Solides Feuer. Woraus besteht eine Flamme? Oxidations- und Reduktionsbereich

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Kerzenfeuer, Feuerfeuer,

Das Feuer eines mächtigen Feuers.

Lichter – sie alle sind Meister

Ein Geschenk, das an die Menschen geschickt wurde.

Einführung

Er kann geboren werden, stärker werden und wachsen. Kann schwächer werden und sterben. Kann ehrfürchtig und liebevoll oder grausam und gierig sein. Es stürzt sich, es verschlingt, es verzehrt. Du kannst gegen ihn kämpfen und er wird sich besiegt zurückziehen. Es kann Sie retten oder zu einer schrecklichen Tragödie werden.

"Feuer!" - Dies ist sowohl ein Schrei der Hoffnung für die Verlorenen als auch ein strenger Befehl, der den Feinden den Tod bringt.

Feuriges Haar, brennende Augen, glühender Blick. Ein Anflug von Wut, ein Ausbruch von Gelächter. Mit dem Feuer spielen, mit Gedanken Feuer fangen, vor Begeisterung strahlen, vor Leidenschaft brennen. „Ein kleiner Funke wird eine große Flamme hervorbringen“, „Feuer und Wasser werden alles zerstören“, „Im Feuer schmilzt Eisen“, „Feuer ist Freund und Feind des Menschen.“

Genug Beispiele. Sie müssen uns nur daran erinnern, welche Rolle dieses Geschenk der Natur in unserem Leben spielt. Unsere Sprache hat ihr die Merkmale eines Lebewesens verliehen und umgekehrt werden das Aussehen und die Emotionen eines Menschen oft mit den Eigenschaften einer Flamme in Verbindung gebracht.

Feuer ist seit langem ein fester Bestandteil des Lebens der Menschen. Ist unsere Existenz ohne Feuer vorstellbar? Natürlich nicht. Der moderne Mensch begegnet täglich Verbrennungsprozessen.

Zweck der Arbeit: Untersuchung des Verbrennungsprozesses aus verschiedenen Blickwinkeln.

Studienliteratur und Internetressourcen zum Thema Verbrennung;

Machen Sie sich mit der Geschichte der Beherrschung des Feuers vertraut.

Hier finden Sie Informationen und genaue Anleitungen zur Durchführung von Experimenten rund um Verbrennungsprozesse.

Eine kleine Geschichte

Verbrennung- Dies ist die erste chemische Reaktion, die der Mensch kennengelernt hat.

Der Legende nach brachte der Titan Prometheus trotz des Verbots von Zeus Feuer zu erfrorenen und unglücklichen Menschen. Aber höchstwahrscheinlich stießen primitive humanoide Individuen bei Bränden, die durch Blitzeinschläge und Vulkanausbrüche verursacht wurden, auf Feuer. Sie wussten nicht, wie sie es selbst gewinnen konnten, aber sie konnten es tragen und pflegen. Die ersten Beweise für die Nutzung von Feuer durch den Menschen stammen aus archäologischen Stätten des antiken Menschen wie Chesowanya in Ostafrika, Swartkrans in Südafrika, Zhoukoudian und Xihoudu in China und Trinil auf der Insel Java. Es wurden Feuerstellen, Asche und Holzkohle aus der Zeit vor 1,5 bis 2 Millionen Jahren, verbrannte Werkzeuge von Naturvölkern und Säugetierknochen gefunden.

Wann die Menschen begannen, selbst Feuer zu machen, war erst 2008 sicher, als eine Gruppe israelischer Archäologen ein relativ genaues Datum von 790.000 Jahren nannte. Zu dieser Schlussfolgerung kamen Wissenschaftler auf der Grundlage der Ergebnisse von Ausgrabungen an der berühmten frühpaläolithischen Stätte von Gesher Bnot Yaakov. Einem Bericht in der Fachzeitschrift Quaternary Science Reviews zufolge fanden sie Spuren primitiver Feuertechniken, die während der fast zwölf Generationen, die in der Gegend lebten, angewendet wurden. Schlussfolgerungen wurden auch auf der Grundlage detaillierterer Studien zu früher hier gefundenen Steinen und Steinwerkzeugen gezogen.

Die erste Möglichkeit für den Menschen, selbstständig Feuer zu erzeugen, war Reibung. Diese Methode wird in unserer Zeit gelegentlich verwendet, beispielsweise unter Campingbedingungen.

Allmählich, als die Menschheit praktische Erfahrungen und neues Wissen über die Welt um uns herum sammelte, wurde diese durch eine andere Methode der Feuerherstellung ersetzt, die auf dem Anzünden eines Funkens beruhte. Es liegt darin, dass beim scharfen Auftreffen eines Steins auf bestimmte Mineralien winzige Partikel aus ihrer Oberfläche herausfliegen, die sich sofort entzünden und auf das brennbare Material fallen und dieses in Brand setzen. Dazu gehört beispielsweise Pyrit (Eisen(II)-disulfid – FeS 2). Es sind weitere Mineralien mit der gleichen Eigenschaft bekannt. Im Laufe der Zeit wurde diese Methode verbessert: Man begann, Feuer zu erzeugen, indem man mit einem Eisenstab Funken aus dem häufigeren und zugänglicheren Mineral Silizium schlug. Bei den brennbaren Stoffen handelte es sich um Zunder oder verbranntes Werg. Bis zur Mitte des 19. Jahrhunderts konnte auf diese Weise in Europa Feuer gewonnen werden. Das verwendete Gerät wurde in Russland „Feuerstein“ genannt.

Eine weitere interessante Methode wurde von der Antike bis zur Mitte des 20. Jahrhunderts von den Stämmen der Inseln Sumatra, Java, Kalimantan und Sulawesi genutzt: Feuer machen durch starke Luftkomprimierung in speziellen Geräten.

Heutzutage sind Menschen ständig mit Verbrennungsprozessen konfrontiert. Dies kann die Verbrennung von Gas in einem Gasherd, Mikroexplosionen von Kraftstoff in Dieselmotoren von Autos, Heizsysteme in Privathäusern oder der Betrieb eines Wärmekraftwerks usw. sein. In militärischen Angelegenheiten bedeutet Feuer das Schießen mit einer Schusswaffe.

Feuer durch die Augen eines Wissenschaftlers

Was ist Feuer? Aus chemischer Sicht handelt es sich um eine Zone, in der eine exotherme Oxidationsreaktion stattfindet, manchmal begleitet von Pyrolyse (thermische Zersetzung organischer und vieler anorganischer Verbindungen). Aus physikalischer Sicht handelt es sich um die Emission von Licht erhitzter Substanzen aus der Zone einer solchen Reaktion.

Warum sehen wir Feuer? Partikel aus brennbarem Material und Verbrennungsprodukten glühen, weil sie eine hohe Temperatur haben (übliche Schwarzkörperstrahlung). Hohe Temperaturen ermöglichen es Atomen, sich für einige Zeit in höhere Energiezustände zu bewegen und dann, wenn sie in ihren ursprünglichen Zustand zurückkehren, Licht einer bestimmten Frequenz auszusenden, die der Struktur der Elektronenhüllen eines bestimmten Elements entspricht.

Was ist der Unterschied zwischen „Feuer“ und „Brennen“? Feuer ist eine schnelle Form der Verbrennung, die sowohl Licht als auch Wärme freisetzt. Verbrennung- ein komplexer physikalisch-chemischer Prozess zur Umwandlung von Ausgangsstoffen in Verbrennungsprodukte bei exothermen Reaktionen. Für den Verbrennungsprozess benötigen Sie:

Brennbarer Stoff (Kraftstoff);

Oxidationsmittel (meistens Sauerstoff);

Zündquelle (nicht immer)

Das Oxidationsmittel und der brennbare Stoff bilden zusammen das brennbare System. Es kann homogen und heterogen sein:

Homogen sind Systeme, in denen ein brennbarer Stoff und ein Oxidationsmittel gleichmäßig miteinander vermischt sind (Gemische aus brennbaren Gasen, Dämpfen). Die Verbrennung solcher Systeme wird als kinetische Verbrennung bezeichnet. Unter bestimmten Bedingungen kann eine solche Verbrennung den Charakter einer Explosion haben.

