Terdiri dari apakah kimia api? Apa itu api dan mengapa bisa terbakar? Api: struktur dan struktur

Bagaimana mengutuk kegelapan
Setidaknya lebih baik menyalakannya
satu lilin kecil.
Konfusius

Pertama

Upaya pertama untuk memahami mekanisme pembakaran dikaitkan dengan nama orang Inggris Robert Boyle, orang Prancis Antoine Laurent Lavoisier, dan Mikhail Vasilyevich Lomonosov dari Rusia. Ternyata selama pembakaran, zat tersebut tidak “menghilang” di mana pun, seperti yang diyakini secara naif, tetapi berubah menjadi zat lain, sebagian besar berbentuk gas sehingga tidak terlihat. Lavoisier adalah orang pertama yang menunjukkan pada tahun 1774 bahwa selama pembakaran, sekitar seperlimanya hilang dari udara. Selama abad ke-19, para ilmuwan mempelajari secara rinci proses fisik dan kimia yang menyertai pembakaran. Kebutuhan akan pekerjaan tersebut terutama disebabkan oleh kebakaran dan ledakan di tambang.

Namun baru pada kuartal terakhir abad kedua puluh reaksi kimia utama yang menyertai pembakaran teridentifikasi, dan hingga saat ini masih banyak bintik hitam yang tersisa dalam kimia api. Mereka dipelajari menggunakan metode paling modern di banyak laboratorium. Studi-studi ini memiliki beberapa tujuan. Di satu sisi, perlu dilakukan optimalisasi proses pembakaran pada tungku pembangkit listrik tenaga panas dan pada silinder mesin pembakaran dalam, untuk mencegah pembakaran yang bersifat eksplosif (detonasi) pada saat campuran udara-bensin dikompresi dalam silinder mobil. Di sisi lain, perlu untuk mengurangi jumlah zat berbahaya yang terbentuk selama proses pembakaran, dan pada saat yang sama, mencari cara yang lebih efektif untuk memadamkan api.

Ada dua jenis nyala api. Bahan bakar dan oksidator (paling sering oksigen) dapat disuplai secara paksa atau spontan ke zona pembakaran secara terpisah dan dicampur dalam nyala api. Atau dapat dicampur terlebih dahulu - campuran tersebut dapat terbakar atau bahkan meledak jika tidak ada udara, seperti bubuk mesiu, campuran kembang api untuk kembang api, bahan bakar roket. Pembakaran dapat terjadi baik dengan partisipasi oksigen yang masuk ke zona pembakaran dengan udara, maupun dengan bantuan oksigen yang terkandung dalam zat pengoksidasi. Salah satu zat tersebut adalah garam Berthollet (kalium klorat KClO 3); zat ini dengan mudah melepaskan oksigen. Zat pengoksidasi kuat adalah asam nitrat HNO 3: dalam bentuk murninya ia membakar banyak zat organik. Nitrat, garam asam nitrat (misalnya, dalam bentuk pupuk - kalium atau amonium nitrat), sangat mudah terbakar jika tercampur dengan bahan yang mudah terbakar. Pengoksidasi kuat lainnya, nitrogen tetroksida N 2 O 4 adalah komponen bahan bakar roket. Oksigen juga dapat digantikan oleh zat pengoksidasi kuat seperti klorin, yang menyebabkan banyak zat terbakar, atau fluor. Fluor murni adalah salah satu zat pengoksidasi air yang paling kuat yang terbakar dalam alirannya.

Reaksi berantai

Fondasi teori pembakaran dan perambatan api diletakkan pada akhir tahun 20-an abad yang lalu. Sebagai hasil dari penelitian ini, reaksi berantai bercabang ditemukan. Atas penemuan ini, ahli kimia fisik Rusia Nikolai Nikolaevich Semenov dan peneliti Inggris Cyril Hinshelwood dianugerahi Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1956. Reaksi berantai tidak bercabang yang lebih sederhana ditemukan pada tahun 1913 oleh ahli kimia Jerman Max Bodenstein dengan menggunakan contoh reaksi hidrogen dengan klor. Reaksi keseluruhan dinyatakan dengan persamaan sederhana H 2 + Cl 2 = 2HCl. Faktanya, ini melibatkan fragmen molekul yang sangat aktif – yang disebut radikal bebas. Di bawah pengaruh cahaya di wilayah spektrum ultraviolet dan biru atau pada suhu tinggi, molekul klorin terurai menjadi atom, yang memulai rantai transformasi yang panjang (terkadang hingga satu juta mata rantai); Masing-masing transformasi ini disebut reaksi elementer:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl, dst.

Pada setiap tahap (tautan reaksi), satu pusat aktif (atom hidrogen atau klor) menghilang dan pada saat yang sama muncul pusat aktif baru, melanjutkan rantai. Rantai putus ketika dua spesies aktif bertemu, misalnya Cl + Cl → Cl 2. Setiap rantai merambat dengan sangat cepat, sehingga jika partikel aktif "awal" dihasilkan dengan kecepatan tinggi, reaksi akan berlangsung sangat cepat sehingga dapat menyebabkan ledakan.

N. N. Semenov dan Hinshelwood menemukan bahwa reaksi pembakaran uap fosfor dan hidrogen berlangsung secara berbeda: percikan sekecil apa pun atau nyala api terbuka dapat menyebabkan ledakan bahkan pada suhu kamar. Reaksi-reaksi ini adalah reaksi berantai bercabang: partikel aktif “berkembang biak” selama reaksi, yaitu ketika satu partikel aktif menghilang, dua atau tiga muncul. Misalnya, dalam campuran hidrogen dan oksigen, yang dapat disimpan secara diam-diam selama ratusan tahun jika tidak ada pengaruh luar, kemunculan atom hidrogen aktif karena satu dan lain hal memicu proses berikut:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Jadi, dalam waktu singkat, satu partikel aktif (atom H) berubah menjadi tiga (satu atom hidrogen dan dua radikal OH hidroksil), yang sudah meluncurkan tiga rantai, bukan satu. Akibatnya, jumlah rantai bertambah seperti longsoran salju, yang langsung menyebabkan ledakan campuran hidrogen dan oksigen, karena banyak energi panas yang dilepaskan dalam reaksi ini. Atom oksigen hadir dalam nyala api dan pembakaran zat lain. Mereka dapat dideteksi dengan mengarahkan aliran udara bertekanan ke bagian atas nyala api pembakar. Pada saat yang sama, bau khas ozon akan terdeteksi di udara - ini adalah atom oksigen yang “menempel” pada molekul oksigen untuk membentuk molekul ozon: O + O 2 = O 3, yang dikeluarkan dari nyala api oleh udara dingin .

Kemungkinan ledakan campuran oksigen (atau udara) dengan banyak gas yang mudah terbakar - hidrogen, karbon monoksida, metana, asetilena - bergantung pada kondisi, terutama pada suhu, komposisi dan tekanan campuran. Jadi, jika akibat kebocoran gas rumah tangga di dapur (sebagian besar terdiri dari metana), kandungannya di udara melebihi 5%, maka campuran tersebut akan meledak dari nyala korek api atau korek api, atau bahkan dari api. percikan kecil yang keluar melalui sakelar saat lampu dinyalakan. Tidak akan ada ledakan jika rantai putus lebih cepat daripada percabangannya. Inilah sebabnya mengapa lampu untuk para penambang, yang dikembangkan oleh ahli kimia Inggris Humphry Davy pada tahun 1816, tanpa mengetahui apa pun tentang kimia api, aman. Dalam lampu ini, nyala api terbuka dipagari dari atmosfer luar (yang dapat menyebabkan ledakan) dengan jaring logam tebal. Pada permukaan logam, partikel aktif menghilang secara efektif, berubah menjadi molekul stabil, dan karenanya tidak dapat menembus ke lingkungan luar.

Mekanisme lengkap reaksi berantai bercabang sangat kompleks dan dapat mencakup lebih dari seratus reaksi dasar. Banyak reaksi oksidasi dan pembakaran senyawa anorganik dan organik merupakan reaksi berantai bercabang. Demikian pula reaksi fisi inti unsur berat, misalnya plutonium atau uranium, di bawah pengaruh neutron, yang bertindak sebagai analogi partikel aktif dalam reaksi kimia. Menembus ke dalam inti suatu unsur berat, neutron menyebabkan fisinya, yang disertai dengan pelepasan energi yang sangat tinggi; Pada saat yang sama, neutron baru dipancarkan dari inti, yang menyebabkan fisi inti di sekitarnya. Proses rantai cabang kimia dan nuklir dijelaskan oleh model matematika serupa.

Apa yang Anda perlukan untuk memulai?

