În timpul arderii se formează o flacără, a cărei structură se datorează substanțelor care reacţionează. Structura sa este împărțită în regiuni în funcție de indicatorii de temperatură.
Definiție
O flacără este un gaz sub formă fierbinte, în care componentele sau substanțele plasmatice sunt prezente într-o formă solidă dispersată. Ei efectuează transformări de tip fizic și chimic, însoțite de luminiscență, eliberare de energie termică și încălzire.
Prezența particulelor ionice și radicalice într-un mediu gazos îi caracterizează conductivitatea electrică și comportamentul special într-un câmp electromagnetic.
Ce sunt flăcările
De obicei, acesta este numele proceselor asociate cu arderea. În comparație cu aerul, densitatea gazului este mai mică, dar temperaturile ridicate provoacă creșterea gazului. Așa se formează flăcările, care sunt lungi și scurte. Adesea există o tranziție lină de la o formă la alta.
Flacără: structură și structură
Pentru a determina aspectul fenomenului descris este suficient să se aprindă Flacăra neluminoasă care a apărut nu poate fi numită omogenă. Din punct de vedere vizual, se pot distinge trei zone principale. Apropo, studiul structurii flăcării arată că diferite substanțe ard cu formarea unui alt tip de torță.
Când se arde un amestec de gaz și aer, se formează mai întâi o torță scurtă, a cărei culoare are nuanțe de albastru și violet. Miezul este vizibil în el - verde-albastru, asemănător cu un con. Luați în considerare această flacără. Structura sa este împărțită în trei zone:
- Alocați o zonă pregătitoare în care amestecul de gaz și aer să fie încălzit la ieșirea din orificiul arzătorului.
- Este urmată de zona în care are loc arderea. Ocupă partea superioară a conului.
- Când există o lipsă de flux de aer, gazul nu arde complet. Se eliberează oxid de carbon divalent și reziduuri de hidrogen. Postarderea lor are loc în a treia zonă, unde există acces la oxigen.
Acum vom lua în considerare separat diferite procese de ardere.
Lumânare aprinsă
Arderea unei lumânări este similară cu arderea unui chibrit sau a unei brichete. Și structura flăcării unei lumânări seamănă cu un curent de gaz fierbinte, care este tras în sus din cauza forțelor de plutire. Procesul începe cu încălzirea fitilului, urmată de evaporarea parafinei.
Zona cea mai de jos, situată în interiorul și adiacent firului, se numește prima regiune. Are o strălucire mică datorită cantității mari de combustibil, dar volumului mic al amestecului de oxigen. Aici, procesul de ardere incompletă a substanțelor este efectuat cu eliberarea cărora este oxidată în continuare.
Prima zonă este înconjurată de o a doua înveliș luminoasă, care caracterizează structura flăcării lumânării. Un volum mai mare de oxigen intră în el, ceea ce determină continuarea reacției oxidative cu participarea moleculelor de combustibil. Indicatorii de temperatură aici vor fi mai mari decât în zona întunecată, dar insuficienti pentru descompunerea finală. În primele două zone apare un efect luminos atunci când picăturile de combustibil nearse și particulele de cărbune sunt puternic încălzite.
A doua zonă este înconjurată de un înveliș discret, cu valori ridicate de temperatură. Multe molecule de oxigen intră în el, ceea ce contribuie la arderea completă a particulelor de combustibil. După oxidarea substanțelor, efectul luminos nu se observă în zona a treia.
Reprezentare schematică
Pentru claritate, vă prezentăm atenției imaginea unei lumânări aprinse. Schema de flacără include:
- Prima zonă sau întunecată.
- A doua zonă luminoasă.
- A treia coajă transparentă.
Firul lumânării nu suferă ardere, ci are loc doar carbonizarea capătului îndoit.
Lampă cu spirit aprins
Rezervoarele mici de alcool sunt adesea folosite pentru experimente chimice. Se numesc lămpi cu alcool. Fitilul arzătorului este impregnat cu combustibil lichid turnat prin orificiu. Acest lucru este facilitat de presiunea capilară. La atingerea vârfului liber al fitilului, alcoolul începe să se evapore. În stare de vapori, se aprinde și arde la o temperatură care nu depășește 900 °C.
