Пожежна частина м. Мёнхаген
заснована в 1924 році
Вогонь - що це насправді?
Вогонь описує утворення полум’я під час горіння з виділенням тепла та світла. Передумовами розвитку та підтримання пожежі є наявність палива, окислювача, наприклад кисню з повітря, і перевищення температури займання у полум’ї.
Про це говорить Вікіпедія у вступі. Якщо ви це вже зрозуміли, читати далі не потрібно - для всіх інших ми почнемо спочатку знизу, а саме з атомів.
Трохи атомної фізики
Вся речовина навколо нас складається з атомів. Вони складаються з позитивно зарядженого атомного ядра та певної кількості негативних електронів - атом має рівно стільки електронів, що позитивний заряд в атомному ядрі врівноважується. Тип атома з певною кількістю електронів називається хімічним елементом. Водень, наприклад, є хімічним елементом з найменшою кількістю електронів, оскільки він має лише один. Наступним елементом є гелій з 2 електронами, потім літій з 3 електронами і т. Д. Кисень має 8 електронів, залізо 26 і золото 79.
Зараз електрони не просто так чи інакше гудуть навколо атомного ядра, але вони займають певні місця. Електронна оболонка поділяється на окремі оболонки, кожна з яких може вміщувати певну кількість електронів. Ці оболонки заповнюються знизу вгору, коли ви переходите від елемента до елемента (див. Рисунок 1; спрощеними словами, ви можете уявити, що ці оболонки - це орбіти, на яких електрони літають навколо ядра - хто коли-небудь знає, що Чув про квантову механіку, знає, що це складніше, але нам це тут не потрібно).
Тепер кожен атом прагне досягти стану, в якому його зовнішня електронна оболонка заповнена.
Перша (найнижча) оболонка вміщує 2 електрони, наприклад, друга 8 електронів. Візьмемо для прикладу кисень. Кисень має 8 електронів, 2 з яких знаходяться в нижній оболонці, а 6 - у другій оболонці. Отже, друга оболонка є крайньою оболонкою для кисню. Але це не повністю зайнято, все ще бракує 2 електронів, які кисень хотів би отримати жахливо.
Замість заповнення оболонки елемент також може спробувати позбутися електронів - якщо, наприклад, у зовнішній оболонці є лише 1 електрон, і атом вивільняє цей електрон, наступна внутрішня оболонка стає зовнішньою оболонкою, і все. заповнені. Кисню потрібно лише шукати елемент, який хотів би позбутися електронів - наприклад, водень (так, ну, якщо він відмовляється від свого електрона, він насправді взагалі не має електронної оболонки, але він все одно любить це робити).
Якщо кисню все-таки потрібні два електрони, але водень видає лише один, атому кисню потрібні два атоми водню як партнери. В результаті утворюється одна з найважливіших і найвідоміших хімічних сполук - вода!
Така структура, що складається з декількох атомів, називається молекулою.
Ілюстрація 1: Перші 10 хімічних елементів; Починаючи з числа 1 (водень), електронні оболонки заповнюються знизу вгору. До кожного додаткового елемента додається електрон. Благородні гази гелій та неон повністю заповнені електронними оболонками і не реагують з іншими елементами.
Хімічна реакція
Отже, кисень приймає два електрони від двох атомів водню. Можна чітко уявити, що електронні оболонки кисню та водню зливаються (рис. 2), і два електрони зараз знаходяться на орбітах, які лежать навколо обох атомів. Однак кисень не забирає електрони повністю - вони теж трохи залишаються з атомами водню. Таким чином, електрони забезпечують зв’язок атомів кисню та водню - один говорить про хімічний зв’язок. Отже, є три атоми, зв’язані один з одним, виникла молекула, і це - як багато, мабуть, вже підозрювали - молекула води.
Малюнок 2: Утворення молекули води з одного атома кисню та двох атомів водню. Із зовнішніх електронних орбіт кисню та атомів водню утворюються дві нові орбіти, які оточують кисень і по одному атому водню. Створено два хімічні зв’язки. Електрони атомів Гідрогену в середньому більше поблизу кисню.