Agar pembakaran dapat dimulai, sejumlah kondisi harus dipenuhi. Pertama-tama, suhu zat yang mudah terbakar harus melebihi nilai batas tertentu, yang disebut suhu penyalaan. Novel terkenal Ray Bradbury Fahrenheit 451 dinamakan demikian karena pada suhu sekitar ini (233°C) kertas terbakar. Ini adalah “suhu penyalaan” di mana bahan bakar padat melepaskan uap yang mudah terbakar atau produk penguraian gas dalam jumlah yang cukup untuk pembakaran yang stabil. Temperatur penyalaan kayu pinus kering kurang lebih sama.

Temperatur nyala api bergantung pada sifat bahan yang mudah terbakar dan kondisi pembakaran. Jadi, suhu nyala metana di udara mencapai 1900°C, dan saat terbakar dalam oksigen - 2700°C. Nyala api yang lebih panas dihasilkan ketika hidrogen (2800°C) dan asetilena (3000°C) dibakar dalam oksigen murni. Tidak heran nyala obor asetilena dengan mudah memotong hampir semua logam. Suhu tertinggi, sekitar 5000°C (tercatat dalam Guinness Book of Records), diperoleh ketika dibakar dalam oksigen oleh cairan dengan titik didih rendah - karbon subnitrida C 4 N 2 (zat ini memiliki struktur dicyanoacetylene NC–C =C–CN). Dan menurut beberapa informasi, jika terbakar di atmosfer ozon, suhunya bisa mencapai 5700°C. Jika cairan ini dibakar di udara, ia akan terbakar dengan nyala api merah berasap dengan garis tepi hijau-ungu. Di sisi lain, api dingin juga dikenal. Misalnya, uap fosfor terbakar pada tekanan rendah. Nyala api yang relatif dingin juga diperoleh selama oksidasi karbon disulfida dan hidrokarbon ringan dalam kondisi tertentu; misalnya, propana menghasilkan nyala api dingin pada tekanan dan suhu rendah antara 260–320°C.

Baru pada kuartal terakhir abad ke-20 mekanisme proses yang terjadi dalam nyala api banyak zat yang mudah terbakar mulai menjadi lebih jelas. Mekanisme ini sangat kompleks. Molekul aslinya biasanya terlalu besar untuk bereaksi langsung dengan oksigen menjadi produk reaksi. Misalnya pembakaran oktan, salah satu komponen bensin, dinyatakan dengan persamaan 2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O. Namun, seluruh 8 atom karbon dan 18 atom hidrogen dalam satu molekul oktan tidak dapat bergabung secara bersamaan dengan 50 atom oksigen : agar hal ini terjadi, banyak ikatan kimia yang harus diputus dan banyak ikatan kimia baru harus dibentuk. Reaksi pembakaran terjadi dalam banyak tahap - sehingga pada setiap tahap hanya sejumlah kecil ikatan kimia yang diputus dan terbentuk, dan prosesnya terdiri dari banyak reaksi elementer yang terjadi secara berurutan, yang keseluruhannya tampak bagi pengamat sebagai nyala api. Sulit untuk mempelajari reaksi elementer terutama karena konsentrasi partikel antara reaktif dalam nyala api sangat kecil.

Di dalam nyala api

Pemeriksaan optik pada berbagai area nyala api menggunakan laser memungkinkan untuk menetapkan komposisi kualitatif dan kuantitatif dari partikel aktif yang ada di sana - fragmen molekul zat yang mudah terbakar. Ternyata bahkan dalam reaksi pembakaran hidrogen dalam oksigen 2H 2 + O 2 = 2H 2 O yang tampaknya sederhana, lebih dari 20 reaksi elementer terjadi dengan partisipasi molekul O 2, H 2, O 3, H 2 O 2 , H 2 O, partikel aktif N, O, OH, TAPI 2. Sebagai contoh, berikut adalah apa yang ditulis oleh ahli kimia Inggris Kenneth Bailey tentang reaksi ini pada tahun 1937: “Persamaan reaksi hidrogen dengan oksigen adalah persamaan pertama yang diketahui oleh sebagian besar pemula di bidang kimia. Reaksi ini tampak sangat sederhana bagi mereka. Namun bahkan ahli kimia profesional pun takjub melihat buku setebal seratus halaman berjudul “Reaksi Oksigen dengan Hidrogen,” yang diterbitkan oleh Hinshelwood dan Williamson pada tahun 1934.” Untuk ini kita dapat menambahkan bahwa pada tahun 1948 sebuah monografi yang jauh lebih besar oleh A. B. Nalbandyan dan V. V. Voevodsky diterbitkan dengan judul “Mekanisme Oksidasi dan Pembakaran Hidrogen.”

Metode penelitian modern telah memungkinkan untuk mempelajari tahapan individu dari proses tersebut dan mengukur laju reaksi berbagai partikel aktif satu sama lain dan dengan molekul stabil pada suhu berbeda. Mengetahui mekanisme masing-masing tahapan proses, adalah mungkin untuk “merakit” keseluruhan proses, yaitu mensimulasikan nyala api. Kompleksitas pemodelan tersebut tidak hanya terletak pada mempelajari seluruh kompleks reaksi kimia dasar, tetapi juga pada kebutuhan untuk memperhitungkan proses difusi partikel, perpindahan panas dan aliran konveksi dalam nyala api (yang terakhir inilah yang menciptakan hal yang menakjubkan. permainan lidah api yang menyala-nyala).

Darimana semuanya berasal?

Bahan bakar utama industri modern adalah hidrokarbon, mulai dari hidrokarbon paling sederhana, metana, hingga hidrokarbon berat, yang terkandung dalam bahan bakar minyak. Nyala api hidrokarbon paling sederhana sekalipun, metana, dapat melibatkan hingga seratus reaksi elementer. Namun, tidak semuanya dipelajari secara cukup rinci. Ketika hidrokarbon berat, seperti yang ditemukan dalam parafin, terbakar, molekulnya tidak dapat mencapai zona pembakaran tanpa tetap utuh. Bahkan saat mendekati api, karena suhu tinggi, mereka terpecah menjadi beberapa bagian. Dalam hal ini, gugus yang mengandung dua atom karbon biasanya dipisahkan dari molekul, misalnya C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Spesies aktif dengan jumlah atom karbon ganjil dapat mengabstraksi atom hidrogen, membentuk senyawa dengan ikatan rangkap C=C dan rangkap tiga C≡C. Diketahui bahwa dalam nyala api, senyawa tersebut dapat mengalami reaksi yang sebelumnya tidak diketahui oleh ahli kimia, karena tidak terjadi di luar nyala api, misalnya C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → BERSAMA 2 + H + N.

Hilangnya hidrogen secara bertahap oleh molekul awal menyebabkan peningkatan proporsi karbon di dalamnya, hingga terbentuk partikel C 2 H 2, C 2 H, C 2. Zona nyala biru-biru disebabkan oleh pancaran partikel C2 dan CH yang tereksitasi di zona ini. Jika akses oksigen ke zona pembakaran terbatas, maka partikel-partikel ini tidak teroksidasi, tetapi dikumpulkan menjadi agregat - mereka berpolimerisasi sesuai dengan skema C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + N, dst.

Hasilnya adalah partikel jelaga yang hampir seluruhnya terdiri dari atom karbon. Bentuknya seperti bola kecil, diameternya mencapai 0,1 mikrometer, dan mengandung sekitar satu juta atom karbon. Partikel-partikel tersebut pada suhu tinggi menghasilkan nyala api kuning yang terang. Pada bagian atas nyala lilin, partikel-partikel tersebut terbakar sehingga lilin tidak berasap. Jika terjadi adhesi lebih lanjut dari partikel aerosol ini, partikel jelaga yang lebih besar akan terbentuk. Akibatnya nyala api (misalnya karet yang terbakar) menghasilkan asap hitam. Asap tersebut muncul jika proporsi karbon relatif terhadap hidrogen dalam bahan bakar asli ditingkatkan. Contohnya adalah terpentin - campuran hidrokarbon dengan komposisi C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzena C 6 H 6 (C n H 2n–6), dan cairan mudah terbakar lainnya yang kekurangan hidrogen - semuanya diantaranya merokok ketika dibakar. Nyala api berasap dan bercahaya terang dihasilkan oleh asetilena C 2 H 2 (C n H 2n–2) yang terbakar di udara; Dahulu kala, nyala api seperti itu digunakan pada lentera asetilena yang dipasang pada sepeda dan mobil, serta pada lampu penambang. Dan sebaliknya: hidrokarbon dengan kandungan hidrogen tinggi - metana CH 4, etana C 2 H 6, propana C 3 H 8, butana C 4 H 10 (rumus umum C n H 2n + 2) - terbakar dengan akses udara yang cukup dengan nyala api yang hampir tidak berwarna. Campuran propana dan butana dalam bentuk cairan bertekanan rendah ditemukan dalam korek api, serta dalam silinder yang digunakan oleh penghuni musim panas dan wisatawan; silinder yang sama dipasang di mobil bertenaga gas. Baru-baru ini, ditemukan bahwa jelaga sering kali mengandung molekul berbentuk bola yang terdiri dari 60 atom karbon; mereka disebut fullerene, dan penemuan bentuk karbon baru ini ditandai dengan penghargaan Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1996.