Flacăra lămpii cu spirit are forma obișnuită, este aproape incoloră, cu o ușoară nuanță de albastru. Zonele sale nu sunt la fel de clar vizibile ca cele ale unei lumânări.
Numit după omul de știință Bartel, începutul incendiului este situat deasupra grilei incandescente a arzătorului. Această adâncire a flăcării duce la o scădere a conului întunecat interior, iar secțiunea de mijloc iese din gaură, care este considerată cea mai fierbinte.
Caracteristica culorii
Radiațiile diferite sunt cauzate de tranzițiile electronice. Se mai numesc si termice. Deci, ca urmare a arderii componentei de hidrocarbură în aer, flacăra albastră se datorează eliberării compusului H-C. Și când sunt emise particule de C-C, lanterna devine portocaliu-roșu.
Este dificil de luat în considerare structura flăcării, a cărei chimie include compuși ai apei, dioxid de carbon și monoxid de carbon, legătura OH. Limbile sale sunt practic incolore, deoarece particulele de mai sus emit radiații ultraviolete și infraroșii atunci când sunt arse.
Culoarea flăcării este interconectată cu indicatorii de temperatură, cu prezența particulelor ionice în ea, care aparțin unui anumit spectru de emisie sau optic. Astfel, arderea unor elemente duce la schimbarea culorii focului din arzator. Diferențele de colorare a penei sunt asociate cu aranjarea elementelor în diferite grupuri ale sistemului periodic.
Focul pentru prezența radiațiilor legate de spectrul vizibil este studiat cu un spectroscop. În același timp, s-a constatat că substanțele simple din subgrupa generală au și o colorare similară a flăcării. Pentru claritate, arderea sodiului este folosită ca test pentru acest metal. Când sunt aduse în flacără, limbile devin galbene strălucitoare. Pe baza caracteristicilor de culoare, linia de sodiu este izolată în spectrul de emisie.
Pentru proprietatea caracteristică a excitării rapide a radiației luminoase a particulelor atomice. Când compuși puțin volatili ai unor astfel de elemente sunt introduși în focul unui arzător Bunsen, acesta este colorat.
Examinarea spectroscopică arată linii caracteristice în regiunea vizibilă pentru ochiul uman. Viteza de excitare a radiației luminoase și structura spectrală simplă sunt strâns legate de caracteristica electropozitivă ridicată a acestor metale.
Caracteristică
Clasificarea flăcării se bazează pe următoarele caracteristici:
- starea agregată a compuşilor de ardere. Ele vin în forme gazoase, aerodisperse, solide și lichide;
- tip de radiație, care poate fi incoloră, luminoasă și colorată;
- viteza de distributie. Există o răspândire rapidă și lentă;
- înălțimea flăcării. Structura poate fi scurtă și lungă;
- natura mișcării amestecurilor de reacție. Alocați mișcare pulsatorie, laminară, turbulentă;
- perceptie vizuala. Substanțele ard cu degajarea unei flăcări fumurii, colorate sau transparente;
- indicator de temperatură. Flacăra poate fi la temperatură scăzută, rece și la temperatură ridicată.
- starea fazei combustibil - agent oxidant.
Aprinderea are loc ca rezultat al difuziei sau al preamestecului componentelor active.
Regiunea de oxidare și reducere
Procesul de oxidare are loc într-o zonă discretă. Ea este cea mai tare și este situată în vârf. În ea, particulele de combustibil suferă ardere completă. Iar prezența excesului de oxigen și a deficitului de combustibil duce la un proces intens de oxidare. Această caracteristică trebuie utilizată atunci când încălziți obiecte peste arzător. De aceea substanța este scufundată în partea superioară a flăcării. O astfel de ardere are loc mult mai repede.
Reacțiile de reducere au loc în părțile centrale și inferioare ale flăcării. Conține o cantitate mare de substanțe combustibile și o cantitate mică de molecule de O 2 care realizează arderea. Când este introdus în aceste zone, elementul O este desprins.
