火は気体物質です。火の性質と意味

燃焼プロセス中に火炎が形成され、その構造は反応する物質によって決まります。その構造は、温度インジケーターに応じて領域に分かれています。

意味

炎は、プラズマ成分または物質が固体分散した形で存在する、熱い形のガスを指します。物理的および化学的タイプの変換がそれらの中で実行され、発光、熱エネルギーの放出、および加熱が伴います。

気体媒体中のイオン粒子とラジカル粒子の存在は、その導電性と電磁場における特別な挙動を特徴づけます。

炎とは何ですか

これは通常、燃焼に関連するプロセスに付けられる名前です。空気に比べてガスの密度は低いですが、高温になるとガスが上昇します。このようにして炎が形成されますが、炎は長くても短くても構いません。多くの場合、あるフォームから別のフォームへの移行はスムーズに行われます。

炎：構造と構造

決定するため外観記載された現象に点火するだけで十分です。現れる非発光の炎は均一とは言えません。視覚的には、3 つの主要な領域を区別できます。ところで、炎の構造を調べてみると、さまざまな物質が生成とともに燃えていることがわかります。さまざまな種類松明。

ガスと空気の混合物が燃えると、最初に短いトーチが形成され、その色は青と紫の色合いになります。その中にはコアが見えます - 緑がかった青、円錐を彷彿とさせます。この炎について考えてみましょう。その構造は 3 つのゾーンに分かれています。

ガスと空気の混合物がバーナー開口部から出るときに加熱される準備領域が特定されます。
これに燃焼が起こるゾーンが続きます。円錐の上部を占めます。
空気の流れが不十分な場合、ガスは完全に燃焼しません。二価酸化炭素と水素残留物が放出されます。それらの燃焼は、酸素がアクセスできる 3 番目の領域で行われます。

次に、さまざまな燃焼プロセスを個別に検討します。

燃えるろうそく

キャンドルを燃やすことは、マッチやライターを燃やすことと似ています。そして、ろうそくの炎の構造は、浮力によって上方に引っ張られる熱いガスの流れに似ています。このプロセスは芯を加熱することから始まり、次にワックスが蒸発します。

スレッドの内側に隣接する最も下のゾーンは、最初の領域と呼ばれます。燃料の量が多いため、わずかに光りますが、酸素の混合量は少ないです。ここでは、物質の不完全燃焼のプロセスが発生し、放出された物質がその後酸化されます。

最初のゾーンは、キャンドルの炎の構造を特徴付ける、発光する第 2 シェルで囲まれています。大量の酸素がそれに流入し、燃料分子の関与による酸化反応の継続が引き起こされます。ここの温度はダークゾーンよりも高くなりますが、最終的な分解には十分ではありません。最初の 2 つの領域では、未燃燃料の液滴と石炭粒子が強く加熱されると、発光効果が現れます。

2 番目のゾーンは、高い温度値を持つ視認性の低いシェルで囲まれています。多くの酸素分子がそこに入り、燃料粒子の完全燃焼に貢献します。物質の酸化後、第 3 ゾーンでは発光効果は観察されません。

模式図

わかりやすくするために、燃えているろうそくの画像を示します。火炎回路には次のものが含まれます。

最初の領域または暗い領域。
2番目の発光ゾーン。
3番目の透明なシェル。

ろうそくの糸は燃えませんが、曲がった端が焦げるだけです。

燃えるアルコールランプ

化学実験では、アルコールの入った小さなタンクがよく使用されます。アルコールランプといいます。穴から注がれた液体燃料がバーナーの芯に染み込みます。これは毛細管圧によって促進されます。芯の自由上部に到達すると、アルコールが蒸発し始めます。蒸気状態では発火し、900℃以下の温度で燃焼します。

アルコールランプの炎は正常な形をしており、ほぼ無色で、わずかに青みがかっています。そのゾーンはろうそくのゾーンほどはっきりとは見えません。

科学者バーセルにちなんで名付けられたこの名前は、火の始まりはバーナーグリッドの上にあります。この炎の深化により、内側の暗い円錐が減少し、最も熱いと考えられる中央部分が穴から現れます。