Selama proses pembakaran, nyala api terbentuk, yang strukturnya ditentukan oleh zat yang bereaksi. Strukturnya dibagi menjadi beberapa area tergantung pada indikator suhu.

Definisi

Api mengacu pada gas dalam bentuk panas, di mana komponen atau zat plasma terdapat dalam bentuk padat yang terdispersi. Transformasi jenis fisik dan kimia dilakukan di dalamnya, disertai dengan cahaya, pelepasan energi panas dan pemanasan.

Kehadiran partikel ionik dan radikal dalam media gas mencirikan konduktivitas listrik dan perilaku khususnya dalam medan elektromagnetik.

Apa itu api

Ini biasanya nama yang diberikan untuk proses yang berhubungan dengan pembakaran. Dibandingkan dengan udara, massa jenis gas lebih rendah, namun suhu yang tinggi menyebabkan gas naik. Ini adalah bagaimana api terbentuk, yang bisa panjang atau pendek. Seringkali terjadi transisi yang mulus dari satu bentuk ke bentuk lainnya.

Api: struktur dan struktur

Untuk menentukan kemunculan fenomena yang dijelaskan, cukup dengan menyalakannya. Nyala api tak bercahaya yang muncul tidak bisa disebut homogen. Secara visual, ada tiga bidang utama yang dapat dibedakan. Omong-omong, mempelajari struktur nyala api menunjukkan bahwa berbagai zat terbakar dengan pembentukan berbagai jenis obor.

Ketika campuran gas dan udara terbakar, obor pendek pertama kali terbentuk, yang warnanya bernuansa biru dan ungu. Inti terlihat di dalamnya - hijau-biru, mengingatkan pada kerucut. Mari kita pertimbangkan nyala api ini. Strukturnya dibagi menjadi tiga zona:

Area persiapan diidentifikasi di mana campuran gas dan udara dipanaskan saat keluar dari bukaan pembakar.
Ini diikuti oleh zona tempat terjadinya pembakaran. Itu menempati bagian atas kerucut.
Jika aliran udara tidak mencukupi, gas tidak terbakar sempurna. Residu karbon oksida divalen dan hidrogen dilepaskan. Pembakarannya terjadi di wilayah ketiga, di mana terdapat akses oksigen.

Sekarang kita akan mempertimbangkan secara terpisah proses pembakaran yang berbeda.

Lilin yang menyala

Membakar lilin sama dengan menyalakan korek api atau korek api. Dan struktur nyala lilin menyerupai aliran gas panas, yang ditarik ke atas karena adanya gaya apung. Prosesnya diawali dengan pemanasan sumbu, dilanjutkan dengan penguapan lilin.

Zona terendah yang terletak di dalam dan berdekatan dengan benang disebut wilayah pertama. Ia memiliki sedikit cahaya karena sejumlah besar bahan bakar, tetapi volume campuran oksigennya kecil. Di sini terjadi proses pembakaran zat yang tidak sempurna, pelepasan zat yang kemudian teroksidasi.

Zona pertama dikelilingi oleh cangkang kedua yang bercahaya, yang menjadi ciri struktur nyala lilin. Sejumlah besar oksigen masuk ke dalamnya, yang menyebabkan berlanjutnya reaksi oksidasi dengan partisipasi molekul bahan bakar. Suhu di sini akan lebih tinggi dibandingkan di zona gelap, namun tidak cukup untuk dekomposisi akhir. Di dua area pertama, ketika tetesan bahan bakar yang tidak terbakar dan partikel batubara dipanaskan dengan kuat, efek cahaya muncul.

Zona kedua dikelilingi oleh cangkang dengan visibilitas rendah dengan nilai suhu tinggi. Banyak molekul oksigen masuk ke dalamnya, yang berkontribusi pada pembakaran sempurna partikel bahan bakar. Setelah oksidasi zat, efek cahaya tidak diamati di zona ketiga.

Ilustrasi skema

Untuk lebih jelasnya, kami sajikan kepada Anda gambar lilin yang menyala. Rangkaian api meliputi:

Area pertama atau gelap.
Zona bercahaya kedua.
Cangkang transparan ketiga.

Benang lilin tidak terbakar, tetapi hanya terjadi hangus pada ujung yang bengkok.

Lampu alkohol menyala

Untuk eksperimen kimia, tangki kecil berisi alkohol sering digunakan. Mereka disebut lampu alkohol. Sumbu pembakar direndam dengan bahan bakar cair yang dituangkan melalui lubang. Ini difasilitasi oleh tekanan kapiler. Ketika bagian atas sumbu yang bebas tercapai, alkohol mulai menguap. Dalam bentuk uap, ia menyala dan terbakar pada suhu tidak lebih dari 900 °C.

Nyala api lampu alkohol berbentuk normal, hampir tidak berwarna, dengan sedikit warna biru. Zonanya tidak terlihat sejelas zona candle.

Dinamakan setelah ilmuwan Barthel, permulaan api terletak di atas jaringan pembakar. Pendalaman nyala api ini menyebabkan berkurangnya kerucut gelap bagian dalam, dan bagian tengah, yang dianggap paling panas, muncul dari lubang.

Karakteristik warna

Berbagai radiasi disebabkan oleh transisi elektronik. Mereka juga disebut termal. Jadi, akibat pembakaran komponen hidrokarbon di udara, nyala api biru disebabkan oleh pelepasan senyawa H-C. Dan ketika partikel C-C dipancarkan, obor berubah menjadi oranye-merah.

Sulit untuk mempertimbangkan struktur nyala api, yang sifat kimianya meliputi senyawa air, karbon dioksida dan karbon monoksida, serta ikatan OH. Lidahnya praktis tidak berwarna, karena partikel di atas, ketika dibakar, memancarkan radiasi dalam spektrum ultraviolet dan inframerah.

Warna nyala api saling berhubungan dengan indikator suhu, dengan adanya partikel ionik di dalamnya, yang termasuk dalam spektrum emisi atau optik tertentu. Dengan demikian, pembakaran unsur-unsur tertentu menyebabkan perubahan warna api pada pembakar. Perbedaan warna obor dikaitkan dengan susunan unsur-unsur dalam kelompok yang berbeda dalam sistem periodik.

Api diperiksa dengan spektroskop untuk mengetahui keberadaan radiasi dalam spektrum tampak. Pada saat yang sama, ditemukan bahwa zat sederhana dari subkelompok umum juga menyebabkan warna nyala api yang serupa. Untuk lebih jelasnya, pembakaran natrium digunakan sebagai pengujian untuk logam ini. Saat dimasukkan ke dalam nyala api, lidahnya berubah menjadi kuning cerah. Berdasarkan karakteristik warnanya, garis natrium diidentifikasi dalam spektrum emisi.

Hal ini ditandai dengan sifat eksitasi cepat radiasi cahaya dari partikel atom. Jika senyawa non-volatil dari unsur-unsur tersebut dimasukkan ke dalam api pembakar bunsen, maka akan berwarna.

Pemeriksaan spektroskopi menunjukkan garis-garis khas pada daerah yang terlihat oleh mata manusia. Kecepatan eksitasi radiasi cahaya dan struktur spektral sederhana berkaitan erat dengan karakteristik elektropositif yang tinggi dari logam-logam tersebut.

Ciri

Klasifikasi nyala api didasarkan pada ciri-ciri berikut:

keadaan agregat senyawa yang terbakar. Mereka datang dalam bentuk gas, udara, padat dan cair;
jenis radiasi, yang tidak berwarna, bercahaya dan berwarna;
kecepatan distribusi. Ada penyebaran yang cepat dan lambat;
tinggi nyala api. Strukturnya bisa pendek atau panjang;
sifat pergerakan campuran yang bereaksi. Ada gerakan yang berdenyut, laminar, turbulen;
persepsi visual. Zat terbakar dengan keluarnya api berasap, berwarna atau transparan;
indikator suhu. Nyala api bisa bersuhu rendah, dingin, dan bersuhu tinggi.
keadaan bahan bakar - fase reagen pengoksidasi.

Pembakaran terjadi sebagai akibat difusi atau pencampuran awal komponen aktif.

Daerah oksidatif dan reduksi

Proses oksidasi terjadi di zona yang hampir tidak terlihat. Ini adalah yang terpanas dan terletak di bagian atas. Di dalamnya, partikel bahan bakar mengalami pembakaran sempurna. Dan adanya kelebihan oksigen dan kekurangan bahan bakar menyebabkan proses oksidasi yang intens. Fitur ini sebaiknya digunakan saat memanaskan benda di atas kompor. Itulah sebabnya zat tersebut dibenamkan di bagian atas nyala api. Pembakaran ini berlangsung lebih cepat.