Ca exemplu de flacără reducătoare, este utilizat procesul de scindare a sulfatului feros. Când FeSO4 intră în partea centrală a flăcării arzătorului, acesta se încălzește mai întâi și apoi se descompune în oxid feric, anhidridă și dioxid de sulf. În această reacție, se observă reducerea lui S cu o sarcină de la +6 la +4.
flacara de sudare
Acest tip de incendiu se formează ca urmare a arderii unui amestec de gaz sau vapori lichizi cu oxigen în aer curat.
Un exemplu este formarea unei flăcări de oxiacetilenă. Se evidentiaza:
- zona centrală;
- zona medie de recuperare;
- zona de capăt de flare.
Acesta este câte amestecuri gaz-oxigen ard. Diferențele în raportul dintre acetilenă și oxidant conduc la un tip diferit de flacără. Poate fi o structură normală, cementantă (acetilenă) și oxidantă.
Teoretic, procesul de ardere incompletă a acetilenei în oxigen pur poate fi caracterizat prin următoarea ecuație: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (pentru reacție este necesar un mol de O 2).
Hidrogenul molecular rezultat și monoxidul de carbon reacţionează cu oxigenul din aer. Produsele finite sunt apa și monoxidul de carbon tetravalent. Ecuația arată astfel: CO + CO + H 2 + 1½O 2 → CO 2 + CO 2 + H 2 O. Această reacție necesită 1,5 moli de oxigen. Când se însumează O 2, se dovedește că 2,5 moli sunt cheltuiți pentru 1 mol de HCCH. Și deoarece în practică este dificil să găsești oxigen pur în mod ideal (adesea are o ușoară contaminare cu impurități), raportul dintre O 2 și HCCH va fi de 1,10 la 1,20.
Când raportul dintre oxigen și acetilenă este mai mic de 1,10, apare o flacără de cementare. Structura sa are un nucleu lărgit, contururile sale devin neclare. Funinginea este emisă dintr-un astfel de incendiu, din cauza lipsei de molecule de oxigen.
Dacă raportul de gaze este mai mare de 1,20, atunci se obține o flacără oxidantă cu un exces de oxigen. Moleculele sale în exces distrug atomii de fier și alte componente ale arzătorului din oțel. Într-o astfel de flacără, partea nucleară devine scurtă și are puncte.
Indicatori de temperatură
Fiecare zonă de foc a unei lumânări sau a unui arzător are propriul său sens, datorită furnizării de molecule de oxigen. Temperatura unei flăcări deschise în diferitele sale părți variază de la 300 °C la 1600 °C.
Un exemplu este o flacără de difuzie și laminare, care este formată din trei cochilii. Conul său este format dintr-o zonă întunecată cu o temperatură de până la 360 ° C și o lipsă a unui agent oxidant. Deasupra ei este o zonă de strălucire. Indicele său de temperatură variază de la 550 la 850 ° C, ceea ce contribuie la descompunerea amestecului termic combustibil și la arderea acestuia.
Zona exterioară este abia vizibilă. În ea, temperatura flăcării atinge 1560 ° C, ceea ce se datorează caracteristicilor naturale ale moleculelor de combustibil și vitezei de intrare a agentului de oxidare. Aici arderea este cea mai energică.
Substanțele se aprind în diferite condiții de temperatură. Deci, magneziul metalic arde doar la 2210 °C. Pentru multe solide, temperatura flăcării este de aproximativ 350°C. Aprinderea chibriturilor și a kerosenului este posibilă la 800 °C, în timp ce lemnul - de la 850 °C la 950 °C.
Țigara arde cu o flacără, a cărei temperatură variază de la 690 la 790 °C, iar într-un amestec de propan-butan - de la 790 °C la 1960 °C. Benzina se aprinde la 1350°C. Flacăra alcoolului de ardere are o temperatură de cel mult 900 ° C.
Cum să blestem întunericul
e mai bine să-l aprinzi
o lumânare mică.
