Проведя этот несложный опыт, ты убедишься, что без кислорода пламя гаснет. Возьми свечу и укрепи ее на тарелке. Попроси взрослых зажечь свечу, затем накрой ее стеклянной банкой. Через некоторое время ты увидишь, что пламя погасло, так как кислород в банке закончился.

Пламя образуется при горении веществ, находящихся в различных состояниях - они могут быть, и твердыми, и жидкими, и даже газообразными. Образуется пламя только при наличии горючего вещества, кислорода и тепла. Рассмотрим процесс на примере спички: сера и сама спичка, являются горючим веществом, трение о коробок; энергия, возникающая в результате трения - становится теплом, и входя в реакцию с кислородом - спичка начинает гореть. Дунув на горящую спичку, температура снижается и горение прекращается.

Как измеряют температуру?

Для измерения температуры используют разные шкалы. Каждая шкала носит имя своего создателя: Цельсия, Фаренгейта, Кельвина и Ранкина. В большинстве стран пользуются шкалой Цельсия (°С).
Вот некоторые примеры температур:
250 °С — температура возгорания древесины;
100 °С — температура кипения воды;
37 °С — температура человеческого тела;
О °С — температура замерзания воды;
- 39 °С — температура затвердевания ртути;
- 273 °С — абсолютный нуль температура, при которой атомы перестают двигаться.

Продукты горения

Дым, пепел и сажа это продукты горения. Когда вещество сгорает, оно не исчезает, а превращается в другие вещества и тепло.

Форма пламени

Пламя имеет удлиненную форму, потому что горячий воздух, более легкий, чем холодный, устремляется вверх.

Что такое горючее или топливо

Вещества, сгорающие в присутствии кислорода с выделением большого количества тепла, называются горючими и используются для производства разного вида энергии. Древесина и уголь — это твердое горючее. Бензин, солярка и керосин — жидкое горючее, его получают из нефти. Природный газ, состоящий из метана, этана, пропана и бутана, — газообразное топливо.

Введение

Актуальность темы. Без огня невозможна жизнь на Земле. Мы видим огонь каждый день – плита, костер, печка и т.д. Он всюду – в домах и школах, на заводах и фабриках, в двигателях космических кораблей. Вечный Огонь горит на площади Славы, в храмах всегда горят свечи …

Все лето по телевизору показывали лесные пожары. Сгорело безвозвратно большое количество деревьев, которые давали нам воздух. Могли бы стать интересными книгами и нашими школьными тетрадями. Погибли животные. Сгорели целые деревни, люди остались без жилищ.

Интересный и загадочный этот огонь!

Для детей о пожарах и мерах безопасности написано достаточно много книг, в том числе литературных произведений (“Дядя степа” С. Михалкова, “Путаница” К. Чуковского, “Кошкин дом” С. Маршака и т.д.). Но такие источники, в которых описываются подробно и свойства огня, и его польза встречаются редко. Наша работа – это попытка восполнить такой пробел.

Цель работы: Исследование значения огня для человека.

Задачи. В этой работе мы изучаем свойства огня и отвечаем на вопрос: Что такое огонь? Также разбираемся, как эти свойства используют люди. Каким образом и почему огонь может помочь и навредить людям? (Приложение 1).

Мы использовали справочную литературу: словарь, энциклопедию, некоторые книги для взрослых, и информацию из сети Интернет.

1. Что такое огонь? Основные свойства огня

В детской энциклопедии есть такое определение огня и горения: “это химическая реакция, в которой одно из веществ настолько нагревается, что соединяется с кислородом воздуха”. В толковом словаре русского языка читаем: “Огонь – горящие светящиеся газы высокой температуры” . После прочтения этой информации, автор данной работы так и не понял, что же такое огонь и решил дать такое ему определение, которое было бы понятно ученикам начальной школы. Для этого нужно выявить основные его свойства.

Основные свойства огня изучаем при помощи методов эксперимента (опытов) и наблюдения. Проделаем несколько опытов.

Примечание. Все опыты проводились в присутствии и с помощью взрослых, при этом были соблюдены правила безопасности: использовали негорящую поверхность (стеклянную доску) и приготовили кувшин с водой.

Описание опытов:

Опыт № 1. В темное время суток выключили в комнате свет. Стало темно, ничего не видно. Зажгли свечу, стали видны очертания предметов и людей.

