Пожарна служба в Мьонхаген
основана през 1924г
Огън - какво е всъщност?
Огънят описва образуването на пламъци по време на горенето с отделяне на топлина и светлина. Предпоставките за развитие и поддържане на пожар са наличието на гориво, окислител, като кислород от въздуха и температурата на запалване в пламъка, който е превишен.
Това казва Уикипедия във въведението. Ако вече разбирате това, не е нужно да четете повече - за всички останали ще започнем отново отдолу, а именно с атомите.
Малко атомна физика
Цялата материя около нас е съставена от атоми. Те се състоят от положително зареденото атомно ядро и определен брой отрицателни електрони - атомът има точно толкова електрони, че положителният заряд в атомното ядро е балансиран. Тип атом с определен брой електрони се нарича химичен елемент. Водородът например е химичният елемент с най-малък брой електрони, защото той има само един. Следващият елемент е хелий с 2 електрона, след това литий с 3 електрона и т.н. Кислородът има 8 електрона, желязото има 26 и златото има 79.
Сега електроните не просто някак си бръмчат около атомното ядро, но заемат определени места. Електронната обвивка е разделена на отделни обвивки, всяка от които може да побере определен брой електрони. Тези черупки се пълнят отдолу нагоре, когато преминавате от елемент на елемент (вижте фигура 1; с опростени термини, можете да си представите, че тези черупки са орбити, по които електроните летят около ядрото - кой знае някога какво Чух за квантова механика, знае, че е по-сложно, но нямаме нужда от това тук толкова точно).
Сега всеки атом се стреми да достигне състояние, в което най-външната му електронна обвивка е изпълнена.
Първата (най-ниската) обвивка съдържа 2 електрона, например, втората 8 електрона. Вземете за пример кислорода. Кислородът има 8 електрона, 2 от които са в долната обвивка и 6 във втората обвивка. Следователно втората обвивка е най-външната обвивка за кислорода. Но това не е напълно заето, все още липсват 2 електрона, които кислородът би искал да получи ужасно.
Вместо да запълни черупката, елемент може също да се опита да се отърве от електроните - ако например в най-външната обвивка има само 1 електрон и атомът освободи този електрон, следващата вътрешна обвивка става външната обвивка и това е всичко запълнени. Кислородът трябва само да търси елемент, който би искал да се отърве от електроните - например водород (да, добре, ако се откаже от своя електрон, той всъщност изобщо няма електронна обвивка, но все пак обича да го прави).
Ако кислородът все още се нуждае от два електрона, но водородът издава само един, кислородният атом се нуждае от два водородни атома като партньори. Това води до едно от най-важните и добре познати химични съединения от всички - водата!
Такава структура, изградена от няколко атома, се нарича молекула.
Илюстрация 1: Първите 10 химични елемента; Започвайки от номер 1 (водород), електронните обвивки се пълнят отдолу нагоре. Към всеки допълнителен елемент се добавя електрон. Благородните газове хелий и неон имат напълно напълнени електронни обвивки и не реагират с други елементи.
Химическа реакция
Така кислородът поема два електрона от два водородни атома. Човек може ясно да си представи, че електронните обвивки на кислорода и водорода се сливат (Фигура 2) и двата електрона вече са на орбити, разположени около двата атома. Въпреки това кислородът не поема напълно електроните - те остават малко с водородните атоми. По този начин електроните гарантират, че кислородните и водородните атоми са свързани помежду си - говори се за химическа връзка. Така че има три атома, свързани един с друг, възникна молекула и че - както много вероятно вече се подозира - молекула вода.
Фигура 2: Образуване на водна молекула от един кислород и два водородни атома. От външните електронни орбити на кислорода и водородните атоми се образуват две нови орбити, които обграждат кислорода и по един водороден атом. Създадени са две химически връзки. Електроните на водородните атоми са средно по-близо до кислорода.
Образуването на вода от водород и кислород е химическа реакция. Обратният процес, разделянето на водата на водород и кислород, е химическа реакция. По принцип химичните реакции се получават от определени изходни материали (които могат да бъдат атоми, но също и молекули), определени крайни продукти (също атоми или молекули).
Докато енергията трябва да се използва за разграждане на водата до водород и кислород, образуването на вода от изходните материали отделя енергия - както всеки, който е чувал за експлозията в Хинденбург, знае. Реакцията между водород и кислород обаче не трябва да бъде толкова бурна и разрушителна; може също така да се остави да протича контролирано, както се случва в горивната клетка.
Реакциите, при които се отделя енергия под формата на светлина и топлина, се наричат екзотермични и очевидно е, че ние се интересуваме особено от тях, когато става въпрос за „огън“.
Изгарянето е определен вид химическа реакция - а именно екзотермична реакция, при която атомите на горим материал реагират с кислород (обикновено кислородът във въздуха) и при която се образуват пламъци.
За тези, които имат склонност към технически термини - реакцията с кислород е окисляване. Има и окисления без образуване на пламък, напр. Б. ръждясване, при което желязото се окислява, или усвояването на хранителни вещества в тялото. (Въпреки че по време на храносмилането не се образува пламък, се говори и за „изгаряне“ на калории.) Има и окисления с други окислители, например флуор вместо кислород.
Един прост експеримент показва, че изгарянето консумира кислород (Фигура 3). Запалвате чаена свещ и поставяте чаша над нея. Малко след това свещта угасва, за кратко време се вижда само нишка дим. Причината за това е, че пламъкът е консумирал кислорода в чашата. Когато в стъклото вече няма кислород, в процеса на горене липсва суровина и свещта угасва. Горещият восък се изпарява за известно време, но не изгаря повече (това е нишката на дима.) Между другото, едно от веществата също може да бъде идентифицирано в експеримента, които се образуват, когато парите на восъчния свещ реагират с кислород (т.е. по време на горенето) А именно вода: Стъклото се пара.