Confucius
La inceput
Primele încercări de a înțelege mecanismul arderii sunt asociate cu numele englezului Robert Boyle, francezului Antoine Laurent Lavoisier și rusului Mihail Vasilyevich Lomonosov. S-a dovedit că în timpul arderii, substanța nu „dispare” nicăieri, așa cum se credea naiv, ci se transformă în alte substanțe, în mare parte gazoase și, prin urmare, invizibile. Lavoisier în 1774 a arătat pentru prima dată că aproximativ o cincime din aer părăsește aerul în timpul arderii. În secolul al XIX-lea, oamenii de știință au studiat în detaliu procesele fizice și chimice care însoțesc arderea. Necesitatea unei astfel de lucrări a fost cauzată în primul rând de incendiile și exploziile din mine.
Dar abia în ultimul sfert al secolului al XX-lea au fost identificate principalele reacții chimice care însoțesc arderea, iar până în ziua de azi multe pete întunecate rămân în chimia flăcării. Ele sunt examinate prin cele mai moderne metode în multe laboratoare. Aceste studii au mai multe scopuri. Pe de o parte, este necesară optimizarea proceselor de ardere în cuptoarele centralelor termice și în cilindrii motoarelor cu ardere internă, pentru a preveni arderea explozivă (detonarea) atunci când amestecul aer-benzină este comprimat în cilindrul autoturismului. Pe de altă parte, este necesar să se reducă cantitatea de substanțe nocive formate în procesul de ardere și, în același timp, să se caute mijloace mai eficiente de stingere a incendiului.
Există două feluri de flacără. Combustibilul și oxidantul (de cele mai multe ori oxigen) pot fi furnizate forțat sau spontan în zona de ardere separat și amestecate deja în flacără. Și pot fi amestecate în avans - astfel de amestecuri sunt capabile să ardă sau chiar să explodeze în absența aerului, cum ar fi praful de pușcă, amestecurile pirotehnice pentru artificii, combustibilii pentru rachete. Arderea poate avea loc atât cu participarea oxigenului care intră în zona de ardere cu aer, cât și cu ajutorul oxigenului conținut în substanța oxidantă. Una dintre aceste substante este sarea lui Bertolet (clorat de potasiu KClO 3); această substanță eliberează cu ușurință oxigen. Un agent oxidant puternic este acidul azotic HNO 3: în forma sa pură, aprinde multe substanțe organice. Nitrații, sărurile acidului azotic (de exemplu, sub formă de îngrășământ - nitrat de potasiu sau amoniu), sunt foarte inflamabili dacă sunt amestecați cu substanțe combustibile. Un alt agent oxidant puternic, tetroxidul de azot N 2 O 4, este o componentă a combustibililor pentru rachete. Oxigenul poate fi înlocuit și cu agenți oxidanți puternici, cum ar fi, de exemplu, clorul, în care ard multe substanțe, sau fluorul. Fluorul pur este unul dintre cei mai puternici agenți oxidanți; apa arde în jetul său.
reacții în lanț
Bazele teoriei arderii și propagării flăcării au fost puse la sfârșitul anilor 1920. În urma acestor studii, au fost descoperite reacții în lanț ramificat. Pentru această descoperire, fizicochimistul autohton Nikolai Nikolaevich Semenov și cercetătorul englez Cyril Hinshelwood au primit Premiul Nobel pentru Chimie în 1956. Reacții în lanț neramificate mai simple au fost descoperite în 1913 de chimistul german Max Bodenstein, folosind ca exemplu reacția hidrogenului cu clorul. În total, reacția este exprimată prin ecuația simplă H 2 + Cl 2 = 2HCl. De fapt, vine cu participarea unor fragmente foarte active de molecule - așa-numiții radicali liberi. Sub acțiunea luminii în regiunile ultraviolete și albastre ale spectrului sau la temperatură ridicată, moleculele de clor se descompun în atomi, care încep un lung lanț de transformări (uneori până la un milion de verigi); fiecare dintre aceste transformări se numește reacție elementară:
CI + H2 → HCI + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl etc.
La fiecare etapa (veriga de reactie), un centru activ (atom de hidrogen sau de clor) dispare si in acelasi timp apare un nou centru activ continuand lantul. Lanțurile sunt terminate atunci când două specii active se întâlnesc, de exemplu Cl + Cl → Cl 2 . Fiecare lanț se propagă foarte repede, așa că dacă particulele active „originale” sunt generate cu viteză mare, reacția va merge atât de repede încât poate duce la o explozie.
