Wir alle haben von Feuer gehört und sehen es fast jeden Tag in Streichhölzern, Feuerzeugen, Feuerwerkskörpern, Gaskochfeldern und Kaminen. Aber diese scheinbar einfache Reaktion ist eigentlich ein komplexes wissenschaftliches Ereignis.

Was ist eigentlich Feuer?

Feuer ist eine exotherme, sich selbst aufrechterhaltende Reaktion, die auftritt, wenn ein fester, flüssiger oder gasphasiger Brennstoff schnell oxidiert wird. Dies wird als Verbrennung bezeichnet und die Reaktion setzt Wärme, Licht und weitere chemische Reaktionen frei.

Während andere Reaktionen stattfinden können, wird die Verbrennung überwiegend als die Kombination von brennbaren Materialien mit einem Oxidationsmittel charakterisiert.

Wenn Kraftstoff und ein Oxidationsmittel über eine bestimmte Temperatur erhitzt werden, treten exotherme chemische Reaktionen auf, die durch die zusätzliche Wärmeenergie, die sie kontinuierlich erzeugen, aufrechterhalten werden.

Damit ein Feuer aus der Verbrennung entsteht, sind diese vier Elemente daher unerlässlich. Diese Beziehung kann im Feuertetraeder konzeptualisiert werden.

Das Feuertetraedermodell

Das Feuertetraeder ist eine Darstellung der Elemente, die für das Auftreten eines Feuers erforderlich sind. Die vier Seiten des Tetraeders sind Brennstoff, ein Oxidationsmittel (normalerweise Sauerstoff), Wärmeenergie und eine ungehemmte Kettenreaktion.

Warum braucht Feuer Brennstoff?

Kraftstoff bezieht sich auf ein brennbares oder brennbares Material, das verwendet wird, um den Verbrennungsprozess zu beginnen. Während der Brennstoff ein fester (Holz), flüssiger (Benzin) oder Gas (Propan) sein kann, verbrennen die Materialien nur in der Dampfphase. Dies bedeutet, dass eine brennbare Gasphase vorhanden sein muss, damit ein Feuer beginnen kann.

Die Gasphase wird erreicht, wenn ein Material über seinen Flammpunkt erhitzt wird, um einen Dampfdruck auszuüben, der sich an Luft entzünden und die Verbrennung unterstützen kann.Ein Beispiel für ein festes brennbares Material und vielleicht die häufigste Form von Brennstoff ist Holz. Diese Verbindung hat Moleküle mit hohem Molekulargewicht, die Materialien wie Lignine und natürlich vorkommende Kohlenhydratcellulose enthalten.

Damit Holz die notwendige Gasphase erreicht, müssen diese Materialien durch Pyrolyse thermisch zersetzt werden. Dies geschieht, wenn das Holz über seinen Flammpunkt erhitzt wird, wodurch sich die Cellulose und andere Materialien in kleine Moleküle zersetzen, die dann in der Gasphase existieren können. Wenn diese Gase ihre Zündtemperatur erreichen, beginnt das Brennen.

Wärmeenergie

Wärmeenergie wird benötigt, um die Zündung des Kraftstoffs zu starten und ihn auf die Mindesttemperatur zu bringen, die erforderlich ist, um sich selbst zu erhalten. Dies wird als Zündtemperatur bezeichnet.

Bei der Verbrennung entsteht Wärmeenergie, da die Reaktion exotherm ist. Wärme wird freigesetzt, wenn chemische Bindungen aufgebrochen und während chemischer Reaktionen gebildet werden. Da diese Reaktionen andauern, setzt die Verbrennung mehr Wärme frei, als zur Aufrechterhaltung eines Feuers benötigt wird. Dies macht ein Feuer selbstbeständig und macht es auch heiß.

Was ist ein Oxidationsmittel?

Ein Oxidationsmittel wird benötigt, um die Verbrennung durch Reaktion mit dem Brennstoff zu unterstützen. Sauerstoff in der Luft ist das am häufigsten verwendete Mittel. Sobald die vom Kraftstoff freigesetzten flüchtigen Gase die Zündtemperatur erreicht haben, brechen die Verbindungsmoleküle auseinander und rekombinieren mit Sauerstoff, um Wasserdampf, Kohlendioxid, verschiedene Verbrennungsprodukte und mehr Wärme zu bilden. Dieser Prozess wird Oxidation genannt und kann als Brennen und Rauch erkannt werden.

