we hebben allemaal gehoord van vuur, en zien het bijna elke dag in lucifers, aanstekers, vuurwerk, gaskookplaten en haarden. Maar deze ogenschijnlijk eenvoudige reactie is eigenlijk een complexe wetenschappelijke gebeurtenis.

Wat is vuur precies?

vuur is een exotherme, zichzelf bestendigende reactie die optreedt wanneer een vaste, vloeibare of gasfase brandstof snel oxideert. Dit staat bekend als verbranding, en de reactie geeft warmte, licht en verdere chemische reacties vrij.

hoewel andere reacties mogelijk zijn, wordt verbranding voornamelijk gekenmerkt door het combineren van brandbare materialen met een oxiderende stof.

wanneer brandstof en een oxidatiemiddel tot een bepaalde temperatuur worden verwarmd, treden exotherme chemische reacties op en worden deze gehandhaafd door de extra warmte-energie die zij voortdurend genereren.

daarom zijn deze vier elementen essentieel om een brand uit verbranding te kunnen voortbrengen. Deze relatie kan worden geconceptualiseerd in de vuurtetraëder.

The Fire Tetrahedron Model

De Fire tetrahedron is een representatie van de elementen die nodig zijn om een brand te veroorzaken. De vier zijden van de tetraëder zijn brandstof, een oxidatiemiddel (meestal zuurstof), warmte-energie en een ongeremde kettingreactie.

Waarom heeft brand brandstof nodig?

brandstof verwijst naar een ontvlambaar of brandbaar materiaal dat wordt gebruikt om het verbrandingsproces te starten. Terwijl brandstof een vaste (hout), vloeibare (benzine) of gas (propaan) kan zijn, zullen de materialen alleen branden in de dampfase. Dit betekent dat er een brandbare gasfase moet bestaan om brand te kunnen beginnen.

de gasfase wordt bereikt wanneer een materiaal langs het vlampunt wordt verhit om een dampspanning uit te oefenen die in de lucht kan ontbranden en de verbranding kan ondersteunen.

een voorbeeld van een vast brandbaar materiaal, en misschien wel de meest voorkomende vorm van brandstof, is hout. Deze verbinding heeft moleculen met een hoog molecuulgewicht die materialen zoals ligninen en natuurlijk voorkomende carbohydraatcellulose bevatten.

om hout de noodzakelijke gasfase te laten bereiken, moeten deze materialen thermische ontleding ondergaan door pyrolyse. Dit gebeurt wanneer het hout wordt verhit langs zijn vlampunt, waardoor de cellulose, en andere materialen, om te ontbinden in kleine moleculen die dan kunnen bestaan in gas-fase. Wanneer deze gassen hun ontstekingstemperatuur bereiken, begint de verbranding.

warmte-energie

warmte-energie is nodig om de ontsteking van de brandstof te starten en deze tot de minimumtemperatuur te brengen die nodig is om zichzelf in stand te houden. Dit wordt de ontstekingstemperatuur genoemd.

warmte-energie wordt geproduceerd tijdens de verbranding omdat de reactie exotherm is. Warmte komt vrij wanneer chemische bindingen worden verbroken en gevormd tijdens chemische reacties. Aangezien deze reacties aan de gang zijn, geeft de verbranding meer warmte af dan nodig is om een brand te weerstaan. Dit is wat een vuur zichzelf in stand houdt, en ook wat het heet maakt.

Wat is een oxiderende stof?

een oxidatiemiddel is nodig om de verbranding te ondersteunen door te reageren met de brandstof. Zuurstof in de lucht is het meest gebruikte middel. Zodra de vluchtige gassen die vrijkomen door de brandstof ontbrandingstemperatuur hebben bereikt, breken de samengestelde moleculen uit elkaar en recombineren met zuurstof om waterdamp, kooldioxide, verschillende verbrandingsproducten en meer warmte te vormen. Dit proces wordt oxidatie genoemd en kan worden herkend als verbranding en rook.

Ongeremde kettingreactie

het eindvlak van de tetraëder is de ongeremde kettingreactie die wordt veroorzaakt door de reactie tussen brandstof, warmte en zuurstof. Een ongeremde kettingreactie verwijst naar het zichzelf bestendigende vermogen van verbranding.

vanwege de voortdurende reacties tussen brandstof en zuurstof, die overtollige hoeveelheden warmte-energie genereren, zal de vlam altijd warm genoeg zijn om de brandstof op ontstekingstemperatuur te houden. Daarom zal het vuur blijven branden zolang er voldoende brandstof en zuurstof beschikbaar is. Dit proces eindigt ook wanneer deze bronnen zijn besteed.

Brand: hoe verspreidt het vuur zich?

het gevaar van deze chemische reacties is het feit dat ze zichzelf in stand houden. Brand kan zich juist verspreiden door de ongeremde kettingreactie die optreedt bij verbranding, en door de warmte-energie die de brandstof boven het ontstekingspunt houdt.

de hitte van de vlammen kan de omringende brandstof verwarmen, of het nu om hout of ontvlambare vloeistoffen gaat. Als deze nabijgelegen brandstof wordt verwarmd langs het vlampunt, vluchtige gassen zullen vrijkomen als de brandstof in de gas-fase. Op dit punt kunnen de vlammen het gas ontsteken en zich verspreiden. Zolang er brandstof en zuurstof beschikbaar zijn, kan vuur zich voortplanten.

als het gaat om hoe vuur reist, komt het allemaal neer op zwaartekracht. De hete gassen in het vuur zijn heter en minder dicht dan de omringende lucht. Daarom bewegen ze omhoog naar waar er lagere druk is. Dit is de reden waarom vuur omhoog gaat, en ook waarom vlammen gericht zijn.

Vlamchemie

Er zijn verschillende kleuren geassocieerd met vlammen. Deze zijn afhankelijk van de chemische samenstelling van de brandstof die wordt verbrand, de reactieproducten die worden gegenereerd, en de hitte waarmee het brandt. Bijvoorbeeld, de kleur blauw in vlammen is te wijten aan de aanwezigheid van koolstof en waterstof, maar het geeft ook aan dat het het heetste deel van de vlam. Als er koperverbindingen worden verbrand, aan de andere kant, zouden de vlammen groen zijn.

kleurvariatie in een vlam is te wijten aan ongelijke temperatuur. Een typisch voorbeeld hiervan is wanneer een brand incomplete verbranding ondergaat. Dit gebeurt wanneer er niet genoeg zuurstof om gelijke tred te houden met het verbranden van brandstof, en het wordt vaak gezien in kampvuren. Dit omdat er slechts 21% zuurstof in onze atmosfeer zit, en hoewel dit voldoende is om oxidatie te veroorzaken, is het niet genoeg om de meervoudige chemische reacties bij te houden die plaatsvinden tijdens de verbranding.

omdat de brandstof niet met zuurstof kan reageren, wordt een deel van de brandstof zelf verkoold om roet te creëren. Roet wordt extreem heet en begint een zichtbaar wit licht uit te stralen. De roetdeeltjes die in de lucht stijgen, beginnen af te koelen, waardoor hun emissiespectrum naar infrarood verschuift. Dit is de reden waarom de bovenkant van een vuur is meestal rood, terwijl de onderkant in meer geel-wit. Bij volledige verbranding, wat betekent dat er voldoende zuurstof is, zal de vlam blauw branden. De veranderingen in vlamkleur als gevolg van verbrandingssnelheden zijn het gemakkelijkst te zien in Bunsenbranders, waar u de hoeveelheid zuurstof die aan de vlam wordt toegevoerd handmatig kunt regelen.