N. N. Semenov și Hinshelwood au descoperit că reacțiile de combustie ale vaporilor de fosfor și hidrogen decurg diferit: cea mai mică scânteie sau flacără deschisă poate provoca o explozie chiar și la temperatura camerei. Aceste reacții sunt cu lanț ramificat: particulele active „se înmulțesc” în timpul reacției, adică atunci când o particulă activă dispare, apar două sau trei. De exemplu, într-un amestec de hidrogen și oxigen, care poate fi stocat în siguranță timp de sute de ani, dacă nu există influențe externe, apariția atomilor de hidrogen activi dintr-un motiv sau altul declanșează următorul proces:
H + O 2 → OH + O,
O + H2 → OH + H.
Astfel, într-o perioadă nesemnificativă de timp, o particulă activă (atomul de H) se transformă în trei (atomul de hidrogen și doi radicali hidroxil OH), care lansează deja trei lanțuri în loc de unul. Ca urmare, numărul de lanțuri crește ca o avalanșă, ceea ce duce instantaneu la o explozie a unui amestec de hidrogen și oxigen, deoarece în această reacție se eliberează multă energie termică. Atomii de oxigen sunt prezenți în flacără și în arderea altor substanțe. Acestea pot fi detectate prin direcționarea unui jet de aer comprimat peste partea superioară a flăcării arzătorului. În același timp, în aer se va găsi un miros caracteristic de ozon - aceștia sunt atomi de oxigen „lipiți” de moleculele de oxigen cu formarea de molecule de ozon: O + O 2 \u003d O 3, care au fost scoși din flacără. prin aer rece.
Posibilitatea unei explozii a unui amestec de oxigen (sau aer) cu multe gaze combustibile - hidrogen, monoxid de carbon, metan, acetilena - depinde de conditii, in principal de temperatura, compozitia si presiunea amestecului. Deci, dacă, în urma unei scurgeri de gaz de uz casnic în bucătărie (constă în principal din metan), conținutul său în aer depășește 5%, atunci amestecul va exploda de la flacăra unui chibrit sau a brichetei și chiar de la o scânteie mică care a alunecat prin întrerupător când lumina era aprinsă. Nu va exista nicio explozie dacă lanțurile se rup mai repede decât se pot ramifica. De aceea a existat o lampă de miner sigură, pe care chimistul englez Humphry Davy a dezvoltat-o în 1816, neștiind nimic despre chimia flăcării. În această lampă, focul deschis era separat de atmosfera exterioară (care putea fi explozivă) cu o plasă metalică fină. Pe suprafața metalului, particulele active dispar efectiv, transformându-se în molecule stabile și, prin urmare, nu pot pătrunde în mediul extern.
Mecanismul complet al reacțiilor în lanț ramificat este foarte complex și poate include mai mult de o sută de reacții elementare. Reacțiile cu lanț ramificat includ multe reacții de oxidare și combustie ale compușilor anorganici și organici. La fel va fi și reacția de fisiune nucleară a elementelor grele, precum plutoniul sau uraniul, sub influența neutronilor, care acționează ca analogi ai particulelor active în reacțiile chimice. Pătrunzând în nucleul unui element greu, neutronii provoacă fisiunea acestuia, care este însoțită de eliberarea de energie foarte mare; În același timp, din nucleu sunt emiși noi neutroni, care provoacă fisiunea nucleelor învecinate. Procesele chimice și nucleare ale lanțului de ramificare sunt descrise prin modele matematice similare.
De ce ai nevoie pentru a începe
Pentru a începe arderea, trebuie îndeplinite o serie de condiții. În primul rând, temperatura substanței combustibile trebuie să depășească o anumită valoare limită, care se numește temperatura de aprindere. Celebrul roman Fahrenheit 451 al lui Ray Bradbury este numit astfel deoarece hârtia arde la aproximativ această temperatură (233°C). Acesta este „punctul de aprindere” deasupra căruia un combustibil solid eliberează vapori inflamabili sau produși de descompunere gazoasă într-o cantitate suficientă pentru arderea lor stabilă. Aproximativ aceeași temperatură de aprindere pentru lemnul uscat de pin.
