không có vụ nổ nếu các chuỗi đứt nhanh hơn khả năng phân nhánh của chúng. Đây là lý do tại sao đèn dành cho thợ mỏ, được nhà hóa học người Anh Humphry Davy phát triển vào năm 1816, dù không biết gì về tính chất hóa học của ngọn lửa, lại an toàn. Trong chiếc đèn này, ngọn lửa được ngăn cách với không khí bên ngoài (có thể gây nổ) bằng lưới kim loại dày. Trên bề mặt kim loại, các hạt hoạt động biến mất một cách hiệu quả, biến thành các phân tử ổn định và do đó không thể xâm nhập vào môi trường bên ngoài.
Cơ chế hoàn chỉnh của phản ứng dây chuyền phân nhánh rất phức tạp và có thể bao gồm hơn một trăm phản ứng cơ bản. Nhiều phản ứng oxy hóa và đốt cháy các hợp chất vô cơ và hữu cơ là phản ứng dây chuyền phân nhánh. Điều tương tự sẽ là phản ứng phân hạch hạt nhân của các nguyên tố nặng, ví dụ như plutonium hoặc uranium, dưới tác động của neutron, đóng vai trò tương tự như các hạt hoạt động trong các phản ứng hóa học. Khi xâm nhập vào hạt nhân của một nguyên tố nặng, neutron gây ra sự phân hạch của nó, kèm theo đó là sự giải phóng năng lượng rất cao; Đồng thời, các neutron mới được phát ra từ hạt nhân, gây ra sự phân hạch của các hạt nhân lân cận. Các quá trình chuỗi nhánh hóa học và hạt nhân được mô tả bằng các mô hình toán học tương tự.
Bạn cần gì để bắt đầu?
Để bắt đầu quá trình đốt cháy, phải đáp ứng một số điều kiện. Trước hết, nhiệt độ của chất dễ cháy phải vượt quá một giá trị giới hạn nhất định, gọi là nhiệt độ bắt lửa. Cuốn tiểu thuyết nổi tiếng Fahrenheit 451 của Ray Bradbury được đặt tên như vậy vì ở nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ này (233°C) giấy bắt lửa. Đây là “nhiệt độ bốc cháy” mà trên đó nhiên liệu rắn giải phóng hơi dễ cháy hoặc các sản phẩm phân hủy dạng khí với số lượng đủ để đốt cháy ổn định. Nhiệt độ bắt lửa của gỗ thông khô xấp xỉ nhau.
Nhiệt độ ngọn lửa phụ thuộc vào bản chất của chất cháy và điều kiện cháy. Do đó, nhiệt độ của ngọn lửa metan trong không khí đạt tới 1900°C và khi đốt trong oxy - 2700°C. Ngọn lửa còn nóng hơn nữa được tạo ra khi đốt cháy hydro (2800°C) và axetylen (3000°C) trong oxy nguyên chất. Không có gì ngạc nhiên khi ngọn lửa của đèn khò axetylen dễ dàng cắt được hầu hết mọi kim loại. Giống nhau nhiệt độ cao, khoảng 5000°C (được ghi vào Sách kỷ lục Guinness), khi đốt trong oxy sẽ tạo ra chất lỏng có nhiệt độ sôi thấp - carbon subnitride C 4 N 2 (chất này có cấu trúc dicyanoacetylene NC–C=C–CN ). Và theo một số thông tin, khi cháy trong bầu không khí ozone, nhiệt độ có thể lên tới 5700°C. Nếu đốt chất lỏng này trong không khí, nó sẽ cháy với ngọn lửa màu đỏ, có khói với đường viền màu xanh tím. Mặt khác, ngọn lửa lạnh cũng được biết đến. Ví dụ, chúng cháy khi áp suất thấp hơi phốt pho. Ngọn lửa tương đối lạnh cũng thu được trong quá trình oxy hóa ở điều kiện nhất định cacbon disulfua và hydrocacbon nhẹ; ví dụ, propan tạo ra ngọn lửa mát ở áp suất giảm và nhiệt độ trong khoảng 260–320°C.
Chỉ trong 1/4 cuối thế kỷ XX, cơ chế của các quá trình xảy ra trong ngọn lửa của nhiều chất dễ cháy mới bắt đầu trở nên rõ ràng hơn. Cơ chế này rất phức tạp. Các phân tử ban đầu thường quá lớn để phản ứng trực tiếp với oxy tạo thành sản phẩm phản ứng. Ví dụ, quá trình đốt cháy octan, một trong những thành phần của xăng, được biểu thị bằng phương trình 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Tuy nhiên, tất cả 8 nguyên tử cacbon và 18 nguyên tử hydro trong một phân tử octan không thể kết hợp đồng thời với 50 nguyên tử oxy: để làm được điều này, tập hợp phải bị phá vỡ liên kết hóa học và nhiều cái mới sẽ hình thành. Phản ứng đốt cháy xảy ra trong nhiều giai đoạn - do đó ở mỗi giai đoạn chỉ có một số lượng nhỏ liên kết hóa học bị phá vỡ và hình thành, và quá trình này bao gồm nhiều phản ứng cơ bản xảy ra tuần tự, toàn bộ phản ứng đó xuất hiện đối với người quan sát dưới dạng ngọn lửa. Rất khó để nghiên cứu các phản ứng cơ bản chủ yếu vì nồng độ của các hạt trung gian phản ứng trong ngọn lửa là cực kỳ nhỏ.