Reaksi reduksi terjadi di bagian tengah dan bawah nyala api. Ini mengandung sejumlah besar zat yang mudah terbakar dan sejumlah kecil molekul O2 yang melakukan pembakaran. Ketika dimasukkan ke area ini, unsur O dihilangkan.

Sebagai contoh nyala api pereduksi, digunakan proses pemisahan besi sulfat. Ketika FeSO 4 memasuki bagian tengah obor pembakar, pertama-tama ia memanas dan kemudian terurai menjadi besi oksida, anhidrida, dan sulfur dioksida. Dalam reaksi ini, terjadi reduksi S dengan muatan +6 menjadi +4.

Api las

Api jenis ini terbentuk akibat pembakaran campuran gas atau uap cair dengan oksigen dari udara bersih.

Contohnya adalah pembentukan nyala oksiasetilen. Ini membedakan:

zona inti;
area pemulihan menengah;
suar zona ekstrim.

Ini adalah jumlah campuran gas-oksigen yang terbakar. Perbedaan rasio asetilena terhadap oksidator menghasilkan jenis nyala api yang berbeda. Ini bisa berupa struktur normal, karburasi (asetilenik) dan pengoksidasi.

Secara teoritis, proses pembakaran tidak sempurna asetilena dalam oksigen murni dapat dicirikan dengan persamaan berikut: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (diperlukan satu mol O 2 untuk reaksinya).

Molekul hidrogen dan karbon monoksida yang dihasilkan bereaksi dengan oksigen udara. Produk akhirnya adalah air dan karbon oksida tetravalen. Persamaannya seperti ini: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O. Reaksi ini memerlukan 1,5 mol oksigen. Saat menjumlahkan O 2, ternyata 2,5 mol dihabiskan untuk 1 mol HCCH. Dan karena dalam praktiknya sulit untuk menemukan oksigen murni ideal (seringkali sedikit terkontaminasi dengan pengotor), rasio O 2 terhadap HCCH adalah 1,10 berbanding 1,20.

Ketika rasio oksigen terhadap asetilena kurang dari 1,10, terjadi nyala karburasi. Strukturnya memiliki inti yang membesar, garis besarnya menjadi kabur. Jelaga dilepaskan dari api tersebut karena kekurangan molekul oksigen.

Jika rasio gas lebih besar dari 1,20, maka diperoleh nyala pengoksidasi dengan oksigen berlebih. Molekul berlebihnya menghancurkan atom besi dan komponen lain dari pembakar baja. Pada nyala api seperti itu, bagian inti menjadi pendek dan mempunyai titik-titik.

Indikator suhu

Setiap zona api lilin atau pembakar memiliki nilainya sendiri-sendiri, ditentukan oleh suplai molekul oksigen. Suhu nyala api terbuka di berbagai bagiannya berkisar antara 300 °C hingga 1600 °C.

Contohnya adalah nyala api difusi dan laminar yang dibentuk oleh tiga cangkang. Kerucutnya terdiri dari area gelap dengan suhu hingga 360 °C dan kekurangan zat pengoksidasi. Di atasnya ada zona cahaya. Temperaturnya berkisar antara 550 hingga 850 °C, yang mendorong dekomposisi termal dari campuran yang mudah terbakar dan pembakarannya.

Bagian luarnya hampir tidak terlihat. Di dalamnya, suhu nyala api mencapai 1560 °C, hal ini disebabkan oleh karakteristik alami molekul bahan bakar dan kecepatan masuknya zat pengoksidasi. Di sinilah pembakaran paling energik.

Zat menyala pada kondisi suhu yang berbeda. Jadi, logam magnesium hanya terbakar pada suhu 2210 °C. Untuk banyak benda padat, suhu nyalanya sekitar 350°C. Korek api dan minyak tanah dapat menyala pada suhu 800 °C, sedangkan kayu dapat menyala pada suhu 850 °C hingga 950 °C.

Rokok dibakar dengan nyala api yang suhunya bervariasi dari 690 hingga 790 °C, dan dalam campuran propana-butana - dari 790 °C hingga 1960 °C. Bensin menyala pada suhu 1350 °C. Nyala api pembakaran alkohol mempunyai suhu tidak lebih dari 900 °C.

Teks karya diposting tanpa gambar dan rumus.
Versi lengkap dari karya ini tersedia di tab "File Kerja" dalam format PDF

Api lilin, api api,

Api dari api yang dahsyat.

Lampu - mereka semua adalah ahlinya

Hadiah yang diturunkan kepada orang-orang.

Perkenalan

Dia bisa dilahirkan, menjadi lebih kuat dan tumbuh. Mungkin melemah dan mati. Bisa menjadi penuh hormat dan penuh kasih sayang atau kejam dan serakah. Ia menerkam, melahap, memakan. Anda bisa melawannya dan dia akan mundur dengan kekalahan. Ini bisa menyelamatkan Anda atau berubah menjadi tragedi yang mengerikan.

"Api!" - ini adalah seruan harapan bagi yang terhilang dan perintah tegas yang membawa kematian bagi musuh.

Rambut berapi-api, mata terbakar, tatapan mendesis. Kilatan kemarahan, ledakan tawa. Bermain dengan api, nyalakan pikiran, bersinar dengan antusiasme, terbakar dengan gairah. “Percikan kecil akan melahirkan nyala api yang besar”, “Api dan air akan menghancurkan segalanya”, “Dalam api, besi meleleh”, “Api adalah teman dan musuh manusia.”

Contoh yang cukup. Mereka hanya perlu mengingatkan kita apa peran karunia alam ini dalam kehidupan kita. Bahasa kita telah memberinya ciri-ciri makhluk hidup, dan sebaliknya, penampilan dan emosi seseorang sering dikaitkan dengan sifat-sifat nyala api.

Kebakaran telah lama menjadi bagian integral dari kehidupan masyarakat. Apakah mungkin membayangkan keberadaan kita tanpa api? Tentu tidak. Manusia modern menghadapi proses pembakaran setiap hari.

Tujuan pekerjaan: mempelajari proses pembakaran dari berbagai sudut pandang.

Mempelajari literatur dan sumber internet yang berkaitan dengan topik pembakaran;

Mengenal sejarah penguasaan api;

Temukan informasi dan instruksi tepat untuk melakukan eksperimen terkait proses pembakaran.

Sedikit sejarah

Pembakaran- Ini adalah reaksi kimia pertama yang diketahui manusia.

Menurut legenda, api dibawa ke orang-orang yang beku dan tidak bahagia oleh titan Prometheus, meskipun ada larangan dari Zeus. Namun, kemungkinan besar, individu humanoid primitif mengalami kebakaran selama kebakaran yang disebabkan oleh sambaran petir dan letusan gunung berapi. Mereka tidak tahu cara mengekstraknya sendiri, tapi mereka bisa membawa dan memeliharanya. Bukti pertama penggunaan api oleh manusia berasal dari situs arkeologi manusia purba seperti Chesowanya di Afrika Timur, Swartkrans di Afrika Selatan, Zhoukoudian dan Xihoudu di Cina, dan Trinil di pulau Jawa. Lubang api, abu dan arang yang berasal dari 1,5-2 juta tahun yang lalu, ditemukan alat-alat yang terbakar dari manusia primitif dan tulang mamalia.

Kapan manusia mulai membuat api sendiri tidak diketahui secara pasti hingga tahun 2008, ketika sekelompok arkeolog Israel menyebutkan tanggal yang relatif tepat yaitu 790 ribu tahun yang lalu. Para ilmuwan membuat kesimpulan ini berdasarkan hasil penggalian di situs Paleolitik Awal yang terkenal di Gesher Bnot Yaakov. Menurut laporan di jurnal Quaternary Science Review, mereka menemukan jejak teknik primitif pembuatan api yang digunakan selama hampir dua belas generasi yang menghuni daerah tersebut. Kesimpulan juga dibuat berdasarkan studi lebih rinci tentang batu dan perkakas batu yang ditemukan sebelumnya.

Cara pertama manusia menghasilkan api secara mandiri adalah dengan gesekan. Cara ini kadang-kadang digunakan di zaman kita, misalnya dalam kondisi berkemah.

Lambat laun, seiring dengan bertambahnya pengalaman praktis dan pengetahuan baru tentang dunia di sekitar umat manusia, metode lain untuk membuat api, berdasarkan percikan api, datang menggantikannya. Hal ini terletak pada kenyataan bahwa ketika sebuah batu menghantam mineral tertentu dengan tajam, partikel-partikel kecil terbang keluar dari permukaannya, yang segera terbakar dan, jatuh pada bahan yang mudah terbakar, membakarnya. Ini termasuk, misalnya, pirit (besi (II) disulfida - FeS 2). Mineral lain dengan sifat yang sama telah diketahui. Seiring waktu, metode ini ditingkatkan: api mulai dihasilkan dengan memukulkan percikan api dari mineral silikon yang lebih umum dan mudah diakses dengan batang besi. Bahan yang mudah terbakar adalah tinder atau derek yang terbakar. Api diperoleh dengan cara ini di Eropa hingga pertengahan abad ke-19. Alat yang digunakan disebut “batu api” di Rusia.