Temperatura flăcării depinde de natura substanței combustibile și de condițiile de ardere. Astfel, temperatura într-o flacără de metan în aer ajunge la 1900°C, iar la arderea în oxigen - 2700°C. O flacără și mai fierbinte este produsă prin arderea în oxigen pur de hidrogen (2800°C) și acetilenă (3000°C). Nu e de mirare că flacăra unei torțe cu acetilenă taie cu ușurință aproape orice metal. Temperatura cea mai ridicată, aproximativ 5000 ° C (este înregistrată în Cartea Recordurilor Guinness), atunci când este arsă în oxigen, este dată de un lichid cu punct de fierbere scăzut - subnitrură de carbon С 4 N 2 (aceasta substanță are structura dicianoacetilenei NC– C=C–CN). Și conform unor rapoarte, atunci când arde într-o atmosferă de ozon, temperatura poate ajunge până la 5700 ° C. Dacă acest lichid este dat foc în aer, va arde cu o flacără roșie fumurie cu o margine verde-violet. Pe de altă parte, sunt cunoscute și flăcările reci. Deci, de exemplu, vaporii de fosfor ard la presiuni scăzute. O flacără relativ rece se obține și în timpul oxidării disulfurei de carbon și a hidrocarburilor ușoare în anumite condiții; de exemplu, propanul produce o flacără rece la presiune redusă și temperaturi între 260–320°C.
Abia în ultimul sfert al secolului al XX-lea a început să fie clarificat mecanismul proceselor care au loc în flacăra multor substanțe combustibile. Acest mecanism este foarte complex. Moleculele inițiale sunt de obicei prea mari pentru a fi transformate direct în produși de reacție prin reacția cu oxigenul. Deci, de exemplu, arderea octanului, una dintre componentele benzinei, este exprimată prin ecuația 2C 8 H 18 + 25O 2 \u003d 16CO 2 + 18H 2 O. Cu toate acestea, toți cei 8 atomi de carbon și 18 atomi de hidrogen din molecula octanică nu se poate combina în niciun fel cu 50 de atomi de oxigen în același timp: pentru aceasta, multe legături chimice trebuie rupte și trebuie formate multe altele noi. Reacția de ardere are loc în mai multe etape - astfel încât în fiecare etapă se rupe și se formează doar un număr mic de legături chimice, iar procesul constă dintr-o multitudine de reacții elementare consecutive, a căror totalitate apare observatorului ca o flacără. Este dificil de studiat reacțiile elementare, în primul rând pentru că concentrațiile de particule intermediare reactive într-o flacără sunt extrem de scăzute.
În interiorul flăcării
Sondarea optică a diferitelor secțiuni ale flăcării cu ajutorul laserelor a făcut posibilă stabilirea compoziției calitative și cantitative a particulelor active prezente acolo - fragmente de molecule de combustibil. S-a dovedit că, chiar și într-o reacție aparent simplă de ardere a hidrogenului în oxigen 2H 2 + O 2 = 2H 2 O, au loc peste 20 de reacții elementare cu participarea moleculelor O 2, H 2, O 3, H 2 O 2, H2O, particule active H, O, OH, DAR 2. Iată, de exemplu, ceea ce chimistul englez Kenneth Bailey a scris despre această reacție în 1937: „Ecuația pentru reacția de combinare a hidrogenului cu oxigenul este prima ecuație cu care se familiarizează majoritatea începătorilor care studiază chimia. Această reacție li se pare foarte simplă. Dar chiar și chimiștii profesioniști sunt oarecum surprinși să vadă o carte de o sută de pagini numită The Reaction of Oxygen with Hydrogen, publicată de Hinshelwood și Williamson în 1934. La aceasta putem adăuga că în 1948 a fost publicată o monografie mult mai mare de A. B. Nalbandyan și V. V. Voevodsky sub titlul „Mecanismul de oxidare și combustie a hidrogenului”.
