Når forbrenningen av et brennbart element skjer i en atmosfære rik på oksygen , observeres en utslipp av lys, som kan bli intens, kalt en flamme .
Alle forbrenningsreaksjoner er svært eksoterme og frigjør store mengder energi i form av varme . Flammen er forårsaket av utslipp av energi fra atomene til noen partikler som finnes i forbrenningsgassene, når de blir opphisset av den intense varmen som genereres i denne typen reaksjon.
Når vi tar i betraktning hvordan oksygen er inkorporert i flammen, kan vi skille:
Forblandingsflammer.- Når drivstoff og forbrenningsmiddel blandes før forbrenning, som i tilfellet med en bunsenbrenner . I disse flammene er forbrenningen mer fullstendig og de lar høyere temperaturer nås, og presenterer andre egenskaper som den blå fargen.
Diffusjonsflammer.- Diffusjonsflammer er de som dannes naturlig når drivstoff og luft møtes uten forutgående blanding på samme sted. Diffusjon vil være øyeblikket der en brennbar gass naturlig møter oksygen i luften. Området hvor dette fenomenet oppstår kalles reaksjonssonen, det er lite omfattende og det er her forbrenningen skjer.
Tre soner kan differensieres: [ 1 ]
En kortere definisjon: de er de der drivstoffet strømmer med ekstra luft eller oksygen. eksempel: gassbrennere.
På grunn av sin kompleksitet er det der de har gjort størst fremgang takket være fremskritt innen måleutstyr, og ulike modeller kan beskrives.
Tre-sone modell eller delene av flammenDen første som publiserte en vitenskapelig studie om flammen og dens struktur var Michael Faraday i 1908 med The Chemical History of a Candle der han, gjennom enkle eksperimenter, identifiserte tre soner i flammen:
Nyere studier har gjort det mulig å observere at diffusjonsflammer presenterer områder der deres forbrenning ligner på premix-flammer i de områdene som har bedre tilførsel av oksygen, i det nedre området og i det ytterste laget, synlig for det blotte øye . siden de har vanlige egenskaper som lav lysstyrke og blåaktig farge. [ 2 ] [ 3 ]
Glødelys kommer fra tilstedeværelsen av faste partikler i den lysende og varme delen av flammen. Disse partiklene, som hovedsakelig er elementært karbon , kan avsettes på bladet til en slikkepott ved å plassere den rett over flammen.
Stearinlys er hovedsakelig sammensatt av hydrokarboner med høy molar masse . Varmen fra lysflammen smelter voksen, og etterlater veken (veken i midten av lyset) nedsenket i den. Tilleggsvarmen fordamper voksen fra veken. Noe av voksdampen brenner og danner karbondioksid CO 2 og vann , en annen del omdannes til hydrokarboner med lavere molekylmasse , fragmenter av molekyler og karbon. Etter hvert blir noen av disse mellomproduktene også omdannet til karbondioksid og vann i forbrenningsprosessen.
Såkalte Bunsen-brennere, oppkalt etter den tyske kjemikeren Robert Wilhelm Bunsen , brukes ofte i kjemilaboratorier . I denne typen apparater kan gassen som brukes være metan , propan eller butan. Hvis gasstilførselen er konstant, avhenger temperaturen på flammen av mengden luft som er forhåndsblandet med den oksiderende gassen før forbrenning. Når luftinntaksventilen i bunnen av brenneren er stengt, har flammen en gulaktig farge, noe som indikerer at forbrenningsprosessen er ufullstendig (dette betyr at ikke all metan som føres inn i brenneren omdannes til karbondioksid og vann, en del omdannes til elementært karbon som i tilfellet med stearinlys).
Når luftinntaksventilen er helt åpen, omdannes gassformig metan i stor grad til karbondioksid og vann:
CH 4 ( g ) + 2O 2 ( g ) → CO 2 ( g) + 2H 2 O( l )
I denne prosessen frigjøres mer varme enn i forrige tilfelle, så temperaturen på flammen øker og fargen endres fra gul til blå. Gass til husholdningsbruk (metan, propan, butan) som brukes til matlaging er vanligvis forhåndsblandet med luft for å gjøre flammen blå (målet er å sikre fullstendig forbrenning av gassen som føres inn i brennerne).
Enda mer fullstendig forbrenning av metan kan oppnås ved å forhåndsblande den med ren oksygengass i stedet for luft.
I laboratoriet, når du arbeider med glass , brukes en oksygen/metan-brenner for å blåse vitenskapelig glass. Flammen er varm nok til å smelte kvarts (smeltepunktet for kvarts er omtrent 1600 °C).
I industrien er det nødvendig med flammer med høyere temperatur for å kutte og sveise metaller. Oksyhydrogenbrenneren (oksygen/hydrogen) blander hydrogen og oksygengasser før forbrenning.
2H 2 ( g ) + O 2 ( g ) → 2H 2 O ( l )
Ved hjelp av forrige prosess oppnås flammetemperaturer på over 3400 °C.
Reaksjonen mellom acetylen ( etyn ifølge IUPAC ) og oksygen er enda mer eksoterm:
2C 2 H 2 ( g ) + 5O 2 ( g ) → 4CO 2 ( g ) + 2H 2 O ( l )
Oksyacetylenfakkelen, basert på denne reaksjonen, har en flamme hvis temperatur er høyere enn 3000 °C. En slik brenner brukes ofte til å sveise stålbjelker som brukes i bygningskonstruksjoner.
Flammetesten er en mye brukt kvalitativ analysemetode for å identifisere tilstedeværelsen av et bestemt kjemisk element i en prøve. For å gjennomføre det må du ha en gassbrenner. Vanligvis en Bunsen-brenner, siden temperaturen på flammen er høy nok til å gjennomføre opplevelsen (en vekebrenner med alkoholbelegg vil ikke fungere). Først må temperaturen på Bunsen-brennerflammen justeres til den ikke lenger er gulaktig og har en blåaktig fargetone i flammekroppen og en fargeløs konvolutt. Deretter impregneres tuppen av en ren platina- eller nikrom (en legering av nikkel og krom) stang, eller hvis det ikke, glass, med en liten mengde av stoffet som skal analyseres, og stangen blir deretter introdusert i flammen for å prøve å lokalisere spissen i den minst fargede delen av flammen.
Elektronene til disse vil hoppe til høyere nivåer fra de lavere nivåene, og umiddelbart (tiden et elektron kan være i høyere nivåer er i størrelsesorden nanosekunder ), vil de sende ut energi i alle retninger i form av elektromagnetisk stråling ( lys ) av frekvensfunksjoner. Dette kalles et atomutslippsspektrum .
På makroskopisk nivå observeres det at prøven, når den varmes opp i hjertet av flammen, vil gi den en karakteristisk farge. For eksempel, hvis spissen av en stav er impregnert med en dråpe Ca 2+ løsning (notasjonen ovenfor indikerer at det er kalsiumionet , det vil si kalsiumatomet som har mistet to elektroner), er den observerte fargen mursteinsrød .
Kjemisk analyse av røykgasser er mulig med Orsat-analyse .