Metode menarik lainnya digunakan dari zaman kuno hingga pertengahan abad ke-20 oleh suku-suku di pulau Sumatera, Jawa, Kalimantan, dan Sulawesi: membuat api dengan mengompresi udara secara tajam menggunakan alat khusus.

Saat ini masyarakat terus menerus dihadapkan pada proses pembakaran. Ini bisa berupa pembakaran gas di kompor gas, ledakan mikro bahan bakar di mesin mobil diesel, sistem pemanas di rumah-rumah pribadi atau pengoperasian pembangkit listrik tenaga panas, dll. Dalam urusan militer, api berarti menembakkan senjata api.

Tembak melalui mata seorang ilmuwan

Apa itu api? Dari sudut pandang kimia, ini adalah zona di mana reaksi oksidasi eksotermik terjadi, kadang-kadang disertai dengan pirolisis (dekomposisi termal senyawa organik dan banyak anorganik). Dari sudut pandang fisika, ini adalah emisi cahaya oleh zat yang dipanaskan dari zona reaksi tersebut.

Mengapa kita melihat api? Partikel bahan yang mudah terbakar dan hasil pembakaran bersinar karena mempunyai suhu tinggi (radiasi benda hitam biasa). Suhu tinggi memungkinkan atom untuk berpindah ke keadaan energi yang lebih tinggi untuk beberapa waktu, dan kemudian, setelah kembali ke keadaan semula, memancarkan cahaya dengan frekuensi tertentu, yang sesuai dengan struktur kulit elektron suatu unsur.

Apa perbedaan antara "api" dan "membakar"? Api adalah bentuk pembakaran cepat yang melepaskan cahaya dan panas. Pembakaran- proses fisikokimia kompleks yang mengubah zat awal menjadi produk pembakaran selama reaksi eksotermik. Untuk proses pembakaran yang Anda butuhkan:

Bahan mudah terbakar (bahan bakar);

Agen pengoksidasi (paling sering oksigen);

Sumber pengapian (tidak selalu)

Pengoksidasi dan zat yang mudah terbakar bersama-sama membentuk sistem yang mudah terbakar. Itu bisa homogen dan heterogen:

Homogen adalah sistem di mana zat yang mudah terbakar dan zat pengoksidasi tercampur secara merata satu sama lain (campuran gas yang mudah terbakar, uap). Pembakaran sistem seperti ini disebut pembakaran kinetik. Dalam kondisi tertentu, pembakaran tersebut dapat bersifat ledakan.

Heterogen- sistem di mana zat yang mudah terbakar dan udara tidak bercampur satu sama lain dan memiliki antarmuka (bahan padat yang mudah terbakar dan cairan yang tidak diatomisasi). Selama pembakaran sistem mudah terbakar yang tidak homogen, oksigen udara menembus produk pembakaran ke zat yang mudah terbakar dan bereaksi dengannya. Jenis pembakaran ini disebut pembakaran difusi. Oksigen, klorin, fluor, brom, dan zat lain dapat bertindak sebagai zat pengoksidasi.

Api merupakan fase utama (pembakaran bebas) dari pembakaran, merupakan fenomena fisika dan kimia, sehingga tidak masuk akal untuk mempertimbangkannya hanya dari sudut pandang kimia. Dari sudut pandang fisika api- sekumpulan gas panas yang dilepaskan sebagai akibat dari:

pemanasan bahan bakar (zat yang mudah terbakar) secara sewenang-wenang atau tidak disengaja hingga suhu tertentu dengan adanya zat pengoksidasi;

reaksi kimia (misalnya ledakan);

aliran arus listrik dalam suatu medium (busur listrik, las listrik)

Fase pembakaran

Proses pembakaran dibagi menjadi tahapan (fase) tertentu:

1. Fase awal (tahap pertumbuhan),

2. Fase pembakaran bebas (tahap berkembang penuh),

3. Fase membara (decay stage).

Pada fase pertama - awal - aliran pasokan oksigen meningkat, kemudian mulai menurun. Sejumlah panas tertentu dihasilkan dan jumlah ini meningkat selama proses pembakaran. Nyala api dapat mencapai suhu melebihi 5370°C, namun suhu ruangan pada tahap ini mungkin rendah.

Selama fase kedua, pembakaran bebas, udara kaya oksigen ditarik ke dalam nyala api karena konveksi membawa panas ke lapisan atas ruang terbatas. Gas panas bergerak dari atas ke bawah, memaksa udara yang lebih dingin mencari tingkat yang lebih rendah, dan pada akhirnya menyulut semua bahan yang mudah terbakar di tingkat atas ruangan. Pada tahap ini, suhu di lapisan atas mungkin melebihi 7000°C. Api terus mengonsumsi oksigen bebas hingga mencapai titik di mana oksigen tidak cukup untuk bereaksi dengan bahan bakar. Nyala api direduksi menjadi fase membara dan hanya membutuhkan oksigen untuk menyala dengan cepat.

Pada fase ketiga, nyala api bisa berhenti jika area pembakaran kedap udara. Dalam hal ini, pembakaran direduksi menjadi bara api. Asap dan gas tebal dilepaskan dan terjadi tekanan berlebih. Batubara terus membara, ruangan akan terisi penuh asap tebal dan gas hasil pembakaran pada suhu 5370°C. Panas yang hebat akan menguapkan komponen bahan bakar yang lebih ringan. , seperti hidrogen dan metana, dari bahan yang mudah terbakar di dalam ruangan. Bahan bakar gas ini akan bergabung dengan turunan api dan selanjutnya meningkatkan risiko penyalaan kembali dan menciptakan kemungkinan terjadinya aliran balik (backdraft).

Jenis pembakaran

Kilatan- ini adalah pembakaran cepat dari campuran yang mudah terbakar, tidak disertai dengan pembentukan gas terkompresi.

Api- terjadinya pembakaran di bawah pengaruh sumber penyalaan.

Contoh nyata dari api adalah “trik” para pendeta India kuno: di India kuno, ketika melakukan upacara suci, di senja hari kuil, lampu merah misterius tiba-tiba menyala dan berhamburan dengan percikan api, menimbulkan ketakutan takhayul pada para jamaah. Tentu saja, Buddha yang perkasa tidak ada hubungannya dengan hal itu, tetapi para pelayannya yang setia, para pendeta, menakuti dan menipu orang-orang percaya dengan bantuan kembang api. Garam strontium, yang memberi warna merah pada nyala api, dicampur dengan batu bara, belerang, dan kalium klorat (garam Berthollet). Pada saat yang tepat, campuran tersebut dibakar.

2KClO 3 + S +2C = 2KCl + SO 2 + 2CO 2

Pembakaran spontan adalah fenomena peningkatan tajam laju reaksi eksotermik, yang menyebabkan pembakaran zat (bahan, campuran) tanpa adanya sumber penyalaan.

Pembakaran spontan termal zat timbul sebagai akibat dari pemanasan sendiri di bawah pengaruh sumber pemanas yang tersembunyi atau eksternal. Penyalaan sendiri hanya mungkin terjadi jika jumlah panas yang dilepaskan selama proses oksidasi otomatis melebihi perpindahan panas ke lingkungan.

Contoh pembakaran spontan termal adalah pembakaran spontan minyak atsiri yang mudah menguap dalam cuaca panas. Legenda terkenal tentang semak yang terbakar, atau semak Musa, memiliki penjelasan yang sepenuhnya ilmiah: para ilmuwan percaya bahwa semak diptamlah yang mengeluarkan minyak esensial yang menyala ketika terkena sinar matahari. Dalam cuaca tenang di sekitar semak-semak, konsentrasi minyak atsiri yang mudah menguap yang dikeluarkan oleh tanaman meningkat, yang menyala ketika suhu tertentu tercapai. Persamaan reaksi kimia penyalaan sendiri eter:

C 4 H 10 O + 6 O 2 = 4 CO 2 + 5 H 2 O

Pembakaran spontan termal juga menjelaskan munculnya lampu kuburan. Ketika residu organik terurai, gas fosfin (PH3) yang tidak berwarna dan beracun dilepaskan, yang memiliki sifat mudah terbakar secara spontan di udara, yaitu. dengan adanya oksigen. Jika gas ini keluar dari tanah, dengan residu organik membusuk di dalamnya, terjadi penyalaan sendiri, kilatan kecil terbentuk, yang biasa digunakan oleh orang-orang gereja untuk menakut-nakuti orang-orang yang percaya takhayul. Fenomena ini hanya dapat diamati pada musim panas, karena suhu penyalaan otomatis fosfin = 38°C. Persamaan reaksi kimia penyalaan sendiri fosfin:

2PH 3 + 4O 2 = P 2 O 5 + 3H 2 O

Pembakaran spontan juga dapat terjadi di bawah pengaruh aktivitas vital mikroorganisme dalam massa suatu zat (bahan, campuran).