Metodele moderne de cercetare au făcut posibilă studierea etapelor individuale ale unor astfel de procese, măsurarea vitezei cu care diferite particule active reacţionează între ele şi cu molecule stabile la diferite temperaturi. Cunoscând mecanismul etapelor individuale ale procesului, este posibil să se „asambleze” întregul proces, adică să simuleze o flacără. Complexitatea unei astfel de modelări constă nu numai în studierea întregului complex de reacții chimice elementare, ci și în necesitatea de a lua în considerare procesele de difuzie a particulelor, transferul de căldură și fluxurile de convecție în flacără (acestea din urmă sunt cele care aranjează vrăjitorul). joc de limbi de foc aprins).
De unde vine totul
Principalul combustibil al industriei moderne sunt hidrocarburile, variind de la cel mai simplu, metanul, până la hidrocarburile grele conținute în păcură. Flacăra chiar și a celei mai simple hidrocarburi - metanul - poate include până la o sută de reacții elementare. Cu toate acestea, nu toate au fost studiate suficient de detaliat. Când hidrocarburile grele, precum cele conținute în parafină, ard, moleculele lor nu pot ajunge în zona de ardere, rămânând intacte. Chiar și pe drumul spre flacără, acestea sunt împărțite în fragmente din cauza temperaturii ridicate. În acest caz, grupările care conțin doi atomi de carbon sunt de obicei separate din molecule, de exemplu, C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13. Speciile active cu un număr impar de atomi de carbon pot desprinde atomii de hidrogen, formând compuși cu legături duble C=C și triple C≡C. S-a descoperit că într-o flacără, astfel de compuși pot intra în reacții care nu erau cunoscute anterior de chimiști, deoarece nu ies în afara flăcării, de exemplu, C 2 H 2 + O → CH 2 + CO, CH 2 + O 2 → CO2 + H + N.
Pierderea treptată a hidrogenului de către moleculele inițiale duce la creșterea proporției de carbon din acestea până la formarea particulelor C 2 H 2 , C 2 H, C 2. Zona de flacără albastru-albastru se datorează strălucirii din această zonă a particulelor de C2 și CH excitate. Dacă accesul oxigenului în zona de ardere este limitat, atunci aceste particule nu se oxidează, ci sunt colectate în agregate - ele polimerizează conform schemei C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H, C 2 H + C 4 H 2 → C 6 H 2 + H etc.
Ca rezultat, se formează particule de funingine, constând aproape exclusiv din atomi de carbon. Ele sunt sub formă de bile minuscule cu diametrul de până la 0,1 micrometri, care conțin aproximativ un milion de atomi de carbon. Astfel de particule la temperaturi ridicate dau o flacără galbenă bine luminoasă. În partea de sus a flăcării lumânării, aceste particule ard, astfel încât lumânarea nu fumează. Dacă apare lipirea suplimentară a acestor particule de aerosoli, atunci se formează particule mai mari de funingine. Ca rezultat, o flacără (de exemplu, cauciucul care arde) produce fum negru. Un astfel de fum apare dacă proporția de carbon în raport cu hidrogenul este crescută în combustibilul original. Un exemplu este terebentina - un amestec de hidrocarburi din compoziția C 10 H 16 (C n H 2n–4), benzen C 6 H 6 (C n H 2n–6), alte lichide combustibile cu lipsă de hidrogen - toate fum în timpul arderii. O flacără fumurie și strălucitoare dă acetilenei C 2 H 2 (C n H 2n–2) ardere în aer; cândva o astfel de flacără a fost folosită la felinarele din acetilenă montate pe biciclete și mașini, în lămpile minerului. Și invers: hidrocarburi cu conținut ridicat de hidrogen - metan CH 4, etan C 2 H 6, propan C 3 H 8, butan C 4 H 10 (formula generală C n H 2n + 2) - ard cu acces suficient la aer cu un flacără aproape incoloră. Un amestec de propan și butan sub formă de lichid sub presiune ușoară se găsește în brichete, precum și în buteliile folosite de locuitorii de vară și de turiști; aceiași cilindri sunt instalați în mașinile care funcționează pe gaz. Mai recent, s-a descoperit că funinginea conține adesea molecule sferice formate din 60 de atomi de carbon; au fost numite fullerene, iar descoperirea acestei noi forme de carbon a fost anunțată de Premiul Nobel pentru Chimie în 1996.
