Departamentul de pompieri Mönchhagen
fondată în 1924
Foc - ce este de fapt?
Focul descrie formarea flăcărilor în timpul arderii cu eliberarea de căldură și lumină. Condițiile preliminare pentru dezvoltarea și întreținerea unui incendiu sunt prezența unui combustibil, a unui agent oxidant, cum ar fi oxigenul din aer, și temperatura de aprindere în flacără fiind depășită.
Așa spune Wikipedia în introducere. Dacă înțelegeți deja acest lucru, nu este nevoie să citiți mai departe - pentru toți ceilalți vom începe din nou în partea de jos, și anume cu atomii.
Un pic de fizică atomică
Toată materia din jurul nostru este compusă din atomi. Acestea constau din nucleul atomic încărcat pozitiv și un anumit număr de electroni negativi - un atom are exact suficienți electroni încât sarcina pozitivă din nucleul atomic să fie echilibrată. Un tip de atom cu un anumit număr de electroni se numește element chimic. Hidrogenul, de exemplu, este elementul chimic cu cel mai mic număr de electroni, deoarece are doar unul. Următorul element este heliul cu 2 electroni, apoi litiul cu 3 electroni și așa mai departe. Oxigenul are 8 electroni, fierul are 26 și aurul are 79.
Acum, electronii nu doar cumva bâzâie în jurul nucleului atomic, ci ocupă anumite locuri. Învelișul de electroni este împărțit în învelișuri individuale, fiecare dintre ele putând deține un anumit număr de electroni. Aceste cochilii sunt umplute de jos în sus când mergeți de la element la element (a se vedea Figura 1; în termeni simplificați, vă puteți imagina că aceste cochilii sunt orbite pe care electronii zboară în jurul nucleului - cine știe vreodată ce Am auzit de mecanica cuantică, știe că este mai complicat, dar nu avem nevoie de asta atât de precis).
Acum, fiecare atom se străduiește să ajungă la o stare în care învelișul său cel mai exterior de electroni este umplut.
Primul (cel mai mic) înveliș conține 2 electroni, de exemplu, al doilea 8 electroni. Luați oxigenul ca exemplu. Oxigenul are 8 electroni, dintre care 2 se află în coaja inferioară și 6 în a doua coajă. A doua înveliș este deci învelișul cel mai exterior pentru oxigen. Dar acest lucru nu este ocupat pe deplin, lipsesc încă 2 electroni, pe care oxigenul ar dori să-i obțină teribil.
În loc să umple un înveliș, un element poate încerca, de asemenea, să scape de electroni - dacă, de exemplu, există doar 1 electron în învelișul exterior și atomul eliberează acest electron, următorul înveliș interior devine învelișul exterior și atât umplut. Oxigenul trebuie doar să caute un element care ar dori să scape de electroni - de exemplu hidrogen (da, ei bine, dacă renunță la electron, nu are deloc coajă de electroni, dar îi place totuși să o facă).
Dacă oxigenul are încă nevoie de doi electroni, dar hidrogenul dă doar unul, un atom de oxigen are nevoie de doi atomi de hidrogen ca parteneri. Acest lucru are ca rezultat unul dintre cei mai importanți și mai cunoscuți compuși chimici din toate - apa!
O astfel de structură formată din mai mulți atomi se numește moleculă.
Ilustrația 1: Primele 10 elemente chimice; Începând de la numărul 1 (hidrogen), cojile de electroni sunt umplute de jos în sus. La fiecare element suplimentar se adaugă un electron. Gazele nobile heliu și neon au fiecare complet umplut cu cochilii de electroni și nu reacționează cu alte elemente.
Reactie chimica
Deci oxigenul preia doi electroni din doi atomi de hidrogen. Se poate vizualiza în așa fel încât cojile de electroni de oxigen și hidrogen să se îmbine (Figura 2), iar cei doi electroni se află acum pe orbite care se află în jurul ambilor atomi. Cu toate acestea, oxigenul nu ia complet electronii - rămân puțin cu atomii de hidrogen. În acest fel, electronii se asigură că atomii de oxigen și hidrogen sunt legați între ei - se vorbește despre o legătură chimică. Deci, există trei atomi legați unul de celălalt, a apărut o moleculă și că - așa cum probabil mulți au suspectat deja - o moleculă de apă.
