Mönchhagenskí hasiči
založená v roku 1924
Oheň - čo to vlastne je?
Oheň popisuje vznik plameňov počas horenia s uvoľňovaním tepla a svetla. Predpokladom pre vznik a udržiavanie ohňa je prítomnosť paliva, oxidačného činidla, ako je kyslík zo vzduchu, a prekročenie teploty vznietenia v plameni.
Toto hovorí v úvode Wikipedia. Ak ste to už pochopili, nemusíte ďalej čítať - pre všetkých ostatných začneme odznova, konkrétne pri atómoch.
Trochu atómovej fyziky
Celá hmota okolo nás sa skladá z atómov. Skladajú sa z kladne nabitého atómového jadra a určitého počtu negatívnych elektrónov - atóm má presne toľko elektrónov, aby bol kladný náboj v atómovom jadre vyvážený. Typ atómu s určitým počtom elektrónov sa nazýva chemický prvok. Vodík je napríklad chemický prvok s najmenším počtom elektrónov, pretože má iba jeden. Ďalším prvkom je hélium s 2 elektrónmi, potom lítium s 3 elektrónmi atď. Kyslík má 8 elektrónov, železo má 26 a zlato má 79.
Elektróny teraz nielen nejako bzučia okolo atómového jadra, ale obsadzujú určité miesta. Elektrónová škrupina je rozdelená na jednotlivé obaly, z ktorých každá pojme určitý počet elektrónov. Tieto škrupiny sa plnia zdola nahor, keď prechádzate od prvku k prvku (pozri obrázok 1; zjednodušene si môžete predstaviť, že tieto škrupiny sú obežné dráhy, na ktorých elektróny lietajú okolo jadra - kto kedy vie čo Vypočuli ste si kvantovú mechaniku, viete, že je to komplikovanejšie, ale tu to nepotrebujeme).
Teraz sa každý atóm snaží dosiahnuť stav, v ktorom je naplnený jeho najvzdialenejší elektrónový obal.
Prvý (najnižší) obal obsahuje 2 elektróny, napríklad druhý 8 elektrónov. Vezmite si ako príklad kyslík. Kyslík má 8 elektrónov, z ktorých 2 sú v najnižšej a 6 v druhej škrupine. Druhá škrupina je teda najvzdialenejšou škrupinou pre kyslík. Ale to nie je úplne obsadené, stále chýbajú 2 elektróny, ktoré by kyslík strašne rád získal.
Prvok sa môže namiesto naplnenia škrupiny tiež pokúsiť zbaviť elektrónov - ak je napríklad v najvzdialenejšom obale iba 1 elektrón a atóm tento elektrón uvoľní, ďalší vnútorný obal sa stane vonkajším plášťom a je to. naplnené. Kyslík musí hľadať iba prvok, ktorý by sa chcel zbaviť elektrónov - napríklad vodík (áno, dobre, ak sa vzdá svojho elektrónu, v skutočnosti vôbec nemá elektrónový obal, ale stále to robí rád).
Ak kyslík stále potrebuje dva elektróny, ale vodík vydáva iba jeden, atóm kyslíka potrebuje ako partnerov dva atómy vodíka. Výsledkom je jedna z najdôležitejších a najznámejších chemických zlúčenín zo všetkých - voda!
Takáto štruktúra zložená z niekoľkých atómov sa nazýva molekula.
Obrázok 1: Prvých 10 chemických prvkov; Počínajúc číslom 1 (vodík) sa elektrónové obaly plnia zdola nahor. Ku každému ďalšiemu prvku sa pridá elektrón. Vzácne plyny hélium a neón sú úplne naplnené elektrónovými obalmi a nereagujú s inými prvkami.
Chemická reakcia
Kyslík teda preberá dva elektróny z dvoch atómov vodíka. Dá sa jasne predstaviť, že elektrónové škrupiny kyslíka a vodíka sa spájajú (obrázok 2) a dva elektróny sú teraz na obežných dráhach, ktoré ležia okolo oboch atómov. Kyslík však úplne neprijíma elektróny - tiež trochu zostávajú s atómami vodíka. Týmto spôsobom elektróny zabezpečujú, že atómy kyslíka a vodíka sú navzájom spojené - hovorí sa o chemickej väzbe. Takže sú tu navzájom viazané tri atómy, vznikla molekula a tá - ako už pravdepodobne mnohí predpokladali - molekula vody.
Obrázok 2: Tvorba molekuly vody z jedného kyslíka a dvoch atómov vodíka. Z vonkajších elektrónových dráh kyslíka a atómov vodíka sa vytvárajú dve nové dráhy, ktoré obklopujú kyslík a každý jeden atóm vodíka. Boli vytvorené dve chemické väzby. Elektróny atómov vodíka sú v priemere bližšie k kyslíku.