Вывод: 1 свойство: Огонь излучает свет! (См.: Приложение , слайд 4)

Даже небольшое пламя свечи может освещать комнату. Вот почему в запасе у мамы всегда есть свечи – на случай отключения электричества.

Опыт № 2. Очень осторожно попробуем поднести руку к пламени свечи. На расстоянии 20 см становится очень тепло, ниже – из-за жжения опустить руку нельзя.

Вывод: 2 свойство: Огонь выделяет много тепла! (См.: Приложение, слайд 5).

Опыт № 3. Накроем горящую свечу стеклянной банкой. Через несколько секунд пламя гаснет. То же происходит и с газовой конфоркой. Для достоверности мы повторили опыт 3 раза. Результат всегда один – пламя прекращает гореть.

Вывод: 3 свойство: для того, чтобы огонь горел, нужен воздух, а точнее кислород, который он содержит. (См.: Приложение, слайд 6).

Итак, мы выяснили главные свойства огня и уже можем ответить на вопрос: что такое огонь?

Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло.

Продолжим изучение свойств огня.

1) Наблюдаем за пламенем свечи. Форма спокойного пламени, заостренная кверху похожа на конус. Если потихоньку подуть на пламя свечи, то форма меняется, оно отклоняется от потока воздуха. То же происходит, если поднести свечу к приоткрытому окну.

Вывод: форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Это свойство используют при разжигании костра. (См.: Приложение, слайды 9,10,11).

2) Рассмотрим цвет пламени. Цвет не везде одинаков, пламя имеет слои: самый нижний слой голубоватого оттенка, затем светло-желтый слой, после него – самый верхний красновато-оранжевый. (См.: Приложение, слайд 13).

Но это еще не все о цвете.

Мы заметили, что газ на кухне всегда горит голубым цветом, а дерево - желто-оранжевым. Наблюдая за горением тонкую проволочку из меди, от электрического шнура, мы обнаружили, что пламя при этом окрашивается в зеленый цвет. (См.: Приложение, слайды 14, 17, 18, 19).

Выводы: 1. Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Так вот как получается такой красивый фейерверк! 2. Значит можно определить, неизвестное вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).

Опыт № 5. Температура пламени. Возьмем ту же тонкую медную проволочку. Кончик такой проволочки, держа ее поперек пламени, помещаем в разных местах и на различной высоте в пламя и наблюдаем действие пламени на проволочку. Наблюдения обнаруживают следующее:

• В нижней части пламени проволочка не светится, не горит, только покрылась черным налетом.
• В средней части проволочка накаливается, начинает светится красным цветом.
• В самой верхней части пламени проволочка загорается, окрашивая пламя в зеленоватый оттенок.

Значит, температура в разных слоях пламени различная. Это подтверждается и опытом с поднесением к пламени руки. Мы помним, что сверху можно поднести руку только на 20 см. Если поднести палец к нижней части пламени, тепло чувствуется только на расстоянии 1 см.

Вывод: пламя имеет несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. В нижней части пламя самое холодное, а верхней – самое горячее. (См.: Приложение, слайд 20).

2. Значение огня: польза и вред

В результате проведенных опытов, собственных наблюдений, а также из прочитанного материала мы убедились, что люди постоянно используют огонь в своей жизни, и он приносит им очень большую пользу.

1. В быту: для отопления помещений, приготовления пищи, нагревания воды, освещения - если электричество не работает. Еще огонь служит для уюта. Например, камин или ароматические свечи.
2. Как оказалось, полезные свойства огня используют на многих заводах и фабриках. Огонь плавит металл, после чего ему придают какую-нибудь форму. Также огнем режут металл или наоборот, сваривают его. Таким образом, его используют, например, для того, чтобы делать различные машины и механизмы.

Еще огонь используется при:

• Изготовлении стеклянной и глиняной посуды.
• Производстве пластмасс, красок.
• Изготовлении лекарств.
• Переработке отходов.

И это еще не весь список “добрых” дел огня.

Вывод: Огонь очень нужен людям. Он согревает, кормит и освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.

Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать. Он способен и очень навредить. Речь идет о пожарах. Пожар – это когда огонь горит без желания человека и все разрушает.

Большой ущерб нашему государству и населению приносят пожары. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому. (См.: Приложение, слайд 26).