色の特徴

さまざまな放射線は電子遷移によって引き起こされます。サーマルとも呼ばれます。したがって、空気中の炭化水素成分が燃焼すると、放出された炭化水素成分によって青い炎が発生します。 H-C接続。そして、C-C粒子が放出されると、トーチはオレンジがかった赤に変わります。

火炎の化学構造には水、二酸化炭素、一酸化炭素の化合物とOH結合が含まれており、その構造を考慮するのは困難です。上記の粒子は燃焼すると紫外スペクトルと赤外スペクトルの放射線を放出するため、その舌は実質的に無色です。

炎の色は、特定の発光スペクトルまたは光学スペクトルに属するイオン粒子の存在とともに、温度インジケーターと相互に関連しています。したがって、特定の元素が燃焼すると、バーナーの火の色の変化が起こります。トーチの色の違いは、要素の配置に関連しています。さまざまなグループ定期的なシステム。

火災は分光器で可視スペクトルの放射線の存在を検査されます。同時に、次のことが分かりました。単体物質一般的なサブグループからは、同様の炎の色も示されます。明確にするために、この金属のテストとしてナトリウムの燃焼が使用されます。炎の中に入れると舌が鮮やかな黄色に変わります。色の特性に基づいて、発光スペクトル内のナトリウム線が識別されます。

それは、原子粒子からの光放射の急速な励起の特性によって特徴付けられます。このような元素の不揮発性化合物がブンゼンバーナーの火の中に導入されると、色がつきます。

分光検査では、人間の目に見える領域に特徴的な線が表示されます。光放射の励起速度と単純なスペクトル構造は、これらの金属の高い電気陽性特性と密接に関係しています。

特性

火炎の分類は次の特性に基づいています。

燃焼している化合物の集合状態。それらは、気体、空中、固体、液体の形で存在します。
放射線の種類。無色、発光、有色などの種類があります。
配布速度。広がりには速い場合と遅い場合があります。
炎の高さ。構造は短くても長くてもかまいません。
反応する混合物の動きの性質。脈動、層流、乱流の動きがあります。
視覚。物質は煙のような、色付きまたは透明な炎を放出して燃焼します。
温度インジケーター。炎は低温、低温、または高温の場合があります。
燃料 - 酸化剤相の状態。

燃焼は、有効成分の拡散または事前混合の結果として発生します。

酸化・還元領域

酸化プロセスはほとんど目立たない領域で発生します。最も熱く、上部に位置します。その中で燃料粒子は完全燃焼します。そして、過剰な酸素と可燃性物質の欠乏が存在すると、激しい酸化プロセスが引き起こされます。この機能は、バーナーで物体を加熱するときに使用する必要があります。物質が炎の上部に浸るのはこのためです。この燃焼ははるかに速く進行します。

還元反応は火炎の中央部と下部で起こります。これには、大量の可燃性物質と、燃焼を実行する少量の O 2 分子が含まれています。これらの領域にO元素が導入されると、O元素が除去されます。

還元炎の例として、硫酸第一鉄の分解プロセスが使用されます。 FeSO 4 が混入すると中央部バーナートーチで加熱すると、最初に加熱され、次に酸化第二鉄、無水物、二酸化硫黄に分解されます。この反応では、+6 から +4 の電荷を持つ S の還元が観察されます。

溶接炎

このタイプの火災は、きれいな空気からのガスまたは液体の蒸気と酸素との混合物の燃焼の結果として発生します。

一例は、オキシアセチレン炎の形成です。以下を区別します。

コアゾーン。
中間回復領域。
フレアエクストリームゾーン。

これは、ガスと酸素の混合物がどれだけ燃焼するかということです。アセチレンと酸化剤の比率の違いにより、他の種類炎。通常の構造、浸炭 (アセチレン) 構造、酸化構造のいずれかになります。

理論的には、純酸素中でのアセチレンの不完全燃焼プロセスは次の方程式によって特徴付けることができます: HCCH + O 2 → H 2 + CO + CO (反応には 1 モルの O 2 が必要です)。