Heterogen- Systeme, in denen der brennbare Stoff und die Luft nicht miteinander vermischt sind und über Grenzflächen verfügen (feste brennbare Stoffe und nicht zerstäubte Flüssigkeiten). Bei der Verbrennung inhomogener brennbarer Systeme dringt Luftsauerstoff durch die Verbrennungsprodukte zum brennbaren Stoff vor und reagiert mit diesem. Diese Art der Verbrennung wird als Diffusionsverbrennung bezeichnet. Als Oxidationsmittel können Sauerstoff, Chlor, Fluor, Brom und andere Stoffe wirken.

Feuer ist die Hauptphase (freibrennend) der Verbrennung, es handelt sich um ein physikalisch-chemisches Phänomen, weshalb es unangemessen ist, es nur aus chemischer Sicht zu betrachten. Aus physikalischer Sicht Feuer- eine Reihe heißer Gase, die durch Folgendes freigesetzt werden:

willkürliche oder unfreiwillige Erwärmung von Kraftstoff (brennbarem Stoff) auf eine bestimmte Temperatur in Gegenwart eines Oxidationsmittels;

chemische Reaktion (z. B. Explosion);

Fluss von elektrischem Strom in einem Medium (Lichtbogen, Elektroschweißen)

Verbrennungsphasen

Der Verbrennungsprozess wird in bestimmte Phasen (Phasen) unterteilt:

1. Anfangsphase (Wachstumsphase),

2. Freibrennphase (voll entwickeltes Stadium),

3. Schwelphase (Zerfallsstadium).

In der ersten – anfänglichen – Phase nimmt der Fluss des zugeführten Sauerstoffs zu und beginnt dann abzunehmen. Es entsteht eine gewisse Wärmemenge und diese Menge erhöht sich während des Verbrennungsprozesses. Die Flamme kann Temperaturen von über 5370 °C erreichen, die Raumtemperatur kann jedoch zu diesem Zeitpunkt niedrig sein.

Während der zweiten, frei brennenden Phase wird sauerstoffreiche Luft in die Flamme gesaugt, während die Konvektion Wärme in die oberste Schicht des geschlossenen Raums transportiert. Heiße Gase wandern von oben nach unten, zwingen kühlere Luft dazu, tiefere Ebenen aufzusuchen und schließlich das gesamte brennbare Material in den oberen Ebenen des Raums zu entzünden. In diesem Stadium kann die Temperatur in den oberen Schichten 7000 °C überschreiten. Das Feuer verbraucht weiterhin freien Sauerstoff, bis es einen Punkt erreicht, an dem nicht mehr genügend Sauerstoff für die Reaktion mit dem Brennstoff vorhanden ist. Die Flamme wird auf die Glimmphase reduziert und benötigt nur noch Sauerstoff, um sich schnell zu entzünden.

In der dritten Phase kann die Flamme erlöschen, wenn der Verbrennungsbereich luftdicht ist. In diesem Fall reduziert sich die Verbrennung auf Schwelglut. Es werden dichter Rauch und Gase freigesetzt und es entsteht ein Überdruck. Die Kohlen glimmen weiter, der Raum wird vollständig mit dichtem Rauch und Verbrennungsgasen mit einer Temperatur von 5370°C gefüllt sein. Durch starke Hitze verdampfen leichtere Kraftstoffbestandteile. , B. Wasserstoff und Methan, aus brennbarem Material im Raum. Diese Brenngase verbinden sich mit Brandderivaten und erhöhen das Risiko einer Wiederentzündung weiter und schaffen die Möglichkeit eines Rückflusses.

Verbrennungsarten

Blitz- Dies ist die schnelle Verbrennung eines brennbaren Gemisches, die nicht mit der Bildung komprimierter Gase einhergeht.

Feuer- das Auftreten einer Verbrennung unter dem Einfluss einer Zündquelle.

Ein eindrucksvolles Beispiel für Feuer ist der „Trick“ der alten indischen Priester: Im alten Indien flammten bei der Durchführung heiliger Riten in der Dämmerung der Tempel plötzlich geheimnisvolle rote Lichter auf und sprühten Funken, was den Gläubigen abergläubische Angst einflößte. Natürlich hatte der mächtige Buddha nichts damit zu tun, aber seine treuen Diener, die Priester, verängstigten und täuschten die Gläubigen mit Hilfe von Wunderkerzen. Strontiumsalze, die der Flamme eine rote Farbe verliehen, wurden mit Kohle, Schwefel und Kaliumchlorat (Berthollet-Salz) vermischt. Im richtigen Moment wurde die Mischung in Brand gesetzt.

2KClO 3 + S +2C = 2KCl + SO 2 + 2CO 2

Selbstentzündung ist ein Phänomen eines starken Anstiegs der Geschwindigkeit exothermer Reaktionen, der zur Verbrennung von Stoffen (Material, Gemisch) ohne Zündquelle führt.

Thermische Selbstentzündung Stoffe entstehen durch Selbsterhitzung unter dem Einfluss einer versteckten oder externen Wärmequelle. Eine Selbstentzündung ist nur möglich, wenn die beim Autooxidationsprozess freigesetzte Wärmemenge die Wärmeübertragung an die Umgebung übersteigt.

Ein Beispiel für thermische Selbstentzündung ist die Selbstentzündung flüchtiger ätherischer Öle bei heißem Wetter. Die bekannte Legende vom brennenden Dornbusch oder Mosesbusch hat eine völlig wissenschaftliche Erklärung: Wissenschaftler gehen davon aus, dass es sich um einen Diptam-Strauch handelte, der ätherische Öle absondert, die bei Sonneneinstrahlung aufleuchten. Bei ruhigem Wetter um den heißen Brei herum erhöht sich die Konzentration der von der Pflanze freigesetzten flüchtigen ätherischen Öle, die sich bei Erreichen einer bestimmten Temperatur entzünden. Gleichung der chemischen Reaktion der Selbstentzündung von Äther:

C 4 H 10 O + 6 O 2 = 4 CO 2 + 5 H 2 O

Die thermische Selbstentzündung erklärt auch das Auftreten von Friedhofslichtern. Bei der Zersetzung organischer Rückstände wird farbloses, giftiges Phosphingas (PH3) freigesetzt, das die Eigenschaft hat, sich an der Luft selbst zu entzünden, d. h. in Gegenwart von Sauerstoff. Tritt dieses Gas aus dem Boden aus, in dem sich organische Rückstände zersetzen, kommt es zur Selbstentzündung, es bilden sich kleine Blitze, mit denen Kirchenmänner früher abergläubische Menschen erschreckten. Dieses Phänomen kann nur in der warmen Jahreszeit beobachtet werden, da die Selbstentzündungstemperatur von Phosphin 38°C beträgt. Gleichung für die chemische Reaktion der Selbstentzündung von Phosphin:

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

Unter dem Einfluss der lebenswichtigen Aktivität von Mikroorganismen in der Masse eines Stoffes (Material, Gemisch) kann es auch zu einer Selbstentzündung kommen.

Brennbare Materialien neigen zur mikrobiologischen Selbstentzündung, insbesondere befeuchtete, die als Nährboden für Mikroorganismen dienen, deren lebenswichtige Aktivität mit der Freisetzung von Wärme verbunden ist (Torf, Sägemehl). In diesem Fall überschreitet die Selbsterwärmungstemperatur nicht die normale Umgebungstemperatur und kann negativ sein.