Tvorba vody z vodíka a kyslíka je chemická reakcia. Opačný proces, rozdelenie vody na vodík a kyslík, je chemická reakcia. Chemické reakcie vo všeobecnosti vznikajú z určitých východiskových materiálov (môžu to byť atómy, ale aj molekuly) určitých konečných produktov (tiež atómy alebo molekuly).
Aj keď sa na rozkladanie vody na vodík a kyslík musí použiť energia, tvorba vody z východiskových materiálov uvoľňuje energiu - ako každý, kto počul o výbuchu Hindenburg, vie. Reakcia medzi vodíkom a kyslíkom však nemusí byť taká prudká a deštruktívna; je možné tiež nechať, aby prebiehala kontrolovane, ako sa to deje v palivovom článku.
Reakcie, pri ktorých sa energia vydáva vo forme svetla a tepla, sa nazývajú exotermické a je zrejmé, že nás obzvlášť zaujímajú, keď hovoríme o „ohni“.
Spaľovanie je určitý typ chemickej reakcie - konkrétne exotermická reakcia, pri ktorej atómy horľavého materiálu reagujú s kyslíkom (zvyčajne kyslíkom vo vzduchu) a pri ktorej dochádza k plameňu.
Pre tých, ktorí majú sklon k technickým výrazom - je reakcia s kyslíkom oxidáciou. Existujú aj oxidácie bez tvorby plameňa, napr. B. hrdzavenie, pri ktorom sa oxiduje železo, alebo trávenie živín v tele. (Aj keď pri trávení nedochádza k tvorbe plameňov, hovorí sa aj o „spaľovaní“ kalórií.) A existujú aj oxidácie inými oxidačnými činidlami, napríklad fluórom namiesto kyslíka.
Jednoduchý experiment ukazuje, že pri spaľovaní sa spotrebúva kyslík (obrázok 3). Zapálite čajovú sviečku a umiestnite nad ňu pohár. Krátko nato sviečka zhasne, na chvíľu je vidno iba vlákno dymu. Dôvodom je to, že plameň spotreboval kyslík v skle. Ak v pohári už nie je kyslík, v procese spaľovania chýba surovina a sviečka zhasne. Horúci vosk sa na chvíľu odparí, ale už nehorí (to je dymová niť). Mimochodom, v experimente možno identifikovať aj jednu z látok, ktoré sa tvoria, keď páry voskového sviečky reagujú s kyslíkom (t. J. Počas horenia). Menovite voda: Pohár sa parí.
Pri skutočnom požiari predstavujú nespálené dymové plyny (ktoré sú tu vláknami dymu) veľké nebezpečenstvo. Tieto dymové plyny sa zhromažďujú a môžu sa veľmi náhle vznietiť, keď sa dosiahne požadovaná teplota alebo keď sa privedie kyslík, viď Backdraft & Co.
Obrázok 3
V ďalšom jednoduchom experimente možno preukázať, že hrdzavenie je tiež reakcia s kyslíkom, to znamená pomalé „horenie“ bez plameňov. Navlhčíte trochu oceľovej vlny a napcháte ju do pohára (musí to byť toľko, aby sa prilepil na hornú časť pohára). Potom postavte pohár hore dnom na tanierik (Obrázok 4; vľavo hore) a nalejte vodu na tanierik (vpravo hore). Asi po troch hodinách už vidíte, že do pohára tečie voda (vľavo dole); po jednej noci je voda potom úplne v pohári (vpravo dole; ako dlho vydrží, samozrejme záleží od množstva vody). Keď oceľová vlna hrdza, spotrebuje kyslík. To potom chýba vzduch v pohári. Tým sa zníži tlak vzduchu v pohári a výsledný podtlak nasaje vodu do pohára. Na konci experimentu sú bleskovo dobre viditeľné aj škvrny od hrdze na oceľovej vlne.
Aj v prvom experimente vzduchu chýba kyslík, ale pri spaľovaní vznikajú ďalšie plyny (oxid uhličitý a vodná para), ktoré ho nahrádzajú. Proces hrdzavenia vytvára hrdzu, ale ako pevná látka zaberá podstatne menej miesta ako plyn a nezohráva úlohu pri tlaku v skle. V pohári na obr. 3 je tiež podtlak, ktorý sa však vytvára, pretože vzduch sa ochladí a stiahne po zhasnutí sviečky.
Obrázok 4
Teplota vznietenia
Ak zvýšenie teploty poskytuje aktivačnú energiu, je zrejmý opačný záver - že zníženie teploty vedie k tomu, že aktivačná energia už nie je dostatočne dostupná a spaľovanie sa zastaví alebo sa ani nespustí. Preto je celkom možné variť vodu v zápalkovej škatuľke (obrázok 4).