Пожар вреден тем, что: от пожаров гибнут люди и получают сильные ожоги, люди лишаются дома, от пожаров исчезают леса и гибнут все их обитатели: животные, птицы, пожар может уничтожить все, что человек создавал своим трудом.

Немного статистики. Только представьте, что ежегодно в мире происходит около 5 миллионов пожаров! Каждый час в огне погибает один человек, два получают травмы и ожоги. Каждый третий погибший – ребенок.

Как они возникают? Из-за неосторожного обращения с огнем, недобросовестного отношения к мерам безопасности.

О пожарах, о бедах, которые приносит огонь написано много книг. В том числе детских. Почему же для детей написано много книг о пожарах? Мы думаем, что потому что пожары очень часто возникают по вине детей.

Хотим напомнить всем ребятам:

Никогда не играйте с огнем!

Разжигать огонь можно только в присутствии взрослых и под их присмотром.

В местах разведения костров, другого использования огня должны быть под рукой средства тушения.

Нельзя оставлять огонь без присмотра.

Когда огонь уже не нужен, он должен быть хорошо потушен.

Заключение

Таким образом, в результате проведенной работы мы дали понятное для детей определение огня: “Огонь – это такой процесс, при котором поглощается кислород и выделяется свет и тепло”.

А также выяснили: Пламя имеет определенную форму, несколько слоев, отличающихся не только по цвету, но и температурой. При этом форму пламени можно изменить при помощи потока воздуха. Знание этих свойств помогает людям использовать огонь более эффективно.

Разные вещества и материалы горят с разным цветом пламени. Значит можно определить, какое-то вещество по цвету пламени, надо только поджечь (как один из способов).

Вообще, огонь очень нужен людям, он согревает, кормит, освещает. Современный человек использует огонь постоянно. Невозможно представить себе жизнь без огня.

Но огонь очень опасен! Его всегда нужно контролировать, нельзя оставлять без присмотра. Он способен и очень навредить. Пожар – явление очень страшное, жестокое, враждебное всему живому.

Конечно, мы исследовали не всё о таком удивительном явлении как огонь. Поэтому в дальнейшем возможно исследовать такие вопросы: как люди научились разжигать огонь, каковы были первые способы? Какие вещества не горят и почему? Как делают фокусы с огнем? Также интересна тема “Огонь и оружие”.

Результаты данной работы можно использовать как вспомогательный материал на занятиях о мире вокруг нас (окружающему миру) в детском саду и начальной школе. Для детей интересующихся огнём такой материал будет полезен, потому что он наглядный и достаточно простой.

Список источников и литературы

1. Джон Фарндон, Ян Джеймс, Джинни Джонсон, Анжела Ройстон, и др. Энциклопедия “Вопросы и ответы”. Перевод с англ.: Е. Куликова, Д. Беленькая и др. ООО “Издательская группа Аттикус”, 2008. 255 с.
2. Кайданова О.В (составитель) Огонь и человек. Москва, 1912. 98 с.
3. Ожегов С.И. Словарь русского языка: М.: Рус. яз., 1984. 797 с.
4. Сафронов М.А., Вакуров А.Д. Огонь в лесу. Новосибирск: наука, 1991. 130 с.
5. Интернет-ресурсы:

Стихия огня. http://salamand.ru/sootvetstviya-stixii-ognya

Российская статистика. http://www.statp.ru

– устойчивая цепная реакция, включающая горение , которое представляет собой экзотермическую реакцию, в которой окислитель, обычно кислород, окисляет горючее, обычно углерод, в результате чего возникают продукты сгорания, такие как диоксид углерода, вода, тепло и свет. Типичный пример – горение метана:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Тепло, возникающее при горении, может использоваться для питания самого горения, и в случае, когда этого достаточно и дополнительной энергии для поддержания горения не требуется, возникает огонь. Чтобы остановить огонь, можно удалить горючее (отключить горелку на плите), окислитель (накрыть огонь специальным материалом), тепло (сбрызнуть огонь водой) или саму реакцию.

Горение, в некотором смысле, противоположно фотосинтезу , эндотермической реакции, в которую вступают свет, вода и диоксид углерода, в результате чего возникает углерод.

Есть искушение предположить, что при сжигании дерева используются углерод, находящийся в целлюлозе . Однако, судя по всему, происходит нечто более сложное . Если подвергнуть дерево воздействию тепла, оно подвергается пиролизу (в отличие от горения, не требующему кислорода), преобразующий её в более горючие вещества, такие, как газы, и именно эти вещества загораются при пожарах.