Daher kommt es bei der Lagerung landwirtschaftlicher Produkte (Silage, angefeuchtetes Heu) in Aufzügen zu den meisten Bränden und Explosionen. Die am häufigsten verwendete Methode zur Vermeidung der Selbsterhitzung und Selbstentzündung von Heu (und ähnlichen Materialien) besteht darin, sicherzustellen, dass die Materialien bei der Lagerung nicht nass werden.

Es gibt einen Unterschied zwischen den Prozessen der Verbrennung und der Selbstentzündung: Damit eine Verbrennung stattfinden kann, muss in das brennbare System ein Wärmeimpuls eingeleitet werden, dessen Temperatur über der Selbstentzündungstemperatur des Stoffes liegt.

Selbsterhitzungstemperatur- die Mindesttemperatur der Umgebung, oberhalb derer unter günstigen Bedingungen die Entwicklung eines exothermen Selbsterhitzungsprozesses möglich ist, der mit der thermischen Zersetzung und Oxidation eines bestimmten Volumens (Masse) eines brennbaren Stoffes verbunden ist.

Selbstentzündungstemperatur- Dies ist die niedrigste Temperatur eines Stoffes, bei der die Geschwindigkeit exothermer Reaktionen stark ansteigt und es zu einer Flammenverbrennung kommt.

Eine Explosion ist eine extrem schnelle chemische Umwandlung eines Stoffes, die mit der schnellen Freisetzung thermischer Energie und der Bildung komprimierter Gase einhergeht, die mechanische Arbeit leisten können.

Auch diese Art der Verbrennung ist aus der modernen Welt kaum mehr wegzudenken, da den meisten Automobilmotoren die mechanische Explosion von Kraftstoff zugrunde liegt. Auch bei pyrotechnischen Geräten kommen Kleinexplosionen zum Einsatz. Pyrotechnik (altgriechisch πῦρ – Feuer, Hitze; τεχνικός – Kunst, Können) ist ein Technologiezweig, der mit den Technologien zur Herstellung brennbarer Zusammensetzungen und deren Verbrennung zur Erzielung einer bestimmten Wirkung verbunden ist. Geteilt durch:

Militär (Leuchtpistolen, Rauchbomben)

spezialisiert (Filmspezialeffekte, zivile Signalausrüstung)

Unterhaltung (pyrotechnische Produkte – Feuerwerkskörper, Wunderkerzen, Feuerwerkskörper, Feuerwerkskörper).

Verbrennungsprodukte

Beim Verbrennungsprozess entstehen Verbrennungsprodukte. Sie können flüssig, fest und gasförmig sein. Ihre Zusammensetzung hängt von der Zusammensetzung des brennenden Stoffes und von den Bedingungen seiner Verbrennung ab. Organische und anorganische brennbare Stoffe bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff, Schwefel, Phosphor und Stickstoff. Davon können Kohlenstoff, Wasserstoff, Schwefel und Phosphor bei Verbrennungstemperaturen oxidieren und Verbrennungsprodukte bilden: CO, CO 2, SO 2, P 2 O 5. Stickstoff oxidiert bei der Verbrennungstemperatur nicht und wird in freiem Zustand freigesetzt, und Sauerstoff wird für die Oxidation der brennbaren Elemente des Stoffes aufgewendet. Alle diese Verbrennungsprodukte (mit Ausnahme von Kohlenmonoxid CO) können in Zukunft nicht mehr verbrennen.

Bei unvollständiger Verbrennung organischer Stoffe bei niedrigen Temperaturen und Luftmangel entstehen vielfältigere Produkte – Kohlenmonoxid (II), Alkohole, Aldehyde, Säuren und andere komplexe chemische Verbindungen. Diese Produkte erzeugen beißenden und giftigen Rauch. Darüber hinaus können die Produkte unvollständiger Verbrennung selbst brennen und mit Luft explosionsfähige Gemische bilden. Solche Explosionen entstehen beim Löschen von Bränden in Kellern, Trocknern und in geschlossenen Räumen mit einer großen Menge brennbaren Materials.

Flammenfarbe

Die Fähigkeit von Verunreinigungen, Flammen in verschiedenen Farben zu färben, wird nicht nur in der Pyrotechnik, sondern auch in der analytischen Chemie genutzt: Die pyrochemische Analyse ist eine Methode zum Nachweis bestimmter chemischer Elemente (z. B. in Mineralien) anhand unterschiedlicher Flammenfarben.

Element	Flammenfarbe
	Smaragdgrün
Kobalt (Co)
Mangan (Mn)	Violett-Amethyst
Eisen (Fe)	Gelb Braun
Nickel (Ni)	Rotbraun
Natrium (Na)	Orange
Kalzium (Ca)	Hellrot

Der Gasbrenner brennt aufgrund der Anwesenheit von Kohlenmonoxid (CO) mit blauer Flamme. Die gelb-orange Flamme eines Streichholzes ist auf das Vorhandensein von Natriumsalzen im Holz zurückzuführen. Die gelb-orange Farbe der Flammenspitze unter normalen Bedingungen wird durch das Leuchten von Rußpartikeln erklärt, die von einem heißen Luftstrom nach oben getragen werden.

Abschluss

Als Ergebnis der Bearbeitung des Themas wurden die gestellten Aufgaben erledigt: Literaturquellen und Internetressourcen zur Geschichte der Beherrschung von Feuer- und Verbrennungsprozessen wurden untersucht; Es wurden Laborexperimente zu Verbrennungsprozessen und Anleitungen zu deren Durchführung ausgewählt.

Das Ziel der Arbeit wurde erreicht. Ein dem modernen Menschen scheinbar vertrautes Phänomen wie die Verbrennung ist ein sehr komplexer physikalischer und chemischer Prozess. Dies ist die erste chemische Reaktion, die der Mensch kennengelernt hat! Dieser Prozess spielt eine sehr wichtige Rolle in unserem Leben, obwohl er manchmal eine große Gefahr darstellt.

Die in der Arbeit vorgestellten interessanten Fakten und Laborexperimente können zu Demonstrationszwecken in Bildungseinrichtungen genutzt werden, um Schüler mit einem so erstaunlichen Thema wie Feuer vertraut zu machen.

Praktischer Teil

Erleben Sie Nr. 1. „Chemischer Docht“.

Diese Methode zum Fernzünden von Bombenzündern wurde bereits im späten 19. Jahrhundert angewendet. Es basiert auf der Fähigkeit von Glycerin, sich durch Reaktion mit einem starken Oxidationsmittel (Kaliumpermanganat) zu entzünden.

Der Zweck des Experiments: sicherzustellen, dass Feuer nicht nur durch einen Funken „entstanden“ werden kann, sondern auch einfach durch die Vermischung bestimmter Substanzen, die einzeln völlig harmlos sind.

Reagenzien und Ausrüstung: Papier, kristallines Kaliumpermanganat, wasserfreies Glycerin, Pipette.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Eine kleine Menge Kaliumpermanganat auf ein zerknittertes Blatt Papier gießen, 3-5 Tropfen Glycerin tropfen lassen; Über der Mischung erscheint Rauch und nach einiger Zeit (5-15 Sekunden) leuchten die Mischung und das zerknitterte Blatt auf.

Erlebnis Nr. 2. „Mini-Feuerwerk.“

Reagenzien und Ausrüstung: pulverisierte Holzkohle, kristallines Kaliumpermanganat, Eisenspäne, Blatt Papier, Tiegel, Tiegelzange, Trockenbrennstoff.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Gießen Sie drei kleine identische Häufchen fein zerkleinerter Pulver auf ein Blatt Papier: Kaliumpermanganat, Eisenspäne und Kohle. Falten Sie anschließend ein Blatt Papier in der Mitte, sodass die Pulver auf einen Stapel fallen. Tatsache ist, dass beim Einreiben von Kaliumpermanganat mit Eisenspänen die Mischung aufflammen kann. Gießen Sie die resultierende Mischung in den Tiegel. Wir bringen es zur Flamme des trockenen Brennstoffs und warten ein paar Sekunden. Wenn die Mischung erhitzt wird, beginnt sie wie eine Wunderkerze zu funkeln.