Bahan yang mudah terbakar memiliki kecenderungan terjadinya pembakaran spontan secara mikrobiologis, terutama bahan yang lembab, yang menjadi tempat berkembang biaknya mikroorganisme yang aktivitas vitalnya berhubungan dengan pelepasan panas (gambut, serbuk gergaji). Dalam hal ini, suhu pemanasan sendiri tidak melebihi suhu lingkungan normal dan bisa negatif.

Oleh karena itu, sebagian besar kebakaran dan ledakan terjadi ketika produk pertanian (silase, jerami basah) disimpan di dalam elevator. Metode yang paling umum digunakan untuk menghindari pemanasan sendiri dan penyalaan sendiri pada jerami (dan bahan serupa) adalah dengan memastikan bahwa bahan tersebut tidak basah saat disimpan.

Ada perbedaan antara proses pembakaran dan pembakaran spontan: agar pembakaran terjadi, perlu dimasukkan ke dalam sistem yang mudah terbakar suatu impuls termal yang memiliki suhu melebihi suhu penyalaan spontan zat tersebut.

Suhu pemanasan sendiri- suhu lingkungan minimum, di atasnya, dalam kondisi yang menguntungkan, dimungkinkan untuk mengembangkan proses pemanasan sendiri eksotermik yang terkait dengan dekomposisi termal dan oksidasi volume (massa) tertentu dari zat yang mudah terbakar.

Suhu penyalaan otomatis- ini adalah suhu terendah suatu zat di mana terjadi peningkatan tajam dalam laju reaksi eksotermik, yang berakhir dengan terjadinya pembakaran yang menyala-nyala.

Ledakan adalah transformasi kimia suatu zat yang sangat cepat, disertai dengan pelepasan energi panas yang cepat dan pembentukan gas terkompresi yang mampu menghasilkan kerja mekanis.

Sulit juga membayangkan dunia modern tanpa jenis pembakaran ini, karena ledakan mekanis bahan bakar mendasari pengoperasian sebagian besar mesin mobil. Ledakan skala kecil juga digunakan dalam perangkat kembang api. Kembang api (Yunani kuno πῦρ - api, panas; τεχνικός - seni, keterampilan) adalah cabang teknologi yang terkait dengan teknologi pembuatan komposisi yang mudah terbakar dan membakarnya untuk memperoleh efek tertentu. Dibagi dengan:

militer (senjata suar, bom asap)

khusus (efek khusus film, peralatan sinyal sipil)

hiburan (produk kembang api - petasan, kembang api, petasan, kembang api.

Produk pembakaran

Selama proses pembakaran, produk pembakaran terbentuk. Mereka bisa berbentuk cair, padat dan gas. Komposisinya tergantung pada komposisi zat yang terbakar dan kondisi pembakarannya. Zat organik dan anorganik yang mudah terbakar terutama terdiri dari karbon, oksigen, hidrogen, belerang, fosfor dan nitrogen. Dari jumlah tersebut, karbon, hidrogen, belerang dan fosfor mampu teroksidasi pada suhu pembakaran dan membentuk produk pembakaran: CO, CO 2, SO 2, P 2 O 5. Nitrogen tidak teroksidasi pada suhu pembakaran dan dilepaskan dalam keadaan bebas, dan oksigen digunakan untuk oksidasi unsur-unsur zat yang mudah terbakar. Semua produk pembakaran ini (kecuali karbon monoksida CO) tidak dapat terbakar di kemudian hari.

Dengan pembakaran bahan organik yang tidak sempurna dalam kondisi suhu rendah dan kekurangan udara, produk yang lebih beragam terbentuk - karbon monoksida (II), alkohol, aldehida, asam, dan senyawa kimia kompleks lainnya. Produk-produk ini menghasilkan asap yang tajam dan beracun. Selain itu, hasil pembakaran tidak sempurna itu sendiri mampu membakar dan membentuk campuran yang mudah meledak dengan udara. Ledakan semacam itu terjadi ketika memadamkan api di ruang bawah tanah, pengering, dan di ruang tertutup dengan sejumlah besar bahan yang mudah terbakar.

Warna api

Kemampuan pengotor untuk mewarnai api dengan warna berbeda digunakan tidak hanya dalam teknik kembang api, tetapi juga dalam kimia analitik: analisis pirokimia adalah metode untuk mendeteksi unsur kimia tertentu (misalnya, dalam mineral) dengan warna api yang berbeda.

Elemen	Warna api
	Hijau zamrud
Kobalt (Co)
Mangan (Mn)	Ungu-kecubung
Besi (Fe)	Kuning coklat
Nikel (Ni)	Merah kecoklatan
Natrium (Na)	Oranye
Kalsium (Ca)	Merah terang

Pembakar gas menyala dengan nyala api biru karena adanya karbon monoksida (CO). Nyala api kuning-oranye pada korek api disebabkan oleh adanya garam natrium di dalam kayu. Warna kuning-oranye pada bagian atas nyala api dalam kondisi normal disebabkan oleh pancaran partikel jelaga yang terbawa ke atas oleh aliran udara panas.

Kesimpulan

Sebagai hasil dari pengerjaan topik tersebut, tugas yang diberikan telah diselesaikan: sumber literatur dan sumber daya Internet tentang sejarah penguasaan proses api dan pembakaran dipelajari; percobaan laboratorium yang berkaitan dengan proses pembakaran dan instruksi pelaksanaannya dipilih.

Tujuan pekerjaan telah tercapai. Fenomena yang tampaknya akrab bagi manusia modern seperti pembakaran adalah proses fisik dan kimia yang sangat kompleks. Ini adalah reaksi kimia pertama yang diketahui manusia! Proses ini memegang peranan yang sangat penting dalam kehidupan kita, meski terkadang menimbulkan bahaya besar.

Fakta menarik dan eksperimen laboratorium yang disajikan dalam karya ini dapat digunakan untuk tujuan demonstrasi di lembaga pendidikan guna membiasakan siswa dengan topik menakjubkan seperti api.

Bagian praktis

Pengalaman No.1. "Sumbu kimia".

Metode penyalaan sekering bom dari jarak jauh ini telah digunakan pada akhir abad ke-19. Hal ini didasarkan pada kemampuan gliserin untuk menyala dari reaksi dengan zat pengoksidasi kuat (kalium permanganat).

Tujuan percobaan ini: untuk memastikan bahwa api dapat “lahir” tidak hanya dari percikan api, tetapi juga hanya dari pencampuran zat-zat tertentu, yang secara individual sama sekali tidak berbahaya.

Reagen dan peralatan: kertas, kristal kalium permanganat, gliserin anhidrat, pipet.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: tuangkan sedikit kalium permanganat ke selembar kertas kusut, teteskan 3-5 tetes gliserin; Asap akan muncul di atas campuran, dan setelah beberapa waktu (5-15 detik) campuran dan lembaran yang kusut akan menyala.

Pengalaman No.2. "Kembang api mini."

Reagen dan peralatan: arang bubuk, kristal kalium permanganat, serbuk besi, lembaran kertas, wadah, penjepit wadah, bahan bakar kering.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: tuangkan tiga tumpukan kecil bubuk halus yang identik ke selembar kertas: kalium permanganat, serbuk besi, dan batu bara. Setelah itu, lipat selembar kertas menjadi dua sehingga bubuknya terkumpul menjadi satu tumpukan. Faktanya adalah ketika kalium permanganat digosok dengan serbuk besi, campurannya bisa menyala. Tuang campuran yang dihasilkan ke dalam wadah. Kami membawanya ke nyala bahan bakar kering dan menunggu beberapa detik. Saat campuran memanas, ia akan mulai berkilau seperti kembang api.

Pengalaman No.3. "Magnesium yang tak terpadamkan."

Magnesium adalah salah satu dari sedikit zat yang tidak dapat dipadamkan dengan air.

Reagen dan perlengkapan: magnesium, air, gelas, sendok bergagang panjang, lampu alkohol.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: nyalakan sedikit magnesium dalam sendok dari nyala lampu alkohol. Kami menempatkan magnesium yang terbakar ke dalam segelas air, dan mengamati bahwa magnesium tersebut tidak padam, tetapi terus terbakar, tetap berada di permukaan air.

Eksperimen No. 4 “Ular Firaun dari kalsium glukonat.”

Ular firaun adalah serangkaian reaksi yang disertai dengan pembentukan produk berpori dari sejumlah kecil zat yang bereaksi. Reaksi-reaksi ini disertai dengan evolusi gas yang cepat.

Tujuan percobaan: untuk mengamati dekomposisi termal kalsium glukonat.