結果として生じる分子状水素および一酸化炭素は、空気中の酸素と反応します。最終生成物は水と四価の酸化炭素です。方程式は次のようになります: CO + CO + H 2 + 1/2O 2 → CO 2 + CO 2 +H 2 O。この反応には 1.5 モルの酸素が必要です。 O 2 を合計すると、HCCH 1 モルあたり 2.5 モルが消費されることがわかります。実際には、理想的に純粋な酸素を見つけるのは難しいため (不純物がわずかに混入していることがよくあります)、O 2 と HCCH の比は 1.10 ～ 1.20 になります。

酸素とアセチレンの比が 1.10 未満の場合、浸炭火炎が発生します。その構造は核が拡大し、輪郭がぼやけています。このような火災では、酸素分子の不足によりすすが発生します。

ガス比が 1.20 を超えると、酸素が過剰な酸化炎が得られます。その過剰な分子は鉄原子やスチールバーナーの他のコンポーネントを破壊します。このような炎では、核の部分が短くなり、点が生じます。

温度インジケーター

キャンドルやバーナーの各火災ゾーンには、酸素分子の供給によって決定される独自の値があります。直火の温度はさまざまな部分で 300 °C ～ 1600 °C の範囲にあります。

例としては、3 つのシェルによって形成される拡散炎と層流炎があります。その円錐形は、温度が最大 360 °C で、酸化物質が少ない暗い領域で構成されています。その上にはグローゾーンがあります。その温度は 550 ～ 850 °C の範囲にあり、可燃性混合物の熱分解と燃焼を促進します。

外側の部分はほとんど目立ちません。その中で、火炎の温度は1560℃に達しますが、これは燃料分子の自然な特性と酸化性物質の侵入速度によるものです。ここが燃焼が最も活発になる場所です。

物質はさまざまな温度条件下で発火します。したがって、マグネシウム金属は 2210 °C でのみ燃焼します。多くの固体の場合、炎の温度は約 350°C です。マッチと灯油は 800 °C で発火しますが、木材は 850 °C ～ 950 °C で発火します。

紙巻きタバコは、温度が690℃から790℃、プロパンとブタンの混合物中では790℃から1960℃まで変化する炎で燃焼します。ガソリンは1350℃で発火します。アルコールの燃焼炎の温度は900℃以下です。

この簡単な実験を実行すると、酸素がなければ炎が消えることが納得できるでしょう。キャンドルを取り、皿の上に置きます。大人にキャンドルに火をつけてもらい、ガラス瓶で蓋をしてもらいます。しばらくすると、瓶の中の酸素がなくなって炎が消えたことがわかります。

炎は、固体、液体、さらには気体など、さまざまな状態の物質の燃焼中に形成されます。炎は、可燃性物質、酸素、熱の存在下でのみ発生します。マッチの例を使用してプロセスを考えてみましょう。硫黄とマッチ自体は可燃性の物質であり、箱との摩擦により発生します。摩擦によって生じるエネルギーが熱となり、酸素と反応するとマッチが燃え始めます。燃えているマッチに息を吹きかけると温度が下がり、燃焼が止まります。

温度はどのように測定されますか?

温度の測定にはさまざまなスケールが使用されます。各スケールには、摂氏、華氏、ケルビン、ランキンという作成者の名前が付いています。ほとんどの国では摂氏 (°C) スケールが使用されます。
温度の例をいくつか示します。
250 °C - 木材の発火温度。
100 °C は水の沸点です。
37 °C - 人間の体温。
O °C - 水の凝固点。
- 39 °C - 水銀の凝固温度。
- 273 °C - 絶対零度、原子の動きが止まる温度。