Erlebnis Nr. 3. „Unlöschbares Magnesium.“

Magnesium ist einer der wenigen Stoffe, die nicht mit Wasser gelöscht werden können.

Reagenzien und Ausrüstung: Magnesium, Wasser, Glas, langstieliger Löffel, Alkohollampe.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Eine kleine Menge Magnesium in einem Löffel an der Flamme einer Alkohollampe anzünden. Wir geben brennendes Magnesium in ein Glas Wasser und stellen fest, dass es nicht erlischt, sondern weiter brennt und an der Wasseroberfläche verbleibt.

Experiment Nr. 4 „Pharaos Schlange aus Calciumgluconat.“

Pharaonenschlangen sind eine Reihe von Reaktionen, die mit der Bildung eines porösen Produkts aus einer kleinen Menge reagierender Substanzen einhergehen. Diese Reaktionen gehen mit einer schnellen Gasentwicklung einher.

Zweck des Experiments: Beobachtung der thermischen Zersetzung von Calciumgluconat.

Reagenzien und Ausrüstung: Calciumgluconat-Tabletten, Trockenbrennstoff, Pinzette.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Auf eine brennende Tablette mit trockenem Brennstoff mit einer Pinzette 1-2 Tabletten Calciumgluconat geben. Calciumgluconat nimmt deutlich an Volumen zu, nimmt eine „wurmartige“ Form an und „kriecht“ aus der Flamme. Die resultierende „Schlange“ ist sehr zerbrechlich und zerfällt bei der ersten Berührung.

Erlebnis Nr. 5. „Soda Viper“

Der Zweck des Experiments: die thermische Zersetzung einer Mischung aus Soda und Puderzucker zu beobachten.

Reagenzien und Ausrüstung: Sand, Soda, Puderzucker, Alkohol.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Gießen Sie etwas Sand (4-5 Esslöffel) ein und machen Sie oben in der resultierenden „Pyramide“ eine kleine Vertiefung. Gießen Sie eine Mischung aus gleichen Mengen Backpulver und Puderzucker in diesen Hohlraum. Wir übergießen alles mit Alkohol und zünden es an. Zuerst beobachten wir die Bildung kleiner dunkler Bläschen, dann das Erscheinen der „Natronotter“ selbst. Wie im vorherigen Experiment nimmt die Größe der Pharaonenschlange allmählich zu.

Erlebnis Nr. 6. „Explosion eines Gasgemisches.“

Der Zweck des Experiments: die Explosion eines Gemisches aus Luft und brennbarem Gas zu beobachten.

Reagenzien und Ausrüstung: Zink, Salzsäure, ein Gerät zur Gaserzeugung, ein Glas Wasser, Geschirrspülmittel, ein brennender Splitter.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Etwas Spülmittel in ein Glas Wasser geben und verrühren, bis ein leichter Schaum entsteht. In einem Gerät zur Gaserzeugung mischen wir Zink und Salzsäure und richten das Gasaustrittsrohr in ein Glas mit Wasser und Spülmittel. Bei der Reaktion von Zink mit Salzsäure wird Wasserstoff freigesetzt, der im Glas Schaum bildet. Wenn genug da ist

Schaum, entfernen Sie das Gasaustrittsrohr, bringen Sie den brennenden Splitter zum Schaum und beobachten Sie eine kleine Explosion.

Erlebnis Nr. 7. „Farbige Flamme“

Reagenzien und Ausrüstung: Kupferchlorid, Kupfer(II)sulfat, Speisesalz, Calciumfluorid, Ammoniumchlorid, Wasser, Alkohollampe, Nichrom-Drahtschleife.

Arbeitsfortschritt und Beobachtungen: Ammoniumchlorid im Verhältnis 1:1 mit jedem der Reagenzien mischen, mit Wasser verdünnen und die resultierende Aufschlämmung mischen. Dann haken wir eine kleine Menge jeder Substanz mit einer Schlaufe aus Nichromdraht ein und geben sie in die Brennerflamme, wobei wir die Flammenfärbungsreaktion beobachten. Das Ergebnis war: Die ursprüngliche Flamme war transparent mit einem bläulichen Farbton; Natriumchlorid (Speisesalz) färbte die Flamme gelb; Kupfer(II)sulfat – Kupfersulfat – grün; Kupferchlorid färbte sie hellblau und Kalziumfluorid verlieh der Flamme einen kaum wahrnehmbaren Rotton.

Referenzliste

1. .Kendivan, O.D.-S. Ein Wunder aus der Sicht eines Chemikers / O.D.-S. Kendivan //Chemie. Pädagogische und methodische Zeitschrift für Chemie- und Naturwissenschaftslehrer Nr. 5-6 ed. 1. September - Moskau, 2014. - S.45-52

2. Krasitsky, V.A. Künstliches Feuer: Geschichte und Moderne / V.A. Krasitsky // Chemie. Pädagogische und methodische Zeitschrift für Chemie- und Naturwissenschaftslehrer Nr. 1 ed. 1. September – Moskau, 2014. – S. 4-8

3. Unbekannt. Analytische Chemie. Semimikroanalyse [Elektronische Ressource] / Unbekannt // Analytische Chemie – Zugriffsmodus: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

4. Unbekannt. Verbrennung [Elektronische Ressource]/ Unbekannt // Kostenlose Enzyklopädie Wikipedia – Zugriffsmodus: https://ru.wikipedia.org/wiki/Combustion

5. Poltev, M.K. Kapitel X. Brandschutz. §1. Verbrennungsprozesse / M.K. Poltev // Arbeitssicherheit im Maschinenbau, hrsg. „Higher School“ – Moskau, 1980.

6. Ryumin, V.V. Verbrennung ohne Luft / V.V. Ryumin // Unterhaltsame Chemie, 7. Aufl. Junger Wächter. - Moskau, 1936. - S.58-59

7. Ryumin, V.V. Selbstentzündung / V.V. Ryumin // Unterhaltsame Chemie, 7. Aufl. Junger Wächter. - Moskau, 1936. - S.59

8. Stepin, B.D.; Alikberova, L. Yu. Spektakuläre Experimente / B.D. Stepin, L. Yu. Alikberova // Unterhaltsame Aufgaben und spektakuläre Experimente in der Chemie, hrsg. Bustard - Moskau, 2006. - S.

– eine anhaltende Kettenreaktion mit Verbrennung, bei der es sich um eine exotherme Reaktion handelt, bei der ein Oxidationsmittel, normalerweise Sauerstoff, einen Brennstoff, normalerweise Kohlenstoff, oxidiert und dabei Verbrennungsprodukte wie Kohlendioxid, Wasser, Wärme und Licht erzeugt. Ein typisches Beispiel ist die Methanverbrennung:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Die bei der Verbrennung erzeugte Wärme kann zum Antrieb der Verbrennung selbst genutzt werden. Wenn diese ausreicht und keine zusätzliche Energie zur Aufrechterhaltung der Verbrennung erforderlich ist, entsteht ein Brand. Um ein Feuer zu stoppen, können Sie den Brennstoff entfernen (den Brenner am Herd ausschalten), das Oxidationsmittel (das Feuer mit einem speziellen Material abdecken), die Hitze (Wasser auf das Feuer streuen) oder die Reaktion selbst entfernen.

Die Verbrennung ist in gewisser Weise das Gegenteil der Photosynthese, einer endothermen Reaktion, bei der Licht, Wasser und Kohlendioxid eintreten, um Kohlenstoff zu erzeugen.