При истински пожар неизгорелите димни газове (което тук е нишката на дима) представляват голяма опасност. Тези димни газове се събират и могат да се възпламенят много внезапно, когато се достигне необходимата температура или когато се подаде кислород, вижте Backdraft & Co.
Фигура 3
В друг прост експеримент може да се покаже, че ръждясването е и реакция с кислород, т.е. бавно „изгаряне“ без пламъци. Навлажнявате малко стоманена вълна и я натъпквате в чаша (тя трябва да е толкова много, че да залепне към горната част на чашата). След това поставяте чашата с главата надолу върху чинийка (Фигура 4; горе вляво) и изливате вода върху чинийката (горе вдясно). След около три часа вече можете да видите, че водата тече в чашата (долу вляво); след една нощ водата е напълно в чашата (долу вдясно; колко дълго трае, разбира се, зависи от количеството вода). Когато стоманената вълна ръждясва, тя изразходва кислород. След това липсва въздухът в чашата. Това намалява въздушното налягане в чашата и полученото отрицателно налягане засмуква водата в чашата. В края на експеримента петна от ръжда върху стоманената вълна също могат да се видят светкавично.
При първия експеримент също във въздуха липсва кислород, но при изгарянето се получават други газове (въглероден диоксид и водни пари), които заемат неговото място. Процесът на ръждясване създава ръжда, но като твърдо тяло заема значително по-малко място от газ и не играе роля за налягането в стъклото. В стъклото също има отрицателно налягане на фиг. 3, но то се получава, тъй като въздухът се охлажда и свива след угасване на свещта.
Фигура 4
Температура на запалване
Ако повишаването на температурата осигурява енергията на активиране, вероятно е обратното - че намаляването на температурата означава, че енергията на активиране вече не е налична и горенето спира или дори не започва. Следователно е напълно възможно да кипнете вода в кибритена кутия (Фигура 4).
И да, познахте - затова можете да гасите пожари с вода или да предотвратите разпространението й в съседни сгради.
Огън - светлина и топлина
Така че сега знаем какво се случва при изгаряне. Но истинският огън са пламъците, които се образуват при изгаряне. Пламъците са горещи и светещи; следователно те са израз на енергията, която се отделя по време на горенето, под формата на топлина и светлина. За да разберем какво точно представляват пламъците, трябва да се върнем към атомите и молекулите.
Енергията, която се отделя при екзотермична реакция, първоначално се намира в атомите и молекулите, които са създадени по време на тази реакция. Това се проявява например в това, че след реакцията частиците не лежат неподвижно, а се движат - те имат кинетична енергия. Не можем да видим движението на атомите, но можем да го възприемем по друг начин: движението на атомите не е нищо друго освен топлина. Колкото по-бързо се движат атомите в даден материал, толкова по-топъл е той, толкова по-висока е неговата температура. Например, ако нагреете парче метал, не можете да кажете, че температурата му се увеличава. В един момент започва да свети в червено. Цветът на сиянието става по-светъл с увеличаване на температурата, от жълтеникав до окончателно бял. Какво се случва?
Жарава в печката
Фигура 5: Ако електрон скочи от по-висока черупка към по-ниска, той отделя енергия под формата на електромагнитно излъчване (горе вдясно). И обратно, падащото електромагнитно излъчване може да достави на електрона необходимата енергия, така че да може да скочи в по-висока обвивка (горе вляво). Той може да получи тази енергия и при сблъсъци с други атоми (по-долу).
Сега най-късно трябва да разгледаме движенията на електроните в атомите в допълнение към движенията на атомите. Вече беше споменато по-горе, че електроните на атома седят в определени черупки. Ако пространство в черупката е свободно, електрон може да прескочи от друга обвивка в това пространство.
Ако скочи върху по-висока обвивка, трябва да поеме енергия, за да го направи. Например, сблъсък с друг атом може да причини електрон от сблъскания атом да скочи в по-висока обвивка; или падаща електромагнитна вълна може да достави необходимата енергия.
Когато електронът скочи в долна обвивка, той освобождава енергия под формата на електромагнитно излъчване (Фигура 5). (Това скачане напред-назад може да се разглежда и като движение на електрически заряд, който след това също излъчва електромагнитно излъчване.) Дължината на вълната на излъченото излъчване зависи от разстоянието между следите е; може да се излъчва инфрачервена, но и видима светлина.
Фигура 6: Светлината от този дървен огън не съдържа синьо, но предимно червено и зелено и тясна жълта линия. Тази линия е малко под 590 nm; Така че може да е познатата жълта натриева линия. Тази интензивна жълта линия (всъщност две много близки линии) е отговорна за пожълтяването на светлината от лампите на натриеви пари. И наличието на натриеви соли някъде в или върху дървата за огрев не е невъзможно, натрият се среща в органичната тъкан.
Разстоянията между орбитите са много характерни за всеки химичен елемент. Светлината на обикновен огън е смесица от всички дължини на вълните. Ако погледнете светлината на огъня (или каквото и да е) чрез така наречения спектроскоп (това е устройство, което може да разчете кои дължини на вълните участват в светлината), можете да разберете кои атоми и молекули в него Пожар. Фигура 6 показва спектъра на дървесен огън, записан от много прост спектроскоп.
Обобщение
Пожар възниква, когато атомите на даден материал реагират химически с (въздушния) кислород. Това изисква активираща енергия, която може да бъде доставена от кибрит, падащи свещи и т.н. По време на горенето се отделя енергия, която се отделя като топлинно излъчване (създадено от топлинното движение на частиците) и видима светлина (генерирана в електронната обвивка).