Reagen dan perlengkapan : tablet kalsium glukonat, bahan bakar kering, pinset.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: pada tablet bahan bakar kering yang menyala, dengan menggunakan pinset, letakkan 1-2 tablet kalsium glukonat. Kalsium glukonat akan meningkat volumenya secara signifikan, berbentuk “cacing”, dan “merangkak” keluar dari api. “Ular” yang dihasilkan sangat rapuh dan akan hancur pada sentuhan pertama.

Pengalaman No.5. "Soda Ular Berbisa"

Tujuan percobaan: mengamati dekomposisi termal campuran soda dan gula halus.

Reagen dan peralatan: pasir, soda, gula halus, alkohol.

Kemajuan pekerjaan dan observasi: tuangkan sedikit pasir (4-5 sendok makan), buat cekungan kecil di bagian atas “piramida” yang dihasilkan. Tuang campuran soda kue dan gula halus dalam jumlah yang sama ke dalam rongga ini. Kami menuangkan alkohol ke atasnya dan membakarnya. Pertama, kita mengamati terbentuknya gelembung-gelembung kecil berwarna gelap, lalu munculnya “soda viper” itu sendiri. Seperti pada percobaan sebelumnya, ukuran ular firaun berangsur-angsur bertambah.

Pengalaman No.6. "Ledakan campuran gas."

Tujuan percobaan: mengamati ledakan campuran udara dan gas yang mudah terbakar.

Reagen dan peralatan: seng, asam klorida, alat untuk menghasilkan gas, segelas air, deterjen pencuci piring, serpihan yang menyala.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: tuangkan sedikit deterjen ke dalam segelas air, aduk hingga membentuk busa ringan. Kami mencampur seng dan asam klorida dalam alat untuk menghasilkan gas, dan mengarahkan tabung saluran keluar gas ke dalam gelas berisi air dan deterjen. Ketika seng bereaksi dengan asam klorida, hidrogen dilepaskan, yang membentuk busa di dalam gelas. Ketika jumlahnya cukup

busa, lepaskan tabung saluran keluar gas, dekatkan serpihan yang terbakar ke busa dan amati ledakan kecil.

Pengalaman No.7. "Api Berwarna"

Reagen dan peralatan: tembaga klorida, tembaga (II) sulfat, garam meja, kalsium fluorida, amonium klorida, air, lampu alkohol, loop kawat nikrom.

Kemajuan pekerjaan dan pengamatan: campurkan amonium klorida dengan perbandingan 1:1 dengan masing-masing reagen, encerkan dengan air dan campurkan bubur yang dihasilkan. Kemudian kita mengaitkan sejumlah kecil setiap zat dengan seutas kawat nikrom dan menambahkannya ke nyala api pembakar, mengamati reaksi pewarnaan nyala. Hasilnya adalah: nyala api aslinya transparan, dengan semburat kebiruan; natrium klorida (garam meja) mewarnai nyala api menjadi kuning; tembaga (II) sulfat - tembaga sulfat - hijau; tembaga klorida mengubahnya menjadi biru muda, dan kalsium fluorida memberi warna merah yang nyaris tak terlihat pada nyala api.

Bibliografi

1. .Kendivan, O.D.-S. Sebuah keajaiban melalui sudut pandang seorang ahli kimia / O.D.-S. Kendivan //Kimia. Majalah pendidikan dan metodologi untuk guru kimia dan ilmu pengetahuan alam No. 5-6 ed. 1 September - Moskow, 2014. - P.45-52

2. Krasitsky, V.A. Api buatan manusia: sejarah dan modernitas / V.A. Krasitsky // Kimia. Majalah pendidikan dan metodologi untuk guru kimia dan ilmu pengetahuan alam No.1 ed. 1 September - Moskow, 2014. - P.4-8

3. Tidak diketahui. Kimia Analisis. Semimikroanalisis [Sumber daya elektronik] / Tidak diketahui // Kimia analitik - Mode akses: http://analit-himiya.ucoz.com/index/0-13

4. Tidak diketahui. Pembakaran [Sumber daya elektronik]/ Tidak diketahui // Ensiklopedia gratis Wikipedia - Mode akses: https://ru.wikipedia.org/wiki/Combustion

5. Poltev, M.K. Bab X. Keamanan kebakaran. §1. Proses pembakaran / M.K. Poltev // Keselamatan kerja di bidang teknik mesin, ed. "Sekolah Tinggi" - Moskow, 1980.

6. Ryumin, V.V. Pembakaran tanpa udara / V.V. Ryumin // Kimia yang menghibur, edisi ke-7. Penjaga muda. - Moskow, 1936. - Hal.58-59

7. Ryumin, V.V. Penyalaan sendiri / V.V. Ryumin // Kimia yang menghibur, edisi ke-7. Penjaga muda. - Moskow, 1936. - Hal.59

8. Stepin, BD; Alikberova, L.Yu. Eksperimen spektakuler / B.D. Stepin, L.Yu. Alikberova // Tugas yang menghibur dan eksperimen spektakuler dalam kimia, ed. Bustard - Moskow, 2006. - S.

– reaksi berantai berkelanjutan yang melibatkan pembakaran, yang merupakan reaksi eksotermik di mana zat pengoksidasi, biasanya oksigen, mengoksidasi bahan bakar, biasanya karbon, menghasilkan produk pembakaran seperti karbon dioksida, air, panas, dan cahaya. Contoh tipikalnya adalah pembakaran metana:

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2 O

Panas yang dihasilkan oleh pembakaran dapat digunakan untuk menggerakkan pembakaran itu sendiri, dan bila panas tersebut mencukupi dan tidak diperlukan energi tambahan untuk mempertahankan pembakaran, maka akan terjadi kebakaran. Untuk mematikan api, Anda dapat menghilangkan bahan bakar (mematikan kompor pada kompor), oksidator (menutup api dengan bahan khusus), panas (mempercikkan air pada api), atau reaksinya sendiri.

Pembakaran, dalam beberapa hal, merupakan kebalikan dari fotosintesis, suatu reaksi endotermik di mana cahaya, air, dan karbon dioksida masuk untuk menghasilkan karbon.

Sangat menggoda untuk berasumsi bahwa pembakaran kayu menghabiskan karbon yang terdapat dalam selulosa. Namun, tampaknya ada sesuatu yang lebih kompleks yang sedang terjadi. Jika kayu terkena panas, kayu akan mengalami pirolisis (berlawanan dengan pembakaran, yang tidak membutuhkan oksigen), mengubahnya menjadi zat yang lebih mudah terbakar, seperti gas, dan zat inilah yang terbakar.

Jika kayu terbakar cukup lama, nyala apinya akan hilang, tetapi apinya akan terus menyala, dan khususnya kayunya akan terus menyala. Membara adalah pembakaran tidak sempurna, yang berbeda dengan pembakaran sempurna, menghasilkan pembentukan karbon monoksida.

Benda-benda sehari-hari terus-menerus memancarkan panas, sebagian besar berada dalam jangkauan inframerah. Panjang gelombangnya lebih panjang dari cahaya tampak, sehingga tidak dapat dilihat tanpa kamera khusus. Apinya cukup terang untuk menghasilkan cahaya tampak, meski juga menghasilkan radiasi infra merah.

Mekanisme lain munculnya warna pada api adalah spektrum emisi benda yang dibakar. Berbeda dengan radiasi benda hitam, spektrum radiasi mempunyai frekuensi tersendiri. Hal ini terjadi karena elektron menghasilkan foton pada frekuensi tertentu, berpindah dari keadaan energi tinggi ke keadaan energi rendah. Frekuensi ini dapat digunakan untuk menentukan unsur-unsur yang ada dalam suatu sampel. Ide serupa (menggunakan spektrum serapan) digunakan untuk menentukan komposisi bintang. Spektrum emisi juga bertanggung jawab atas warna kembang api dan lampu berwarna.

Bentuk nyala api di Bumi bergantung pada gravitasi. Ketika api memanaskan udara di sekitarnya, terjadi konveksi: udara panas, antara lain, mengandung abu panas, naik, dan udara dingin (mengandung oksigen) tenggelam, menopang api dan memberi bentuk pada nyala api. Dalam gravitasi rendah, seperti di stasiun luar angkasa, hal ini tidak terjadi. Api dipicu oleh difusi oksigen, sehingga terbakar lebih lambat dan berbentuk bola (karena pembakaran hanya terjadi jika api bersentuhan dengan udara yang mengandung oksigen. Tidak ada oksigen yang tersisa di dalam bola).

Radiasi benda hitam

Radiasi benda hitam dijelaskan dengan rumus Planck, yang berkaitan dengan mekanika kuantum. Secara historis, ini adalah salah satu penerapan pertama mekanika kuantum. Hal ini dapat diturunkan dari mekanika statistik kuantum sebagai berikut.