Es ist verlockend anzunehmen, dass bei der Verbrennung von Holz der in der Zellulose enthaltene Kohlenstoff verbraucht wird. Es scheint jedoch etwas Komplexeres im Gange zu sein. Wenn Holz Hitze ausgesetzt wird, unterliegt es einer Pyrolyse (im Gegensatz zur Verbrennung, die keinen Sauerstoff benötigt) und wandelt es in brennbarere Stoffe wie Gase um. Diese Stoffe sind es, die sich bei Bränden entzünden.

Wenn das Holz lange genug brennt, verschwindet die Flamme, aber das Schwelen bleibt bestehen und insbesondere das Holz glüht weiter. Beim Schwelen handelt es sich um eine unvollständige Verbrennung, die im Gegensatz zur vollständigen Verbrennung zur Bildung von Kohlenmonoxid führt.

Alltagsgegenstände geben ständig Wärme ab, ein Großteil davon im Infrarotbereich. Seine Wellenlänge ist länger als die des sichtbaren Lichts und kann daher ohne spezielle Kameras nicht gesehen werden. Das Feuer ist hell genug, um sichtbares Licht zu erzeugen, erzeugt aber auch Infrarotstrahlung.

Ein weiterer Mechanismus für das Auftreten von Farbe im Feuer ist das Emissionsspektrum des verbrannten Objekts. Im Gegensatz zur Schwarzkörperstrahlung weist das Strahlungsspektrum diskrete Frequenzen auf. Dies liegt daran, dass Elektronen bei bestimmten Frequenzen Photonen erzeugen und dabei von einem Zustand hoher Energie in einen Zustand niedriger Energie übergehen. Mithilfe dieser Frequenzen können die in einer Probe vorhandenen Elemente bestimmt werden. Eine ähnliche Idee (unter Verwendung des Absorptionsspektrums) wird verwendet, um die Zusammensetzung von Sternen zu bestimmen. Das Emissionsspektrum ist auch für die Farbe von Feuerwerkskörpern und farbigem Licht verantwortlich.

Die Form einer Flamme auf der Erde hängt von der Schwerkraft ab. Wenn ein Feuer die Umgebungsluft erhitzt, kommt es zu Konvektion: Heiße Luft, die unter anderem heiße Asche enthält, steigt auf, kalte Luft (mit Sauerstoff) sinkt ab, unterstützt das Feuer und gibt der Flamme ihre Form. Bei geringer Schwerkraft, etwa auf einer Raumstation, passiert das nicht. Feuer wird durch die Diffusion von Sauerstoff angeheizt, daher brennt es langsamer und in Form einer Kugel (da die Verbrennung nur dort stattfindet, wo das Feuer mit sauerstoffhaltiger Luft in Kontakt kommt. Im Inneren der Kugel verbleibt kein Sauerstoff).

Schwarzkörperstrahlung

Die Schwarzkörperstrahlung wird durch die Plancksche Formel beschrieben, die sich auf die Quantenmechanik bezieht. Historisch gesehen war es eine der ersten Anwendungen der Quantenmechanik. Es kann wie folgt aus der quantenstatistischen Mechanik abgeleitet werden.

Wir berechnen die Häufigkeitsverteilung in einem Photonengas bei der Temperatur T. Dass sie mit der Häufigkeitsverteilung der von einem absolut schwarzen Körper gleicher Temperatur emittierten Photonen übereinstimmt, folgt aus dem Kirchhoffschen Strahlungsgesetz. Die Idee ist, dass der schwarze Körper mit dem Photonengas in ein Temperaturgleichgewicht gebracht werden kann (da beide die gleiche Temperatur haben). Das photonische Gas wird vom schwarzen Körper absorbiert, der auch Photonen aussendet. Daher ist es für das Gleichgewicht notwendig, dass der schwarze Körper für jede Frequenz, bei der er Strahlung aussendet, diese mit der gleichen Rate absorbiert, die durch die Häufigkeitsverteilung in bestimmt wird das Gas.

In der statistischen Mechanik ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein System im Mikrozustand s befindet, wenn es sich bei der Temperatur T im thermischen Gleichgewicht befindet, proportional

Dabei ist E s die Energie des Zustands s und β = 1 / k B T oder thermodynamisches Beta (T ist die Temperatur, k B ist die Boltzmann-Konstante). Dies ist die Boltzmann-Verteilung. Eine Erklärung hierfür findet sich im Blogbeitrag von Terence Tao. Dies bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit gleich ist

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Wobei Z(β) die Normalisierungskonstante ist

Z(β) = ∑ s e - β E s

Um den Zustand eines Photonengases zu beschreiben, muss man etwas über das Quantenverhalten von Photonen wissen. Bei der Standardquantisierung eines elektromagnetischen Feldes kann das Feld als eine Reihe harmonischer Quantenschwingungen betrachtet werden, die jeweils mit unterschiedlichen Winkelfrequenzen ω schwingen. Die Energien der Eigenzustände eines harmonischen Oszillators werden durch eine nichtnegative ganze Zahl n ∈ ℤ ≥ 0 bezeichnet, die als Anzahl der Photonen der Frequenz ω interpretiert werden kann. Eigenzustandsenergien (bis zu einer Konstanten):

Die Quantennormalisierungskonstante wiederum sagt voraus, dass die klassische Antwort bei niedrigen Frequenzen (relativ zur Temperatur) annähernd korrekt ist, bei hohen Frequenzen die durchschnittliche Energie jedoch exponentiell abfällt, wobei der Abfall bei niedrigeren Temperaturen größer ist. Dies liegt daran, dass ein quantenharmonischer Oszillator bei hohen Frequenzen und niedrigen Temperaturen die meiste Zeit im Grundzustand verbringt und nicht so leicht in die nächste Ebene übergeht, was exponentiell unwahrscheinlicher ist. Physiker sagen, dass der größte Teil dieses Freiheitsgrades (die Freiheit eines Oszillators, mit einer bestimmten Frequenz zu schwingen) „eingefroren“ ist.

Zustandsdichte und Plancksche Formel

Da man nun weiß, was bei einer bestimmten Frequenz ω passiert, muss man über alle möglichen Frequenzen summieren. Dieser Teil der Berechnungen ist klassisch und es müssen keine Quantenkorrekturen vorgenommen werden.

Wir verwenden die Standardvereinfachung, dass das Photonengas in einem Volumen mit einer Seitenlänge L mit periodischen Randbedingungen eingeschlossen ist (d. h. in Wirklichkeit wird es ein flacher Torus T = ℝ 3 / L ℤ 3 sein). Mögliche Frequenzen werden nach Lösungen der elektromagnetischen Wellengleichung für stehende Wellen in einem Volumen mit vorgegebenen Randbedingungen klassifiziert, die wiederum bis auf einen Faktor den Eigenwerten des Laplace-Operators Δ entsprechen. Genauer gesagt, wenn Δ υ = λ υ, wobei υ(x) eine glatte Funktion T → ℝ ist, dann lautet die entsprechende Lösung der elektromagnetischen Wellengleichung für eine stehende Welle

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

Und da λ normalerweise negativ ist und √λ daher normalerweise imaginär ist, ist die entsprechende Frequenz gleich

ω = c √(-λ)

Diese Frequenz tritt dim V λ mal auf, wobei V λ der λ-Eigenwert des Laplace-Operators ist.