Если дерево горит достаточно долго, пламя исчезнет, но тление продолжится, и в частности дерево продолжит светиться. Тление – это неполное горение , в результате которого, в отличие от полного горения, возникает монооксид углерода .

Повседневные объекты постоянно излучают тепло, большая часть которого находится в инфракрасном диапазоне. Его длина волны больше, чем у видимого света, поэтому без специальных камер его не увидеть. Огонь достаточно ярок для того, чтобы выдавать видимый свет, хотя и инфракрасного излучения у него хватает.

Другой механизм возникновения цвета у огня – спектр излучения сжигаемого объекта. В отличие от излучения АЧТ, спектр излучения имеет дискретные частоты. Это происходит благодаря тому, что электроны порождают фотоны на определённых частотах, переходя из высокоэнергетического в низкоэнергетическое состояние. Эти частоты можно использовать для определения присутствующих в пробе элементов. Схожая идея (использующая спектр поглощения) используется для определения состава звёзд. Спектр излучения также отвечает за цвет фейерверков и цветного огня .

Форма пламени на Земле зависит от гравитации. Когда огонь разогревает окружающий воздух, происходит конвекция : горячий воздух, содержащий, помимо прочего, горячую золу, поднимается, а холодный (содержащий кислород), опускается, поддерживая огонь и придавая пламени его форму. При низкой гравитации, к примеру, на космической станции, этого не происходит. Огонь питается диффузией кислорода, поэтому горит медленнее и в виде сферы (поскольку горение происходит только там, где огонь соприкасается с содержащим кислород воздухом. Внутри сферы кислорода не остаётся).

Излучение абсолютно чёрного тела

Излучение АЧТ описывает формула Планка , относящаяся к квантовой механике. Исторически она была одной из первых применений квантовой механики. Её можно вывести из квантовой статистической механики следующем образом.

Мы подсчитываем распределение частот в фотонном газе при температуре T. То, что оно совпадает с распределением частот фотонов, испускаемых абсолютно чёрным телом той же температуры, следует из закона излучения Кирхгофа . Идея в том, что АЧТ можно привести в температурное равновесие с фотонным газом (поскольку у них одинаковая температура). Фотонный газ поглощается ЧТ, также испускающим фотоны, так что для равновесия необходимо, чтобы для каждой частоты, на которой ЧТ испускает излучение, оно и поглощало бы его с той же скоростью, что определяется распределением частот в газе.

В статистической механике вероятность нахождения системы в микросостоянии s, если оно находится в тепловом равновесии при температуре T, пропорциональна

Где E s - энергия состояния s, а β = 1 / k B T, или термодинамическая бета (Т – температура, k B - постоянная Больцмана). Это распределение Больцмана . Одно из объяснений этого дано в блогпосте Теренса Тао. Это значит, что вероятность равна

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Где Z(β) – нормализующая константа

Z(β) = ∑ s e - β E s

Для описания состояния фотонного газа нужно знать что-то по поводу квантового поведения фотонов. При стандартном квантовании электромагнитного поля поле можно рассматривать как набор квантовых гармонических осцилляций , каждая из которых осциллирует с разными угловыми частотами ω. Энергии собственных состояний гармонического осциллятора обозначаются неотрицательным целым n ∈ ℤ ≥ 0 , которое можно интерпретировать, как количество фотонов частоты ω. Энергии собственных состояний (с точностью до константы):

В свою очередь, квантовая нормализующая константа предсказывает, что на низких частотах (относительно температуры) классический ответ приблизительно верен, но на высоких средняя энергия экспоненциально падает, при этом падение получается большим при меньших температурах. Это происходит потому, что на высоких частотах и низких температурах квантовый гармонический осциллятор большую часть времени проводит в основном состоянии, и не переходит так легко на следующий уровень, что вероятность чего экспоненциально ниже. Физики говорят, что большая часть этой степени свободы (свободы осциллятора колебаться на определённой частоте) «замораживается».

Плотность состояний и формула Планка

Теперь, зная, что происходит на определённой частоте ω, необходимо просуммировать по всем возможным частотам. Эта часть вычислений классическая и никаких квантовых поправок делать не надо.