Bên trong ngọn lửa
Cảm biến quang học Những khu vực khác nhau Ngọn lửa sử dụng tia laser có thể thiết lập thành phần định tính và định lượng của các hạt hoạt động có trong đó - các mảnh phân tử của chất dễ cháy. Hóa ra, ngay cả trong phản ứng tưởng chừng đơn giản là đốt cháy hydro trong oxy 2H 2 + O 2 = 2H 2 O, đã có hơn 20 phản ứng cơ bản xảy ra với sự tham gia của các phân tử O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 , H 2 O, các hạt hoạt động N, O, OH, NHƯNG 2. Ví dụ, đây là những gì nhà hóa học người Anh Kenneth Bailey đã viết về phản ứng này vào năm 1937: “Phương trình phản ứng của hydro với oxy là phương trình đầu tiên mà hầu hết những người mới bắt đầu học hóa học đều quen thuộc. Phản ứng này có vẻ rất đơn giản đối với họ. Nhưng ngay cả các nhà hóa học chuyên nghiệp cũng có phần ngạc nhiên khi thấy cuốn sách dày hàng trăm trang có tựa đề “Phản ứng của oxy với hydro” do Hinshelwood và Williamson xuất bản năm 1934”. Về vấn đề này, chúng ta có thể nói thêm rằng vào năm 1948, một chuyên khảo lớn hơn nhiều của A. B. Nalbandyan và V. V. Voevodsky đã được xuất bản với tựa đề “Cơ chế oxy hóa và đốt cháy hydro”.
Các phương pháp nghiên cứu hiện đại đã cho phép nghiên cứu các giai đoạn riêng lẻ của các quá trình đó, đo tốc độ mà các hạt hoạt động khác nhau phản ứng với nhau và với các phân tử ổn định khi nhiệt độ khác nhau. Biết được cơ chế của các giai đoạn riêng lẻ của quy trình, có thể “lắp ráp” toàn bộ quy trình, nghĩa là mô phỏng ngọn lửa. Sự phức tạp của mô hình như vậy không chỉ nằm ở việc nghiên cứu toàn bộ phức hợp các kiến thức cơ bản phản ứng hoá học, mà còn cần phải tính đến các quá trình khuếch tán hạt, truyền nhiệt và dòng đối lưu trong ngọn lửa (chính dòng đối lưu này tạo ra trò chơi hấp dẫn của những chiếc lưỡi của ngọn lửa đang cháy).
Mọi thứ đến từ đâu
Nhiên liệu chính của ngành công nghiệp hiện đại là hydrocarbon, từ loại đơn giản nhất là metan đến hydrocarbon nặng có trong dầu nhiên liệu. Ngọn lửa của thậm chí là hydrocarbon đơn giản nhất, metan, có thể liên quan tới hàng trăm phản ứng cơ bản. Tuy nhiên, không phải tất cả chúng đều được nghiên cứu đầy đủ chi tiết. Khi các hydrocacbon nặng, chẳng hạn như các chất có trong parafin, cháy, các phân tử của chúng không thể đến vùng đốt mà không còn nguyên vẹn. Ngay cả khi đến gần ngọn lửa, do nhiệt độ cao, chúng bị vỡ thành nhiều mảnh. Trong trường hợp này, các nhóm chứa hai nguyên tử cacbon thường được tách ra khỏi phân tử, ví dụ C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Các chất hoạt động có số lượng nguyên tử carbon lẻ có thể tách các nguyên tử hydro, tạo thành các hợp chất có liên kết đôi C=C và ba C≡C. Người ta phát hiện ra rằng trong ngọn lửa, các hợp chất như vậy có thể tham gia vào các phản ứng mà trước đây các nhà hóa học chưa biết đến, vì chúng không xảy ra bên ngoài ngọn lửa, ví dụ C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO2 + H + N.
Sự mất dần hydro của các phân tử ban đầu dẫn đến sự gia tăng tỷ lệ carbon trong chúng cho đến khi các hạt C 2 H 2, C 2 H, C 2 được hình thành. Vùng ngọn lửa màu xanh lam là do sự phát sáng của các hạt C 2 và CH bị kích thích trong vùng này. Nếu khả năng tiếp cận của oxy đến vùng đốt bị hạn chế, thì các hạt này không bị oxy hóa mà được thu thập thành các tập hợp - chúng trùng hợp theo sơ đồ C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + N, v.v.