Утворення води з водню та кисню є хімічною реакцією. Зворотний процес, розщеплення води на водень і кисень, є хімічною реакцією. Взагалі, хімічні реакції виникають внаслідок певних вихідних речовин (які можуть бути атомами, але також молекулами) певних кінцевих продуктів (також атомів або молекул).
Хоча енергію потрібно використовувати для розщеплення води на водень та кисень, утворення води з вихідних речовин виділяє енергію - як відомо кожному, хто чув про вибух Гінденбурга. Однак реакція між воднем і киснем не повинна бути такою бурхливою і руйнівною; їй також можна дозволити протікати контрольовано, як це відбувається в паливному елементі.
Реакції, при яких енергія віддається у вигляді світла і тепла, називаються екзотермічними, і очевидно, що вони нас особливо цікавлять, коли йдеться про "вогонь".
Горіння - це специфічний тип хімічної реакції, а саме екзотермічна реакція, при якій атоми горючого матеріалу реагують з киснем (як правило, киснем у повітрі) і в якій виникає полум’я.
Для тих, хто має схильність до технічних термінів, реакція з киснем є окисленням. Існують також окислення без утворення полум’я, напр. Б. іржавіння, при якому окислюється залізо, або перетравлення поживних речовин в організмі. (Хоча під час травлення полум’я не утворюється, також говорять про «спалювання» калорій.) А також є окислення з іншими окислювачами, наприклад фтором замість кисню.
Простий експеримент показує, що на згоряння витрачається кисень (рисунок 3). Ви запалюєте чайну свічку і ставите над нею склянку. Незабаром після цього свічка згасає, на короткий час видно лише нитку диму. Причиною цього є те, що полум'я спожило кисень у склі. Коли в склі більше немає кисню, в процесі горіння не вистачає сировини, і свічка гасне. Гарячий віск деякий час випаровується, але більше не горить (це нитка диму.) До речі, в експерименті також можна ідентифікувати одну з речовин, що утворюються під час реакції воскових парів свічки з киснем (тобто горіння), н А саме вода: Скло запарюється.
При справжньому пожежі незгорілі димові гази (а це тут нитка диму) становлять велику небезпеку. Ці димові гази збираються і можуть запалитися дуже раптово, коли досягається необхідна температура або коли подається кисень, див. Backdraft & Co.
Малюнок 3
В іншому простому експерименті можна показати, що іржавіння - це також реакція з киснем, тобто повільне «горіння» без полум’я. Ви змочуєте трохи сталевої вати і набиваєте її у склянку (її має бути стільки, щоб вона прилипала до верху склянки). Потім ви кладете склянку догори дном на блюдце (Малюнок 4; вгорі ліворуч) і виливаєте воду на блюдце (угорі праворуч). Приблизно через три години ви вже бачите, що вода стікає в склянку (внизу ліворуч); після однієї ночі вода повністю потрапляє у склянку (праворуч унизу; скільки вона триває, звичайно, залежить від кількості води). Коли сталева вовна іржавіє, вона витрачає кисень. Потім не вистачає повітря в склі. Це зменшує тиск повітря у склі, а результуючий негативний тиск всмоктує воду в стакан. В кінці експерименту плями іржі на сталевій ваті також добре видно спалахом.
У першому експерименті також у повітрі не вистачає кисню, але при згорянні утворюються інші гази (вуглекислий газ та водяна пара), які займають його місце. Процес іржавіння утворює іржу, але як тверда речовина займає значно менше місця, ніж газ, і не грає ролі в тиску в склі. У склі на рис. 3 також є негативний тиск, але він виникає, оскільки повітря охолоджується і стискається після згасання свічки.
Малюнок 4
Температура займання
Якщо підвищення температури забезпечує енергію активації, очевидний зворотний висновок - що зниження температури призводить до того, що енергія активації перестає бути достатньо доступною, а горіння припиняється або навіть не запускається. Тому кип’ятити воду у сірниковій коробці цілком можливо (рис. 4).