Wir vereinfachen die Bedingungen anhand eines Volumens mit periodischen Randbedingungen, da es in diesem Fall sehr einfach ist, alle Eigenfunktionen des Laplace-Operators aufzuschreiben. Wenn wir der Einfachheit halber komplexe Zahlen verwenden, sind sie definiert als

υ k (x) = e i k x

Wobei k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, Wellenvektor. Der entsprechende Eigenwert des Laplace-Operators wird sein

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Die entsprechende Frequenz wird sein

Und die entsprechende Energie (ein Photon dieser Frequenz)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Hier approximieren wir die Wahrscheinlichkeitsverteilung über mögliche Häufigkeiten ω k , die streng genommen diskret sind, durch eine kontinuierliche Wahrscheinlichkeitsverteilung und berechnen die entsprechende Zustandsdichte g(ω). Die Idee ist, dass g(ω) dω der Anzahl der verfügbaren Zustände mit Frequenzen im Bereich von ω bis ω + dω entsprechen sollte. Anschließend integrieren wir die Zustandsdichte, um die endgültige Normalisierungskonstante zu erhalten.

Warum ist diese Näherung sinnvoll? Die vollständige Normalisierungskonstante kann wie folgt beschrieben werden. Für jede Wellenzahl k ∈ 2 π / L * ℤ 3 gibt es eine Zahl n k ∈ ℤ ≥0, die die Anzahl der Photonen mit dieser Wellenzahl beschreibt. Die Gesamtzahl der Photonen n = ∑ n k ist endlich. Jedes Photon fügt ℏ ω k = ℏ c |k| zur Energie hinzu, was bedeutet, dass

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Für alle Wellenzahlen k wird daher ihr Logarithmus als Summe geschrieben

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Und wir wollen diese Summe durch ein Integral approximieren. Es stellt sich heraus, dass sich der Integrand bei angemessenen Temperaturen und großen Volumina sehr langsam mit k ändert, sodass diese Näherung sehr nahe kommt. Erst bei extrem niedrigen Temperaturen, bei denen Bose-Einstein-Kondensat entsteht, funktioniert es nicht mehr.

Die Zustandsdichte wird wie folgt berechnet. Wellenvektoren können als einheitliche Gitterpunkte dargestellt werden, die im „Phasenraum“ leben, d. h. die Anzahl der Wellenvektoren in einem bestimmten Bereich des Phasenraums ist proportional zu seinem Volumen, zumindest für Bereiche, die im Vergleich zur Gitterteilung 2π/L groß sind . Im Wesentlichen ist die Anzahl der Wellenvektoren im Phasenraumbereich gleich V/8π 3, wobei V = L 3, unser begrenztes Volumen.

Es bleibt noch das Volumen des Phasenraumbereichs für alle Wellenvektoren k mit Frequenzen ω k = c |k| zu berechnen im Bereich von ω bis ω + dω. Dabei handelt es sich um eine Kugelschale mit der Dicke dω/c und dem Radius ω/c, also ihrem Volumen

2πω 2 /c 3 dω

Daher die Zustandsdichte für ein Photon

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Tatsächlich ist diese Formel doppelt so niedrig: Wir haben vergessen, die Polarisation der Photonen (oder gleichwertig den Spin des Photons) zu berücksichtigen, wodurch sich die Anzahl der Zustände für eine gegebene Wellenzahl verdoppelt. Richtige Dichte:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Die Tatsache, dass die Zustandsdichte im Volumen V linear ist, funktioniert nicht nur in einem flachen Torus. Dies ist eine Eigenschaft der Eigenwerte des Laplace-Operators nach dem Weylschen Gesetz. Dies bedeutet, dass der Logarithmus der Normalisierungskonstante ist

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Die Ableitung nach β ergibt die durchschnittliche Energie des Photonengases

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Was für uns aber wichtig ist, ist der Integrand, der die „Energiedichte“ angibt.

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Beschreibt die Menge an Photonengasenergie, die von Photonen mit Frequenzen im Bereich ω bis ω + dω stammt. Das Endergebnis ist eine Form von Plancks Formel, obwohl es ein wenig Fummelei erfordert, sie in eine Formel umzuwandeln, die eher für schwarze Körper als für photonische Gase gilt (Sie müssen durch V dividieren, um die Dichte pro Volumeneinheit zu erhalten, und einige Schritte ausführen). weitere Dinge, um die Strahlung zu messen).

Plancks Formel weist zwei Einschränkungen auf. Für den Fall, dass βℏω → 0, tendiert der Nenner zu βℏω, und wir erhalten

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

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Die Zusammensetzung der Flamme in ihren verschiedenen Teilen ist sehr heterogen, da sie von der Zusammensetzung des Gasgemisches und den Bedingungen der Luftansaugung abhängt, d. h. von der Strömungsgeschwindigkeit des Gemisches und dem Druck der umgebenden Atmosphäre.
Für den Schweißprozess ist die Zusammensetzung der mittleren Arbeitszone der Flamme von größter Bedeutung.
Die chemische Zusammensetzung der Flamme kann experimentell bestimmt werden – direkt durch chemische Analyse ausgewählter Proben oder durch die Spektralmethode. Es gibt auch ungefähre Berechnungsmethoden.
Eine direkte chemische Analyse der Flammenzusammensetzung kann keine höhere Genauigkeit der Ergebnisse beanspruchen, da sich bei der Probenentnahme aus verschiedenen Flammenzonen die Zusammensetzung des Gases beim Abkühlen ändern kann.
Die chemische Analyse der Verbrennungsprodukte einer Acetylen-Sauerstoff-Flamme wird normalerweise in Zonen durchgeführt, die in einiger Entfernung vom inneren Kern der Flamme liegen. Die Zusammensetzung instabiler Zwischenprodukte der pyrogenen Zersetzung von Acetylen im inneren Kern der Flamme lässt sich am genauesten durch Spektralanalyse bestimmen. Beispielsweise ergab die Spektralanalyse des inneren Kerns der Flamme ein Spektrum eines Kohlenwasserstoffs mit Banden, die von einem Kohlenstoffmolekül emittiert wurden. Die Spektralanalyse der äußeren Zone der Flamme zeigt auch das Vorhandensein des OH-Radikals usw.
Die Grundlagen zur Regulierung der Zusammensetzung der Acetylen-Sauerstoff-Schweißflamme wurden von A.N. entwickelt. Schaschkow, der die allgemeinen Grundsätze zur Bestimmung der optimalen Zusammensetzung eines Gemisches aus brennbarem Gas und Sauerstoff beim Schweißen von Stählen festlegte.
Die bisher akzeptierte Einteilung der Flamme in neutrale, reduzierende und oxidierende Flammen, wie die Studien von A.N. Shashkov ist unbegründet, da eine wirklich neutrale Flamme bei einer bestimmten Zusammensetzung, Temperatur und einem bestimmten Druck das Metall weder oxidiert noch desoxidiert, sondern gleichzeitig im Gleichgewicht mit dem Metall selbst und seinem unteren Oxid steht. Eine neutrale Schweißflamme mit einem Gasmischungsverhältnis von 1,1-1,2 wirkt der Oxidation intensiv entgegen und stellt in manchen Fällen, beispielsweise beim Schweißen von Eisen, Kupfer und Nickel, das Metall des Schweißbades aufgrund der erforderlichen Konzentration wieder her aus Kohlenmonoxid in der mittleren Zone der Flamme und Wasserstoff – atomar und molekular.
Auch der Begriff „Reduktionsflamme“ ist bei einer Flamme mit Acetylenüberschuss unbegründet und falsch, da eine solche Flamme das Metall des Schweißbades nicht reduziert, sondern aufkohlt.
Aus dem Gleichgewichtsdiagramm von H 2 und CO mit Eisenoxid und Eisen (Abb. 37 und 38) wird deutlich, dass nur solche Gemischzusammensetzungen neutral sind, die auf den Gleichgewichtslinien (Diagrammlinie) liegen und daher grob eingestellt sind Bei Verwendung einer Schweißflamme ist die Wahrscheinlichkeit, eine neutrale Flamme zu erhalten, vernachlässigbar. Die Untergrenze des Sauerstoffgehalts in einem Gasgemisch wird aus dem Zustand der Oxidation des gesamten Kohlenstoffs zu CO bestimmt.
Aus der Verbrennungsreaktion von Acetylen in Sauerstoff sollte das Volumenverhältnis von Sauerstoff zu Acetylen 1 betragen, allerdings unter Berücksichtigung der Tatsache, dass ein kleiner Teil des Wasserstoffs aufgrund des Sauerstoffs des brennbaren Gemisches zu Wasserdampf verbrennt, sowie Aufgrund der Sauerstoffverunreinigung sollte der Mindestsauerstoffgehalt in der Mischung höher sein und 1,05-1,1 entsprechen.