Compoziția flăcării în diferitele sale părți este foarte eterogenă, deoarece depinde de compoziția amestecului de gaz și de condițiile de scurgere a aerului, adică de debitul de ieșire al amestecului și de presiunea atmosferei înconjurătoare.
Pentru procesul de sudare, compoziția zonei medii de lucru a flăcării este de cea mai mare importanță.
Compoziția chimică a flăcării poate fi determinată experimental - direct prin analiza chimică a probelor selectate, sau prin metoda spectrală. Sunt disponibile și metode de calcul aproximative.
O analiză chimică directă a compoziției flăcării nu poate pretinde o mai mare acuratețe a rezultatelor, deoarece la prelevarea de probe din diferite zone de flacără, compoziția gazului se poate modifica în timpul răcirii.
Analiza chimică a produselor de combustie ai flăcării de acetilenă-oxigen se efectuează de obicei în zone situate la o anumită distanță de miezul interior al flăcării. În ceea ce privește compoziția produșilor intermediari instabili ai descompunerii pirogenice a acetilenei în miezul interior al flăcării, acestea din urmă sunt determinate cel mai precis prin analiză spectrală. Deci, de exemplu, analiza spectrală a miezului interior al flăcării a relevat un spectru de hidrocarburi cu benzi emise de o moleculă de carbon. Analiza spectrală a zonei exterioare a flăcării relevă și prezența radicalului OH etc.
Bazele reglării compoziției flăcării de sudare acetilenă-oxigen au fost dezvoltate de A.N. Shashkov, care a stabilit principiile generale pentru determinarea compoziției optime a amestecului de gaz combustibil cu oxigen în sudarea oțelurilor.
Împărțirea, acceptată anterior, a flăcării în neutru, reducătoare și oxidantă, așa cum arată studiile lui A.N. Shashkov, este nerezonabil, deoarece o flacara cu adevarat neutra la o anumita compozitie, temperatura si presiune nu oxideaza sau dezoxideaza metalul, fiind simultan in echilibru cu metalul in sine si cu oxidul sau inferior. O flacără neutră de sudare, având un raport de amestec de gaze de 1,1-1,2, contracarează intens oxidarea și, în unele cazuri, de exemplu, la sudarea fierului, cuprului și nichelului, restabilește metalul bazinului de sudură datorită prezenței necesarului. concentrația de monoxid de carbon în zona mijlocie a flăcării și hidrogen - atomic și molecular.
De asemenea, nejustificat și incorect este și termenul „reducere a flăcării” atunci când este vorba de o flacără cu un exces de acetilenă, deoarece o astfel de flacără nu restabilește metalul bazinului de sudură, ci îl carburează.
Din diagrama de echilibru a H 2 și CO cu oxid feros și fier (Fig. 37 și 38) se poate observa că numai acele compoziții de amestec care se află pe liniile de echilibru (linia diagramă) sunt neutre și, astfel, cu o ajustare grosieră. a flăcării de sudare, probabilitatea obţinerii flăcării neutre este neglijabilă. Limita inferioară a conținutului de oxigen din amestecul de gaze este determinată din condiția de oxidare a întregului carbon din CO.
Din reacția de ardere a acetilenei în oxigen, raportul de volum dintre oxigen și acetilenă ar trebui să fie 1, totuși, ținând cont de faptul că o mică parte de hidrogen arde în vapori de apă din cauza oxigenului amestecului combustibil și, de asemenea, datorită contaminare cu oxigen, conținutul minim de oxigen din amestec ar trebui să fie mai mare și să se potrivească 1,05-1,1.
Cu lipsă de oxigen, flacăra are un exces de carbon liber, care arde în oxigenul aerului și formează o zonă suplimentară sub forma unui con albicios încadrând miezul flăcării, capabil să carbureze metalul în timpul sudării.
În ceea ce privește sudarea oțelului moale, limita superioară a conținutului de oxigen într-o flacără normală este stabilită din condiția echilibrului eterogen de CO și H2 cu oxid feros FeO.
Cantitativ, această limită superioară depinde de mulți parametri și, în primul rând, de temperatura bazinului de sudură și de compoziția gazului combustibil.