Kết quả là các hạt bồ hóng hầu như chỉ bao gồm các nguyên tử cacbon. Chúng có hình dạng như những quả bóng nhỏ, đường kính lên tới 0,1 micromet, chứa khoảng một triệu nguyên tử carbon. Những hạt như vậy ở nhiệt độ cao cho ngọn lửa sáng tốt màu vàng. Ở đầu ngọn nến, các hạt này cháy nên nến không bốc khói. Nếu các hạt sol khí này tiếp tục bám dính thì các hạt bồ hóng lớn hơn sẽ được hình thành. Kết quả là ngọn lửa (ví dụ đốt cao su) tạo ra khói đen. Khói như vậy xuất hiện nếu tỷ lệ carbon so với hydro trong nhiên liệu ban đầu tăng lên. Một ví dụ là nhựa thông - hỗn hợp hydrocarbon có thành phần C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzen C 6 H 6 (C n H 2n–6) và các chất lỏng dễ cháy khác thiếu hydro - tất cả trong số chúng bốc khói khi bị đốt cháy. Ngọn lửa có khói và sáng rực được tạo ra khi đốt cháy axetylen C 2 H 2 (C n H 2n–2) trong không khí; Ngày xửa ngày xưa, ngọn lửa như vậy được sử dụng trong đèn lồng axetylen gắn trên xe đạp và ô tô cũng như trong đèn của thợ mỏ. Và ngược lại: hydrocacbon có hàm lượng hydro cao - metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10 ( công thức chung C n H 2n+2) - cháy khi có đủ không khí và ngọn lửa gần như không màu. Hỗn hợp propan và butan ở dạng chất lỏng dưới áp suất thấp được tìm thấy trong bật lửa, cũng như trong xi lanh được người dân mùa hè và khách du lịch sử dụng; những xi lanh tương tự được lắp trên ô tô chạy bằng xăng. Gần đây hơn, người ta phát hiện ra rằng bồ hóng thường chứa các phân tử hình cầu gồm 60 nguyên tử cacbon; chúng được gọi là fullerene, và việc phát hiện ra chất này hình thức mới carbon đã được trao giải Nobel Hóa học năm 1996.
Loại nhiên liệu. Sự cháy nhiên liệu- một trong những nguồn năng lượng phổ biến nhất được con người sử dụng.
Có một số các loại nhiên liệu theo trạng thái tập hợp: nhiên liệu rắn nhiên liệu lỏng và nhiên liệu khí. Theo đó, có thể đưa ra ví dụ: nhiên liệu rắn là than cốc, than đá, nhiên liệu lỏng là dầu và các sản phẩm của nó (dầu hỏa, xăng, dầu, dầu mazut, nhiên liệu khí là khí (metan, propan, butan,...)
Một thông số quan trọng mỗi loại nhiên liệu là của nó giá trị nhiệt lượng, trong nhiều trường hợp, xác định hướng sử dụng nhiên liệu.
nhiệt trị- đây là lượng nhiệt tỏa ra trong quá trình đốt cháy 1 kg (hoặc 1 m 3) nhiên liệu ở áp suất 101,325 kPa và 0 0 C, nghĩa là trong điều kiện bình thường. Bày tỏ giá trị nhiệt lượng tính bằng đơn vị kJ/kg (kilojoule trên kg). Một cách tự nhiên, các loại khác nhau nhiên liệu có nhiệt trị khác nhau:
Than nâu - 25550 
Than - 33920 
Than bùn - 23900
- dầu hỏa - 35000
- cây - 18850
- xăng - 46000
- mêtan - 50000
Có thể thấy, khí metan của các loại nhiên liệu nêu trên có nhiệt trị cao nhất.
Để thu được nhiệt chứa trong nhiên liệu, nó phải được làm nóng đến nhiệt độ bốc cháy và tất nhiên là có đủ lượng oxy. Trong quá trình phản ứng hóa học - đốt cháy - nó được giải phóng một số lượng lớn sự ấm áp.
Than cháy như thế nào. Than nóng lên và phát sáng dưới tác dụng của oxy, tạo thành carbon monoxide (IV), tức là CO 2 (hoặc carbon dioxide). Sau đó CO 2 vào lớp trên cùng than nóng lại phản ứng với than, dẫn đến sự hình thành than mới hợp chất hóa học- cacbon monoxit (II) hoặc CO - cacbon monoxit. Nhưng chất này hoạt động rất mạnh và ngay khi có đủ lượng oxy xuất hiện trong không khí, chất CO sẽ cháy với ngọn lửa xanh để tạo thành carbon dioxide tương tự.
Có lẽ bạn đã từng tự hỏi mình câu hỏi, cái gì là nhiệt độ ngọn lửa?! Mọi người đều biết rằng, chẳng hạn, để thực hiện một số phản ứng hóa học cần phải đun nóng thuốc thử. Với mục đích như vậy, các phòng thí nghiệm sử dụng vòi đốt khí hoạt động trên khí tự nhiên có một điều tuyệt vời giá trị nhiệt lượng. Khi đốt nhiên liệu - khí, hóa năng của quá trình cháy được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt. Vì đầu đốt gas Ngọn lửa có thể được mô tả như thế này:
Điểm cao nhất của ngọn lửa là một trong những nơi nóng nhất của ngọn lửa. Nhiệt độ lúc này vào khoảng 1540 0 C - 1550 0 C
Thấp hơn một chút (khoảng 1/4 phần) - ở giữa ngọn lửa - vùng nóng nhất 1560 0 C