Bei Sauerstoffmangel weist die Flamme einen Überschuss an freiem Kohlenstoff auf, der im Luftsauerstoff verbrennt und eine zusätzliche Zone in Form eines weißlichen Kegels bildet, der den Flammenkern umrahmt und das Metall dabei aufkohlen kann Schweißen.
Beim Schweißen von kohlenstoffarmem Stahl wird die Obergrenze des Sauerstoffgehalts in einer normalen Flamme durch die Bedingung eines heterogenen Gleichgewichts von CO und H 2 mit Eisenoxid FeO festgelegt.
Quantitativ hängt diese Obergrenze von vielen Parametern ab, vor allem von der Temperatur des Schweißbades und der Zusammensetzung des Brenngases.

Beim Verbrennungsprozess entsteht eine Flamme, deren Struktur durch die reagierenden Stoffe bestimmt wird. Seine Struktur ist je nach Temperaturindikatoren in Bereiche unterteilt.

Definition

Als Flamme bezeichnet man Gase in heißer Form, in denen Plasmabestandteile oder Stoffe in fester, dispergierter Form vorliegen. In ihnen finden Umwandlungen physikalischer und chemischer Art statt, begleitet von Glühen, Freisetzung von Wärmeenergie und Erwärmung.

Das Vorhandensein ionischer und radikalischer Teilchen in einem gasförmigen Medium charakterisiert dessen elektrische Leitfähigkeit und sein besonderes Verhalten in einem elektromagnetischen Feld.

Was sind Flammen?

Dies ist üblicherweise die Bezeichnung für Prozesse, die mit der Verbrennung einhergehen. Im Vergleich zu Luft ist die Gasdichte geringer, bei hohen Temperaturen steigt das Gas jedoch auf. Dadurch entstehen Flammen, die lang oder kurz sein können. Oft gibt es einen fließenden Übergang von einer Form zur anderen.

Flamme: Struktur und Struktur

Um das Auftreten des beschriebenen Phänomens zu bestimmen, genügt es, es anzuzünden. Die entstehende nicht leuchtende Flamme kann nicht als homogen bezeichnet werden. Optisch lassen sich drei Hauptbereiche unterscheiden. Die Untersuchung der Struktur einer Flamme zeigt übrigens, dass verschiedene Stoffe unter Bildung unterschiedlicher Fackeltypen verbrennen.

Beim Verbrennen eines Gas-Luft-Gemisches entsteht zunächst eine kurze Fackel, deren Farbe blaue und violette Farbtöne aufweist. Darin ist der Kern sichtbar – grünblau, der an einen Kegel erinnert. Betrachten wir diese Flamme. Seine Struktur ist in drei Zonen unterteilt:

Es wird ein Vorbereitungsbereich identifiziert, in dem das Gas-Luft-Gemisch beim Austritt aus der Brenneröffnung erhitzt wird.
Daran schließt sich die Zone an, in der die Verbrennung stattfindet. Es nimmt die Spitze des Kegels ein.
Bei unzureichender Luftströmung verbrennt das Gas nicht vollständig. Es werden zweiwertige Kohlenstoffoxide und Wasserstoffreste freigesetzt. Ihre Verbrennung findet im dritten Bereich statt, wo Sauerstoffzugang besteht.

Nun werden wir verschiedene Verbrennungsprozesse separat betrachten.

Brennende Kerze

Das Abbrennen einer Kerze ähnelt dem Abbrennen eines Streichholzes oder Feuerzeugs. Und die Struktur einer Kerzenflamme ähnelt einem heißen Gasstrom, der durch Auftriebskräfte nach oben gezogen wird. Der Prozess beginnt mit dem Erhitzen des Dochtes, gefolgt von der Verdampfung des Wachses.

Die unterste Zone, die sich innerhalb und neben dem Gewinde befindet, wird als erste Region bezeichnet. Aufgrund der großen Menge Kraftstoff, aber einer geringen Menge Sauerstoffgemisch leuchtet es leicht. Hier findet der Prozess der unvollständigen Verbrennung von Stoffen statt, die anschließend oxidiert werden.

Die erste Zone ist von einer leuchtenden zweiten Hülle umgeben, die die Struktur der Kerzenflamme prägt. Es dringt eine größere Sauerstoffmenge ein, wodurch die Oxidationsreaktion unter Beteiligung von Kraftstoffmolekülen fortgesetzt wird. Die Temperaturen werden hier höher sein als in der dunklen Zone, aber nicht ausreichend für die endgültige Zersetzung. In den ersten beiden Bereichen entsteht ein leuchtender Effekt, wenn Tröpfchen unverbrannten Brennstoffs und Kohlepartikel stark erhitzt werden.

Die zweite Zone ist von einer kaum sichtbaren Hülle mit hohen Temperaturwerten umgeben. Es gelangen viele Sauerstoffmoleküle hinein, was zur vollständigen Verbrennung der Kraftstoffpartikel beiträgt. Nach der Oxidation von Stoffen wird in der dritten Zone kein Leuchteffekt beobachtet.

Schematische Illustration

Zur Verdeutlichung präsentieren wir Ihnen ein Bild einer brennenden Kerze. Der Flammenkreislauf umfasst:

Der erste oder dunkle Bereich.
Zweite Leuchtzone.
Die dritte transparente Hülle.

Der Kerzenfaden verbrennt nicht, es kommt lediglich zur Verkohlung des gebogenen Endes.

Brennende Alkohollampe

Für chemische Experimente werden oft kleine Alkoholtanks verwendet. Sie werden Alkohollampen genannt. Der Brennerdocht wird mit flüssigem Brennstoff getränkt, der durch das Loch gegossen wird. Dies wird durch den Kapillardruck erleichtert. Wenn die freie Dochtspitze erreicht ist, beginnt der Alkohol zu verdampfen. Im Dampfzustand wird es entzündet und verbrennt bei einer Temperatur von maximal 900 °C.

Die Flamme einer Alkohollampe hat eine normale Form, sie ist fast farblos mit einem leichten Blaustich. Seine Zonen sind nicht so deutlich sichtbar wie die einer Kerze.

Benannt nach dem Wissenschaftler Barthel, befindet sich der Brandherd oberhalb des Brennergitters. Diese Vertiefung der Flamme führt zu einer Verkleinerung des inneren dunklen Kegels und der mittlere Abschnitt, der als der heißeste gilt, tritt aus dem Loch heraus.

Farbcharakteristik

Durch elektronische Übergänge werden verschiedene Strahlungen verursacht. Sie werden auch thermisch genannt. So entsteht bei der Verbrennung einer Kohlenwasserstoffkomponente in der Luft eine blaue Flamme durch die Freisetzung einer H-C-Verbindung. Und wenn C-C-Partikel emittiert werden, verfärbt sich die Fackel orangerot.

Es ist schwierig, die Struktur einer Flamme zu betrachten, deren Chemie Verbindungen aus Wasser, Kohlendioxid und Kohlenmonoxid sowie die OH-Bindung umfasst. Seine Zungen sind praktisch farblos, da die oben genannten Partikel beim Verbrennen Strahlung im ultravioletten und infraroten Spektrum abgeben.