Мы используем стандартное упрощение, что фотонный газ заключён в объём со стороной длиной в L с периодическими граничными условиями (то есть, реально это будет плоский тор T = ℝ 3 / L ℤ 3). Возможные частоты классифицируются по решениям уравнения электромагнитных волн для стоячих волн в объёме с указанными граничными условиями, которые, в свою очередь, соответствуют, с точностью до множителя, собственным значениям лапласиану Δ. Точнее, если Δ υ = λ υ, где υ(x) – гладкая функция T → ℝ, тогда соответствующее решение уравнения электромагнитной волны для стоячей волны будет

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

И поэтому, учитывая, что λ обычно отрицательная, и значит, √λ обычно мнимый, соответствующая частота будет равна

ω = c √(-λ)

Такая частота встречается dim V λ раз, где V λ - λ-собственное значение лапласиана.

Упрощаем мы условия при помощи объёма с периодическими граничными условиями потому, что в этом случае очень просто записать все собственные функции лапласиана. Если использовать для простоты комплексные числа, то они определяются, как

υ k (x) = e i k x

Где k = (k 1 , k 2 , k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3 , волновой вектор . Соответствующее собственное значение лапласиана будет

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

Соответствующей частотой будет

И соответствующей энергией (одного фотона этой частоты)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Здесь мы аппроксимируем вероятностное распределение по возможным частотам ω k , которые, строго говоря, дискретны, непрерывным вероятностным распределением, и подсчитываем соответствующую плотность состояний g(ω). Идея в том, что g(ω) dω должна соответствовать количеству доступных состояний с частотами в диапазоне от ω до ω + dω. Затем мы проинтегрируем плотность состояний и получим окончательную нормализующую константу.

Почему эта аппроксимация разумна? Полную нормализующую константу можно описать следующим образом. Для каждого волнового числа k ∈ 2 π / L * ℤ 3 существует число n k ∈ ℤ ≥0 , описывающее количество фотонов с таким волновым числом. Общее количество фотонов n = ∑ n k конечно. Каждый фотон добавляет к энергии ℏ ω k = ℏ c |k|, из чего следует, что

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

По всем волновым числам k, следовательно, его логарифм записывается, как сумма

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

И эту сумму мы хотим аппроксимировать интегралом. Оказывается, что для разумных температур и больших объёмов подынтегральное выражение меняется очень медленно с изменением k, поэтому такая аппроксимация будет весьма близкой. Она перестаёт работать только при сверхнизких температурах, где возникает конденсат Бозе-Эйнштейна .

Плотность состояний вычисляется следующим образом. Волновые векторы можно представить в виде равномерных точек решётки, живущих в «фазовом пространстве», то есть, количество волновых векторов в некоем регионе фазового пространства пропорционально его объёму, по крайней мере, для регионов, крупных по сравнению с шагом решётки 2π/L. По сути, количество волновых векторов в регионе фазового пространства равно V/8π 3 , где V = L 3 , наш ограниченный объём.

Остаётся вычислить объём региона фазового пространства для всех волновых векторов k с частотами ω k = c |k| в диапазоне от ω до ω + dω. Это сферическая оболочка толщиной dω/c и радиусом ω/c, поэтому её объём

2πω 2 /c 3 dω

Поэтому плотность состояний для фотона

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

На самом деле эта формула в два раза занижена: мы забыли учесть поляризацию фотонов (или, что эквивалентно, спин фотона), которая удваивает количество состояний для данного волнового числа. Правильная плотность:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

То, что плотность состояний линейна в объёме V работает не только в плоском торе. Это свойство собственных значений лапласиана по закону Вейла . Это значит, что логарифм нормализующей константы

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

Производная по β даёт среднюю энергию фотонного газа

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

Но для нас важно подынтегральное выражение, дающее «плотность энергий»

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

Описывающее количество энергии фотонного газа, происходящее от фотонов с частотами из диапазона от ω до ω + dω. В итоге получилась форма формулы Планка, хотя с ней нужно немного поиграть, чтобы превратить в формулу, относящуюся к АЧТ, а не к фотонным газам (нужно поделить на V, чтобы получить плотность в единице объёма, и проделать ещё кое-что, чтобы получить меру излучения).

У формулы Планка есть два ограничения. В случае, когда βℏω → 0, знаменатель стремится к βℏω, и мы получаем

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

Теги:

• огонь
• квантовая физика

Добавить метки

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

Похожие статьи