A áno, uhádli ste - preto môžete hasiť požiare vodou alebo zabrániť šíreniu požiaru do susedných budov.
Oheň - svetlo a teplo
Takže teraz vieme, čo sa stane pri popálení. Skutočným ohňom sú ale plamene, ktoré sa tvoria pri horení. Plamene sú horúce a žiariace; sú teda vyjadrením energie, ktorá sa uvoľňuje pri spaľovaní, vo forme tepla a svetla. Aby sme pochopili, čo presne sú plamene, musíme sa vrátiť k atómom a molekulám.
Energia, ktorá sa uvoľňuje pri exotermickej reakcii, sa spočiatku nachádza v atómoch a molekulách, ktoré vznikli počas tejto reakcie. Prejavuje sa to napríklad tým, že častice po reakcii neležia pokojne, ale sa pohybujú - majú kinetickú energiu. Pohyb atómov nevidíme, ale môžeme ich vnímať aj inak: pohyb atómov nie je nič iné ako teplo. Čím rýchlejšie sa atómy pohybujú v materiáli, tým je teplejší, tým vyššia je jeho teplota. Napríklad, ak zahrejete kus kovu, nemôžete poznať, že sa jeho teplota zvyšuje. V určitom okamihu začne svietiť načerveno. Farba žiary sa s rastúcou teplotou zosvetľuje, od žltkastej až po nakoniec bielu. Čo sa deje?
Žeravé uhlíky v peci
Obrázok 5: Ak elektrón skočí z vyššej škrupiny do nižšej, vydáva energiu vo forme elektromagnetického žiarenia (vpravo hore). Naopak, dopadajúce elektromagnetické žiarenie môže dodať elektrónu potrebnú energiu, aby mohol skočiť do vyššieho plášťa (vľavo hore). Túto energiu môže tiež prijímať zrážkami s inými atómami (dole).
Teraz musíme okrem pohybov atómov brať do úvahy aj pohyby elektrónov v atómoch. Už bolo spomenuté vyššie, že elektróny atómu ležia v určitých škrupinách. Ak je priestor v škrupine voľný, môže elektrón skočiť z iného plášťa do tohto priestoru.
Ak skočí na vyššiu škrupinu, musí absorbovať energiu. Napríklad zrážka s iným atómom môže spôsobiť, že elektrón zo zrazeného atómu skočí do vyššieho plášťa; alebo dopadajúce elektromagnetické vlnenie môže dodať potrebnú energiu.
Keď elektrón skočí do spodnej časti obalu, uvoľní energiu vo forme elektromagnetického žiarenia (obrázok 5). (Toto skákanie tam a späť možno tiež považovať za pohyb elektrického náboja, ktorý potom tiež vyžaruje elektromagnetické žiarenie.) Vlnová dĺžka emitovaného žiarenia závisí od vzdialenosti medzi stopy sú; môže byť vyžarované infračervené, ale aj viditeľné svetlo.
Obrázok 6: Svetlo z tohto ohňa na drevo neobsahuje modrú, ale prevažne červenú a zelenú farbu a úzku žltú čiaru. Táto čiara je tesne pod 590 nm; Môže to byť teda známa žltá línia sodíka. Táto intenzívna žltá čiara (v skutočnosti dve veľmi blízko seba umiestnené) je zodpovedná za žltnutie svetla zo sodíkových výbojok. A prítomnosť sodných solí niekde v alebo na palivovom dreve nie je nemožná, sodík sa vyskytuje v organickom tkanive.
Vzdialenosti medzi dráhami sú veľmi charakteristické pre každý chemický prvok. Svetlo obyčajného ohňa je zmesou všetkých zúčastnených vlnových dĺžok. Ak sa pozriete na svetlo ohňa (alebo čohokoľvek iného) prostredníctvom takzvaného spektroskopu (jedná sa o zariadenie, ktoré dokáže dešifrovať, ktoré vlnové dĺžky sa vo svetle nachádzajú), môžete zistiť, ktoré atómy a molekuly v ňom sú umiestnené Oheň. Obrázok 6 zobrazuje spektrum požiaru dreva zaznamenané veľmi jednoduchým spektroskopom.
Zhrnutie
Oheň vzniká, keď atómy materiálu chemicky reagujú s (vzduchom) kyslíkom. To si vyžaduje aktivačnú energiu, ktorú môže dodať zápalka, padajúce sviečky atď. Počas spaľovania sa uvoľňuje energia, ktorá sa vydáva ako tepelné žiarenie (vytvorené tepelným pohybom častíc) a viditeľné svetlo (generované v elektrónovom obale).