Die Farbe der Flamme hängt mit Temperaturindikatoren und dem Vorhandensein ionischer Partikel darin zusammen, die zu einem bestimmten Emissions- oder optischen Spektrum gehören. So führt die Verbrennung bestimmter Elemente zu einer Veränderung der Farbe des Feuers im Brenner. Unterschiede in der Farbe der Fackel hängen mit der Anordnung der Elemente in verschiedenen Gruppen des Periodensystems zusammen.

Feuer wird mit einem Spektroskop auf das Vorhandensein von Strahlung im sichtbaren Spektrum untersucht. Gleichzeitig wurde festgestellt, dass auch einfache Stoffe aus der allgemeinen Untergruppe eine ähnliche Färbung der Flamme bewirken. Der Klarheit halber wird die Natriumverbrennung als Test für dieses Metall verwendet. Wenn man sie in die Flamme bringt, verfärben sich die Zungen leuchtend gelb. Anhand der Farbeigenschaften wird die Natriumlinie im Emissionsspektrum identifiziert.

Es zeichnet sich durch die Eigenschaft aus, die Lichtstrahlung atomarer Teilchen schnell anzuregen. Wenn nichtflüchtige Verbindungen solcher Elemente in das Feuer eines Bunsenbrenners eingebracht werden, verfärbt es sich.

Die spektroskopische Untersuchung zeigt charakteristische Linien im für das menschliche Auge sichtbaren Bereich. Die Geschwindigkeit der Anregung der Lichtstrahlung und die einfache Spektralstruktur stehen in engem Zusammenhang mit den hohen elektropositiven Eigenschaften dieser Metalle.

Charakteristisch

Die Flammenklassifizierung basiert auf folgenden Merkmalen:

Aggregatzustand brennender Verbindungen. Sie kommen in gasförmiger, luftgetragener, fester und flüssiger Form vor;
Art der Strahlung, die farblos, leuchtend und farbig sein kann;
Verteilungsgeschwindigkeit. Es gibt eine schnelle und eine langsame Ausbreitung;
Flammenhöhe. Die Struktur kann kurz oder lang sein;
Art der Bewegung reagierender Gemische. Es gibt pulsierende, laminare, turbulente Bewegungen;
visuelle Wahrnehmung. Stoffe verbrennen unter Freisetzung einer rauchigen, farbigen oder transparenten Flamme;
Temperaturanzeige. Die Flamme kann niedrige Temperatur, Kälte und hohe Temperatur haben.
Zustand des Kraftstoffs – Oxidationsreagensphase.

Die Verbrennung erfolgt durch Diffusion oder Vorvermischung der aktiven Komponenten.

Oxidations- und Reduktionsbereich

Der Oxidationsprozess findet in einer kaum wahrnehmbaren Zone statt. Es ist am heißesten und liegt ganz oben. Darin werden Kraftstoffpartikel vollständig verbrannt. Und das Vorhandensein eines Sauerstoffüberschusses und eines Mangels an brennbaren Stoffen führt zu einem intensiven Oxidationsprozess. Diese Funktion sollte beim Erhitzen von Gegenständen über dem Brenner verwendet werden. Deshalb wird die Substanz in den oberen Teil der Flamme eingetaucht. Diese Verbrennung verläuft viel schneller.

Im mittleren und unteren Teil der Flamme finden Reduktionsreaktionen statt. Es enthält einen großen Vorrat an brennbaren Stoffen und eine kleine Menge an O 2 -Molekülen, die die Verbrennung bewirken. Beim Einbringen in diese Bereiche wird das O-Element eliminiert.

Als Beispiel für eine reduzierende Flamme wird der Prozess der Eisensulfatspaltung herangezogen. Wenn FeSO 4 in den zentralen Teil des Brennerbrenners gelangt, erhitzt es sich zunächst und zerfällt dann in Eisenoxid, Anhydrid und Schwefeldioxid. Bei dieser Reaktion wird eine Reduktion von S mit einer Ladung von +6 bis +4 beobachtet.

Schweißflamme

Diese Art von Feuer entsteht durch die Verbrennung eines Gemisches aus Gas oder Flüssigkeitsdampf mit Sauerstoff aus sauberer Luft.

Ein Beispiel ist die Entstehung einer Autogenflamme. Es unterscheidet:

Kernzone;
mittlerer Erholungsbereich;
Flare-Extremzone.

So viele Gas-Sauerstoff-Gemische verbrennen. Unterschiede im Verhältnis von Acetylen zu Oxidationsmittel führen zu unterschiedlichen Flammentypen. Es kann eine normale, aufkohlende (acetylenische) und oxidierende Struktur haben.

Theoretisch kann der Prozess der unvollständigen Verbrennung von Acetylen in reinem Sauerstoff durch die folgende Gleichung charakterisiert werden: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (für die Reaktion ist ein Mol O 2 erforderlich).

Der entstehende molekulare Wasserstoff und Kohlenmonoxid reagieren mit Luftsauerstoff. Die Endprodukte sind Wasser und vierwertiges Kohlenoxid. Die Gleichung sieht folgendermaßen aus: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 + H 2 O. Diese Reaktion erfordert 1,5 Mol Sauerstoff. Bei der Summierung von O 2 stellt sich heraus, dass pro 1 Mol HCCH 2,5 Mol verbraucht werden. Und da es in der Praxis schwierig ist, ideal reinen Sauerstoff zu finden (oft ist er leicht mit Verunreinigungen verunreinigt), beträgt das Verhältnis von O 2 zu HCCH 1,10 zu 1,20.

Wenn das Verhältnis von Sauerstoff zu Acetylen weniger als 1,10 beträgt, entsteht eine aufkohlende Flamme. Seine Struktur hat einen vergrößerten Kern, seine Umrisse verschwimmen. Aufgrund des Mangels an Sauerstoffmolekülen wird bei einem solchen Brand Ruß freigesetzt.

Ist das Gasverhältnis größer als 1,20, entsteht eine oxidierende Flamme mit einem Sauerstoffüberschuss. Seine überschüssigen Moleküle zerstören Eisenatome und andere Bestandteile des Stahlbrenners. In einer solchen Flamme wird der Kernteil kurz und weist Spitzen auf.

Temperaturindikatoren

Jede Brennzone einer Kerze oder eines Brenners hat ihre eigenen Werte, die durch die Zufuhr von Sauerstoffmolekülen bestimmt werden. Die Temperatur der offenen Flamme in ihren verschiedenen Teilen liegt zwischen 300 °C und 1600 °C.

Ein Beispiel ist eine Diffusions- und Laminarflamme, die aus drei Schalen besteht. Sein Kegel besteht aus einem dunklen Bereich mit einer Temperatur von bis zu 360 °C und einem Mangel an oxidierenden Substanzen. Darüber befindet sich eine Leuchtzone. Seine Temperatur liegt zwischen 550 und 850 °C, was die thermische Zersetzung des brennbaren Gemisches und dessen Verbrennung fördert.

Der Außenbereich ist kaum wahrnehmbar. Darin erreicht die Flammentemperatur 1560 °C, was auf die natürlichen Eigenschaften der Brennstoffmoleküle und die Eintrittsgeschwindigkeit des oxidierenden Stoffes zurückzuführen ist. Hier ist die Verbrennung am energiereichsten.

Stoffe entzünden sich unter unterschiedlichen Temperaturbedingungen. Daher brennt Magnesiummetall erst bei 2210 °C. Bei vielen Feststoffen liegt die Flammentemperatur bei etwa 350 °C. Streichhölzer und Kerosin können sich bei 800 °C entzünden, während sich Holz bei 850 °C bis 950 °C entzünden kann.

Die Zigarette brennt mit einer Flamme, deren Temperatur zwischen 690 und 790 °C variiert, und in einem Propan-Butan-Gemisch – zwischen 790 °C und 1960 °C. Benzin entzündet sich bei 1350 °C. Die Flamme der Alkoholverbrennung hat eine Temperatur von maximal 900 °C.