Ungehemmte Kettenreaktion

Das letzte Gesicht des Tetraeders ist die ungehemmte Kettenreaktion, die durch die Reaktion zwischen Brennstoff, Wärme und Sauerstoff ermöglicht wird. Eine ungehemmte Kettenreaktion bezieht sich auf die sich selbst erhaltende Fähigkeit der Verbrennung.Aufgrund der kontinuierlichen Reaktionen zwischen Brennstoff und Sauerstoff, die überschüssige Mengen an Wärmeenergie erzeugen, ist die Flamme immer heiß genug, um den Brennstoff auf Zündtemperatur zu halten. Daher brennt das Feuer weiter, solange genügend Brennstoff und Sauerstoff zur Verfügung stehen. Dieser Prozess endet in ähnlicher Weise, wenn diese Quellen verbraucht wurden.

Feuersbrunst: Wie breitet sich Feuer aus?

Die Gefahr dieser chemischen Reaktionen besteht darin, dass sie sich selbst tragen. Feuer kann sich gerade aufgrund der ungehemmten Kettenreaktion, die bei der Verbrennung auftritt, und der Wärmeenergie, die den Kraftstoff über dem Zündpunkt hält, ausbreiten.

Die Hitze der Flammen ist in der Lage, den umgebenden Brennstoff zu erhitzen, sei es in der Nähe von Holz oder brennbaren Flüssigkeiten. Wenn dieser nahe gelegene Brennstoff über seinen Flammpunkt erhitzt wird, werden flüchtige Gase freigesetzt, wenn der Brennstoff in seine Gasphase eintritt. An diesem Punkt können die Flammen das Gas entzünden und sich ausbreiten. Solange Brennstoff und Sauerstoff vorhanden sind, kann sich Feuer ausbreiten.

Wenn es darum geht, wie sich Feuer bewegt, kommt es auf die Schwerkraft an. Die heißen Gase im Feuer sind heißer und weniger dicht als die Umgebungsluft. Daher bewegen sie sich nach oben, wo ein geringerer Druck herrscht. Deshalb geht das Feuer bergauf und auch, warum Flammen spitz sind.

Flammenchemie

Es gibt eine Vielzahl von Farben, die mit Flammen verbunden sind. Diese hängen von der chemischen Zusammensetzung des zu verbrennenden Brennstoffs, den erzeugten Reaktionsprodukten und der Wärme ab, mit der er verbrennt. Zum Beispiel ist die Farbe Blau in Flammen auf die Anwesenheit von Kohlenstoff und Wasserstoff zurückzuführen, aber es zeigt auch an, dass es der heißeste Teil der Flamme ist. Wenn andererseits Kupferverbindungen verbrannt würden, wären die Flammen grün.

Farbabweichungen in einer Flamme sind auf ungleiche Temperaturen zurückzuführen. Ein typisches Beispiel dafür ist die unvollständige Verbrennung eines Feuers. Dies geschieht, wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist, um mit der Verbrennung von Kraftstoff Schritt zu halten, und dies wird häufig bei Lagerfeuern beobachtet. Dies, weil es nur 21% Sauerstoff in unserer Atmosphäre gibt, und während dies genug ist, um Oxidation zu verursachen, ist es nicht genug, um mit den vielfältigen chemischen Reaktionen Schritt zu halten, die während der Verbrennung stattfinden.

Da es nicht möglich ist, mit Sauerstoff zu reagieren, verkohlt ein Teil des Kraftstoffs mit sich selbst, um Ruß zu erzeugen. Ruß wird extrem heiß und beginnt ein sichtbares weißes Licht auszustrahlen. Die in der Luft aufsteigenden Rußpartikel beginnen sich abzukühlen, wodurch sich ihr Emissionsspektrum ins Infrarote verschiebt. Aus diesem Grund ist die Oberseite eines Feuers normalerweise rot, während die Unterseite eher gelb-weiß ist. Bei vollständiger Verbrennung, dh ausreichender Sauerstoffzufuhr, brennt die Flamme blau. Die Änderungen der Flammenfarbe, die durch die Verbrennungsraten verursacht werden, sind am einfachsten in Bunsenbrennern zu sehen, wo Sie die Sauerstoffmenge, die der Flamme zugeführt wird, manuell steuern können.