Figura 2: Formarea unei molecule de apă dintr-un oxigen și doi atomi de hidrogen. Din orbitele externe ale electronilor de oxigen și atomii de hidrogen, se formează două noi orbite, care înconjoară oxigenul și câte un atom de hidrogen. Au fost create două legături chimice. Electronii atomilor de hidrogen sunt în medie mai aproape de oxigen.
Formarea apei din hidrogen și oxigen este o reacție chimică. Procesul invers, împărțirea apei în hidrogen și oxigen, este o reacție chimică. În general, reacțiile chimice rezultă din anumite materii prime (care pot fi atomi, dar și molecule), anumite produse finale (de asemenea, atomi sau molecule).
În timp ce energia trebuie folosită pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen, formarea apei din materiile prime eliberează energie - așa cum știe oricine a auzit de explozia Hindenburg. Cu toate acestea, reacția dintre hidrogen și oxigen nu trebuie să fie atât de violentă și distructivă; se poate permite, de asemenea, să se desfășoare într-un mod controlat, așa cum se întâmplă într-o celulă de combustibil.
Reacțiile în care energia se degajă sub formă de lumină și căldură sunt numite exoterme și este evident că suntem interesați în mod special de acestea atunci când vine vorba de „foc”.
Arderea este un anumit tip de reacție chimică - și anume o reacție exotermă în care atomii unui material combustibil reacționează cu oxigenul (de obicei oxigenul din aer) și în care se formează flăcări.
Pentru cei cu predilecție pentru termeni tehnici - o reacție cu oxigenul este o oxidare. Există, de asemenea, oxidări fără formarea flăcării, de ex. B. ruginirea, în care fierul este oxidat, sau digestia nutrienților din organism. (Deși nu există formare de flacără în timpul digestiei, se vorbește și despre „arderea” caloriilor.) Și există și oxidări cu alți agenți oxidanți, de exemplu fluor în loc de oxigen.
Un experiment simplu arată că arderea consumă oxigen (Figura 3). Aprinzi o lumină de lumină și așezi un pahar peste ea. La scurt timp lumânarea se stinge, doar un fir de fum este vizibil pentru o scurtă perioadă de timp. Motivul pentru aceasta este că flacăra a consumat oxigenul din sticlă. Când nu mai există oxigen în sticlă, procesului de ardere îi lipsește o materie primă și lumânarea se stinge. Ceara fierbinte se evaporă o vreme, dar nu mai arde (acesta este firul fumului.) Apropo, una dintre substanțe poate fi identificată și în experiment, care se formează atunci când vaporii de ceară de la lumânare reacționează cu oxigenul (adică în timpul arderii) Și anume apă: Paharul aburește.
Într-un incendiu real, gazele de fum ne-arse (care este firul de fum aici) reprezintă un mare pericol. Aceste gaze de fum se colectează și se pot aprinde foarte brusc când se atinge temperatura necesară sau când se furnizează oxigen, vezi Backdraft & Co.
Figura 3
Într-un alt experiment simplu, se poate arăta că ruginirea este, de asemenea, o reacție cu oxigenul, adică „arderea” lentă fără flăcări. Umeziți niște vată de oțel și o înghesuiți într-un pahar (trebuie să fie atât de mult încât să se lipească de vârful paharului). Apoi așezați paharul cu capul în jos pe o farfurioară (Figura 4; stânga sus) și turnați apă pe farfurie (dreapta sus). După aproximativ trei ore puteți vedea deja că apa curge în pahar (în stânga jos); după o noapte, apa este complet în pahar (dreapta jos; cât durează, depinde, desigur, de cantitatea de apă). Când vata de oțel ruginește, consumă oxigen. Apoi îi lipsește aerul din sticlă. Aceasta reduce presiunea aerului din sticlă, iar presiunea negativă rezultată aspiră apa în sticlă. La sfârșitul experimentului, petele de rugină de pe vata de oțel pot fi, de asemenea, văzute bine în bliț.
Și în primul experiment, aerului îi lipsește oxigenul, dar arderea produce alte gaze (dioxid de carbon și vapori de apă) care îi iau locul. Procesul de ruginire creează rugină, dar ca solid ocupă mult mai puțin spațiu decât un gaz și nu joacă un rol în presiunea din sticlă. Există, de asemenea, o presiune negativă în sticlă în Fig. 3, dar se produce deoarece aerul se răcește și se contractă după ce lumânarea s-a stins.