І так, ви здогадалися - тому ви можете гасити пожежу водою або не допускати її поширення на сусідні будівлі.
Вогонь - світло і тепло
Тож тепер ми знаємо, що відбувається при опіку. Але справжній вогонь - це полум’я, яке утворюється при згорянні. Полум'я гаряче і сяє; отже, вони є вираженням енергії, яка виділяється під час горіння, у вигляді тепла та світла. Щоб зрозуміти, що саме таке полум’я, нам доведеться повернутися до атомів і молекул.
Енергія, яка виділяється в екзотермічній реакції, спочатку знаходиться в атомах і молекулах, які були створені під час цієї реакції. Це проявляється, наприклад, в тому, що після реакції частинки не лежать нерухомо, а рухаються - вони мають кінетичну енергію. Ми не можемо побачити рух атомів, але можемо сприйняти їх по-іншому: рух атомів - це не що інше, як тепло. Чим швидше атоми рухаються в матеріалі, чим він тепліший, тим вища його температура. Наприклад, якщо ви нагріваєте шматок металу, ви не можете сказати, що його температура зростає. У якийсь момент він починає світитися червоним кольором. Колір світіння стає світлішим із збільшенням температури, від жовтуватого до остаточно білого. Що відбувається?
Вуглинки в печі
Малюнок 5: Якщо електрон стрибає з вищої оболонки на нижчу, він віддає енергію у вигляді електромагнітного випромінювання (угорі праворуч). І навпаки, падаюче електромагнітне випромінювання може забезпечити електрон необхідною енергією, щоб він міг стрибнути у вищу оболонку (вгорі ліворуч). Він також може отримувати цю енергію через зіткнення з іншими атомами (нижче).
Тепер найпізніше ми повинні враховувати рух електронів всередині атомів на додаток до рухів атомів. Вище вже згадувалося, що електрони атома сидять у певних оболонках. Якщо простір вільний в оболонці, електрон може перестрибнути з іншої оболонки в цей простір.
Якщо він стрибне на вищу оболонку, він повинен поглинути енергію. Наприклад, зіткнення з іншим атомом може спричинити стрибок електрона від зіткнутого атома у вищу оболонку; або падаюча електромагнітна хвиля може забезпечити необхідну енергію.
Коли електрон стрибає в нижню оболонку, він виділяє енергію у вигляді електромагнітного випромінювання (рис. 5). (Цей стрибок вперед-назад також можна розглядати як рух електричного заряду, який потім також випромінює електромагнітне випромінювання.) Довжина хвилі випромінюваного випромінювання залежить від відстані між треки є; може випромінюватися інфрачервоне, але також видиме світло.
Малюнок 6: Світло від цього деревного вогню не містить синього, але переважно червоно-зеленого та вузької жовтої лінії. Ця лінія трохи менше 590 нм; Тож це може бути звична жовта лінія натрію. Ця інтенсивна жовта лінія (насправді дві дуже близькі одна до одної лінії) відповідає за пожовтіння світла від ламп з парами натрію. І наявність солей натрію десь у дровах або на них не є неможливим, натрій відбувається в органічній тканині.
Відстані між орбітами дуже характерні для кожного хімічного елемента. Світло звичайного вогню - це суміш усіх задіяних довжин хвиль. Якщо подивитися на світло вогню (або що завгодно) через так званий спектроскоп (це пристрій, який може розшифрувати довжини хвиль, які беруть участь у світлі), можна виявити, які атоми та молекули в ньому Вогонь. На рисунку 6 показаний спектр деревної пожежі, записаний дуже простим спектроскопом.
Резюме
Пожежа виникає, коли атоми матеріалу хімічно реагують з (повітряним) киснем. Для цього потрібна енергія активації, яку може подавати сірник, падаючі свічки тощо. Під час горіння виділяється енергія, яка віддається у вигляді теплового випромінювання (створюваного тепловим рухом частинок) і видимого світла (генерується в електронній оболонці).