Почему горит огонь: химия горения простым языком
Огонь горит потому, что горючее вещество при достаточной температуре вступает в быструю цепную реакцию окисления с кислородом воздуха, и эта реакция выделяет больше тепла, чем требуется для её поддержания. Видимое пламя, которое мы наблюдаем, это не само вещество и не кислород, а раскалённые продукты реакции и частицы сажи, излучающие свет.
Что нужно для горения
Горение требует трёх составляющих, которые принято изображать в виде треугольника огня: горючее вещество, окислитель и источник тепла для начала реакции. Уберите любой из трёх элементов, и огонь потухнет. Большинство органических веществ: дерево, бумага, природный газ, нефтепродукты горят в атмосферном воздухе, где кислород составляет около 21%. Горючее должно сначала испариться или разложиться на газообразные молекулы, поскольку горят именно газы, а не твёрдое или жидкое вещество напрямую. Именно поэтому толстое влажное бревно сложно поджечь: надо сначала прогреть поверхность, испарить воду и начать термическое разложение древесины до летучих компонентов.
Как выглядит цепная реакция внутри пламени
Когда температура достигает точки воспламенения (для дерева около 270-300 градусов Цельсия, для природного газа около 540 градусов), молекулы горючего начинают распадаться с образованием свободных радикалов. Радикалы это химически очень активные фрагменты молекул с неспаренным электроном. Они мгновенно атакуют молекулы кислорода, образуя новые радикалы, которые продолжают цепочку. Каждый шаг выделяет тепло, которое ускоряет следующий шаг. Продуктами полного сгорания углеводородного топлива являются углекислый газ и вода. При неполном сгорании, когда кислорода не хватает, образуются также угарный газ, сажа и другие токсичные соединения.
Откуда берётся свечение пламени
Голубой цвет в основании газового пламени указывает на полное сгорание: горят радикалы CH и C2, которые излучают в синей и голубой части спектра. Жёлтое и оранжевое свечение костра или свечи возникает иначе: в зонах с нехваткой кислорода образуются мельчайшие частицы сажи, состоящей почти из чистого углерода. Эти наночастицы разогреваются до 1000-1500 градусов Цельсия и светятся как нагретое тело по законам теплового излучения. Именно накалённые частицы сажи дают тот тёплый жёлто-оранжевый свет, который мы привыкли ассоциировать с огнём. Температура открытого пламени свечи в центре достигает около 1400 градусов Цельсия, хотя внешняя оболочка значительно холоднее.
Почему огонь гаснет при задувании
Когда мы задуваем свечу, происходит сразу несколько вещей. Поток воздуха охлаждает зону горения ниже температуры самовоспламенения. Одновременно он рассеивает облако газообразного горючего вблизи фитиля, снижая его концентрацию ниже минимально необходимой для поддержания реакции. Без цепной реакции тепловыделение прекращается, температура падает, и пламя гаснет. Пожарные используют этот принцип в порошковых и углекислотных огнетушителях: они либо охлаждают зону горения, либо создают облако инертного газа или порошка, физически отсекающее кислород от горючего. В промышленных системах пожаротушения российских предприятий широко применяется газ хладон или азот, которые быстро вытесняют кислород из защищаемого объёма.