Figura 4
Temperatura de aprindere
Dacă o creștere a temperaturii furnizează energia de activare, concluzia inversă este evidentă - că o scădere a temperaturii duce la faptul că energia de activare nu mai este suficient de disponibilă și combustia se oprește sau chiar nu pornește. Prin urmare, este foarte posibil să fierbeți apă într-o cutie de chibrituri (Figura 4).
Și da, ați ghicit - de aceea puteți stinge focurile cu apă sau puteți împiedica răspândirea acesteia în clădirile vecine.
Foc - lumină și căldură
Deci, acum știm ce se întâmplă într-o arsură. Dar adevăratul foc sunt flăcările care se formează atunci când sunt arse. Flăcările sunt fierbinți și strălucitoare; sunt, prin urmare, o expresie a energiei care este eliberată în timpul arderii, sub formă de căldură și lumină. Pentru a înțelege exact ce sunt flăcările, trebuie să ne întoarcem înapoi la atomi și molecule.
Energia care este eliberată într-o reacție exotermă rezidă inițial în atomii și moleculele care au fost create în timpul acestei reacții. Acest lucru se manifestă, de exemplu, prin faptul că, după reacție, particulele nu stau nemișcate, ci se mișcă - au energie cinetică. Nu putem vedea mișcarea atomilor, dar o putem percepe într-un alt mod: mișcarea atomilor nu este altceva decât căldură. Cu cât atomii se mișcă mai repede într-un material, cu atât este mai cald, cu atât temperatura este mai mare. De exemplu, dacă încălziți o bucată de metal, nu puteți spune că temperatura acesteia crește. La un moment dat începe să strălucească roșu. Culoarea strălucirii devine mai deschisă odată cu creșterea temperaturii, de la gălbuie la alb în cele din urmă. Ce se întâmplă?
Cărbune în sobă
Figura 5: Dacă un electron sare de la o coajă superioară la una inferioară, eliberează energie sub formă de radiație electromagnetică (dreapta sus). În schimb, radiația electromagnetică incidentă poate furniza un electron cu energia necesară, astfel încât să poată sări într-o coajă superioară (în stânga sus). De asemenea, poate primi această energie prin coliziuni cu alți atomi (mai jos).
Acum cel târziu trebuie să ținem cont de mișcările electronilor din atomi, pe lângă mișcările atomilor. S-a menționat deja mai sus că electronii unui atom stau în anumite cochilii. Dacă există un spațiu liber într-o cochilie, un electron poate sări dintr-o altă cochilie în acest spațiu.
Dacă sare pe o coajă superioară, trebuie să absoarbă energie. De exemplu, o coliziune cu un alt atom poate provoca un electron din atomul ciocnit să sară într-o coajă superioară; sau o undă electromagnetică incidentă poate furniza energia necesară.
Când electronul sare într-o carcasă inferioară, eliberează energie sub formă de radiație electromagnetică (Figura 5). (Această săritură înainte și înapoi poate fi, de asemenea, gândită ca mișcarea unei sarcini electrice, care apoi emite și radiații electromagnetice.) Lungimea de undă a radiației emise depinde de distanța dintre pistele este; infraroșu, dar și lumină vizibilă poate fi emisă.
Figura 6: Lumina acestui foc de lemne nu conține albastru, ci predominant roșu și verde și o linie galbenă îngustă. Această linie este puțin sub 590 nm; Deci ar putea fi linia familiară de sodiu galben. Această linie galbenă intensă (de fapt două linii foarte apropiate) este responsabilă pentru îngălbenirea luminii de la lămpile cu vapori de sodiu. Și prezența sărurilor de sodiu undeva în sau pe lemne nu este imposibilă, sodiul apare în țesutul organic.
Distanțele dintre orbite sunt foarte caracteristice fiecărui element chimic. Lumina unui foc obișnuit este un amestec de toate lungimile de undă implicate. Dacă priviți lumina unui foc (sau orice altceva) printr-un așa-numit spectroscop (acesta este un dispozitiv care poate descifra ce lungimi de undă sunt implicate în lumină), puteți afla ce atomi și molecule din el Foc. Figura 6 prezintă spectrul unui foc de lemne, înregistrat de un spectroscop foarte simplu.
rezumat
Focul apare atunci când atomii unui material reacționează chimic cu oxigenul (aerului). Aceasta necesită energie de activare care poate fi furnizată de un chibrit, căderea lumânărilor etc. În timpul arderii, energia este eliberată, care se degajă ca radiație de căldură (creată de mișcarea de căldură a particulelor) și lumină vizibilă (generată în învelișul electronilor).