Kami menghitung distribusi frekuensi dalam gas foton pada suhu T. Fakta bahwa distribusi frekuensi tersebut bertepatan dengan distribusi frekuensi foton yang dipancarkan oleh benda yang benar-benar hitam pada suhu yang sama mengikuti hukum radiasi Kirchhoff. Idenya adalah bahwa benda hitam dapat mencapai kesetimbangan suhu dengan gas foton (karena suhunya sama). Gas fotonik diserap oleh benda hitam, yang juga memancarkan foton, sehingga untuk keseimbangan, setiap frekuensi benda hitam memancarkan radiasi harus menyerapnya dengan kecepatan yang sama, yang ditentukan oleh distribusi frekuensi di gasnya.

Dalam mekanika statistik, probabilitas suatu sistem berada pada keadaan mikro s, jika berada dalam kesetimbangan termal pada suhu T, adalah proporsional

Dimana E s adalah energi keadaan s, dan β = 1 / k B T, atau beta termodinamika (T adalah suhu, k B adalah konstanta Boltzmann). Ini adalah distribusi Boltzmann. Salah satu penjelasan mengenai hal ini diberikan dalam postingan blog Terence Tao. Artinya kemungkinannya sama

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

Dimana Z(β) adalah konstanta normalisasi

Z(β) = ∑ s e - β E s

Untuk menggambarkan keadaan gas foton, Anda perlu mengetahui sesuatu tentang perilaku kuantum foton. Dalam kuantisasi medan elektromagnetik standar, medan dapat dilihat sebagai sekumpulan osilasi harmonik kuantum, masing-masing berosilasi pada frekuensi sudut berbeda ω. Energi keadaan eigen osilator harmonik dilambangkan dengan bilangan bulat non-negatif n ∈ ℤ ≥ 0, yang dapat diartikan sebagai jumlah foton dengan frekuensi ω. Energi eigenstate (hingga konstan):

Pada gilirannya, konstanta normalisasi kuantum memperkirakan bahwa pada frekuensi rendah (relatif terhadap suhu) jawaban klasiknya kira-kira benar, namun pada frekuensi tinggi energi rata-rata turun secara eksponensial, dengan penurunan yang lebih besar pada suhu yang lebih rendah. Hal ini terjadi karena pada frekuensi tinggi dan suhu rendah, osilator harmonik kuantum menghabiskan sebagian besar waktunya dalam keadaan dasar, dan tidak mudah bertransisi ke tingkat berikutnya, sehingga kecil kemungkinannya untuk terjadi secara eksponensial. Fisikawan mengatakan bahwa sebagian besar derajat kebebasan ini (kebebasan osilator untuk berosilasi pada frekuensi tertentu) bersifat “beku”.

Kepadatan negara bagian dan rumus Planck

Sekarang, mengetahui apa yang terjadi pada frekuensi tertentu ω, kita perlu menjumlahkan semua frekuensi yang mungkin. Bagian perhitungan ini bersifat klasik dan tidak perlu dilakukan koreksi kuantum.

Kami menggunakan penyederhanaan standar bahwa gas foton dikurung dalam volume dengan panjang sisi L dengan kondisi batas periodik (yaitu, pada kenyataannya akan berupa torus datar T = ℝ 3 / L ℤ 3). Frekuensi yang mungkin diklasifikasikan menurut solusi persamaan gelombang elektromagnetik untuk gelombang berdiri dalam volume dengan kondisi batas tertentu, yang, pada gilirannya, sesuai hingga satu faktor dengan nilai eigen Laplacian Δ. Lebih tepatnya, jika Δ υ = λ υ, dengan υ(x) adalah fungsi mulus T → ℝ, maka penyelesaian persamaan gelombang elektromagnetik untuk gelombang berdiri adalah

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

Oleh karena itu, mengingat λ biasanya negatif, dan oleh karena itu √λ biasanya imajiner, frekuensi yang sesuai akan sama dengan

ω = c √(-λ)

Frekuensi ini terjadi dim V λ kali, dimana V λ adalah λ eigenvalue dari Laplacian.

Kita sederhanakan syaratnya menggunakan volume dengan syarat batas periodik karena dalam hal ini sangat mudah untuk menuliskan semua fungsi eigen Laplacian. Jika kita menggunakan bilangan kompleks untuk kesederhanaan, bilangan tersebut didefinisikan sebagai

υ k (x) = e i k x

Dimana k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3, vektor gelombang. Nilai eigen yang sesuai dari Laplacian adalah

λ k = - | k | 2 = - k 2 1 - k 2 2 - k 2 3

Frekuensi yang sesuai adalah

Dan energi yang sesuai (satu foton dengan frekuensi ini)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

Di sini kita memperkirakan distribusi probabilitas pada frekuensi yang mungkin ω k , yang, sebenarnya, adalah diskrit, dengan distribusi probabilitas kontinu, dan menghitung kepadatan keadaan g(ω) yang sesuai. Idenya adalah g(ω) dω harus sesuai dengan jumlah status yang tersedia dengan frekuensi berkisar dari ω hingga ω + dω. Kami kemudian mengintegrasikan kepadatan keadaan untuk mendapatkan konstanta normalisasi akhir.

Mengapa perkiraan ini masuk akal? Konstanta normalisasi selengkapnya dapat digambarkan sebagai berikut. Untuk setiap bilangan gelombang k ∈ 2 π / L * ℤ 3 terdapat bilangan n k ∈ ℤ ≥0 yang menggambarkan banyaknya foton dengan bilangan gelombang tersebut. Jumlah total foton n = ∑ n k terbatas. Setiap foton menambahkan ℏ ω k = ℏ c |k| pada energi, yang artinya

Z(β) = ∏ k Z ω k (β) = ∏ k 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Oleh karena itu, untuk semua bilangan gelombang k, logaritmanya ditulis sebagai jumlah

Log Z(β) = ∑ k log 1 / (1 - e -βℏc|k|)

Dan kami ingin memperkirakan jumlah ini dengan integral. Ternyata untuk suhu wajar dan volume besar integran berubah sangat lambat terhadap k, sehingga perkiraan ini akan sangat dekat. Ini berhenti bekerja hanya pada suhu sangat rendah, di mana terjadi kondensasi Bose-Einstein.

Kepadatan negara bagian dihitung sebagai berikut. Vektor gelombang dapat direpresentasikan sebagai titik kisi seragam yang berada dalam “ruang fasa”, yaitu jumlah vektor gelombang pada suatu wilayah ruang fasa tertentu sebanding dengan volumenya, setidaknya untuk wilayah yang besar dibandingkan dengan jarak kisi 2π/L . Pada dasarnya, jumlah vektor gelombang di daerah ruang fase sama dengan V/8π 3, dimana V = L 3, volume kita yang terbatas.

Tetap menghitung volume daerah ruang fase untuk semua vektor gelombang k dengan frekuensi ω k = c |k| dalam rentang dari ω hingga ω + dω. Ini adalah cangkang bola dengan ketebalan dω/c dan jari-jari ω/c, jadi volumenya

2πω 2 /c 3 dω

Oleh karena itu, kepadatan keadaan foton

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

Faktanya, rumus ini dua kali lebih rendah: kita lupa memperhitungkan polarisasi foton (atau, setara dengan putaran foton), yang menggandakan jumlah keadaan untuk bilangan gelombang tertentu. Kepadatan yang Benar:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

Fakta bahwa kepadatan keadaan linier dalam volume V tidak hanya berlaku pada torus datar. Ini adalah properti dari nilai eigen Laplacian menurut hukum Weyl. Artinya logaritma dari konstanta normalisasi

Log Z = V / π 2 c 3 ∫ ω 2 log 1 / (1 - e - βℏω) dω

Turunan terhadap β memberikan energi rata-rata gas foton

< E >= - ∂/∂β log Z = V / π 2 c 3 ∫ ℏω 3 / (e βℏω - 1) dω

Namun yang penting bagi kami adalah integrand, yang memberikan “kepadatan energi”

E(ω) dω = Vℏ / π 2 c 3 * ω 3 / (e βℏω - 1) dω

Menjelaskan besarnya energi gas foton yang berasal dari foton dengan frekuensi pada rentang ω sampai dengan ω + dω. Hasil akhirnya adalah bentuk rumus Planck, meskipun memerlukan sedikit penyesuaian untuk mengubahnya menjadi rumus yang berlaku untuk benda hitam, bukan gas fotonik (Anda perlu membaginya dengan V untuk mendapatkan massa jenis per satuan volume, dan lakukan beberapa lebih banyak hal untuk mengukur radiasi).

Rumus Planck memiliki dua keterbatasan. Dalam kasus ketika βℏω → 0, penyebutnya cenderung ke βℏω, dan kita mendapatkan

E(ω) dω ≈ V / π 2 c 3 * ω 2 /β dω = V k B T ω 2 / π 2 c 3 dω

Tag:

api
fisika kuantum

Tambahkan tanda