燃焼生成物

煙、灰、すすは燃焼生成物です。物質が燃えると消滅するのではなく、別の物質に変化して熱を持ちます。

炎の形

炎が細長いのは、冷たい空気よりも軽い熱風が上に向かって吹き上がるためです。

燃料や燃料とは何ですか？

酸素の存在下で燃焼し、多量の熱を放出する物質は可燃性と呼ばれ、生産に使用されます。他の種類エネルギー。木材と石炭は固形燃料です。ガソリン、ディーゼル燃料、灯油は石油から得られる液体燃料です。天然ガスメタン、エタン、プロパン、ブタンからなる気体燃料です。

導入

トピックの関連性。火がなければ地球上の生命は不可能です。私たちはストーブ、たき火、ストーブなど、毎日火を目にします。家庭や学校、工場や工場、宇宙船のエンジンなど、どこにでもあります。永遠の炎は栄光の広場で燃え、教会では常にろうそくが燃えています...

夏の間中、山火事の様子がテレビで放映されていました。私たちに空気を供給してくれていた多数の木々が燃えて取り返しのつかないほどになりました。になる可能性があります面白い本そして私たちの学校のノート。動物が死んだ。村全体が焼き払われ、人々は家を失いました。

この火は面白くて神秘的です！

文学作品（S.ミハルコフの「草原おじさん」、K.チュコフスキーの「混乱」、S.マーシャクの「猫の家」など）を含む、火災と安全対策に関する子供向けの本がかなり多く書かれています。しかし、火の性質とその利点の両方を詳細に説明するそのような情報源はまれです。私たちの仕事は、そのようなギャップを埋める試みです。

研究の目的：人間にとって火の意味を学ぶ。

タスク。この研究では、火の性質を研究し、「火とは何ですか?」という質問に答えます。また、人々がこれらのプロパティをどのように使用するかについても理解しています。火はなぜ、どのようにして人を助け、害を与えるのでしょうか? (付録 1)。

辞書、百科事典、大人向けの書籍、インターネットからの情報などの参考文献を使用しました。

1. 火とは何ですか? 火の基本的な性質

子供向け百科事典には、火災と燃焼について次のように定義されています。「これは、物質の 1 つが非常に発熱し、空気中の酸素と結合する化学反応です。」ロシア語の解説辞典には、「火は高温の発光ガスを燃やすことである」と書かれています。この情報を読んだ後、この作品の作者はまだ火が何であるかを理解していなかったので、学生が理解できるように火に定義を与えることにしました小学校。これを行うには、その主なプロパティを特定する必要があります。

実験（実験）や観察を用いて、火の基本的な性質を学びます。いくつか実験してみましょう。

注記。すべての実験は大人の立会いの下で、大人の助けを得て行われ、安全規則が守られました。燃えない表面（ガラス板）が使用され、水差しが準備されました。

実験の説明:

実験その１。夜になると部屋の電気が消えました。暗くなり、何も見えなくなりました。ろうそくに火を灯すと、物や人の輪郭が見えてきました。

結論：１つの性質：火は光を発する！ (参照: 付録、スライド 4)

小さなキャンドルの炎でも部屋を照らすことができます。だからこそ、母親は停電に備えて常にキャンドルを在庫しています。

実験その 2。非常に慎重にろうそくの炎に手を近づけてみてください。 20 cmの距離では、それ以下では非常に暖かくなります-灼熱感のため、手を下げることは不可能です。

結論: 性質 2: 火は多くの熱を発生します。 (付録、スライド 5 を参照)。

実験 No. 3. 燃えているキャンドルをガラス瓶で覆います。数秒後に炎が消えます。ガスバーナーでも同じことが起こります。信頼性を高めるために、実験を 3 回繰り返しました。結果は常に同じです - 炎は燃えなくなります。

結論: 3 番目の性質: 火が燃えるためには、空気、あるいはそれに含まれる酸素が必要です。 (付録、スライド 6 を参照)。

したがって、私たちは火の主な性質を発見し、「火とは何ですか?」という質問にはすでに答えることができます。

火は酸素が消費され、光と熱が放出されるプロセスです。

火の性質について勉強を続けてみましょう。

1) ろうそくの炎を観察します。上を向いた穏やかな炎の形は円錐形に見えます。ろうそくの火にゆっくりと息を吹きかけると、形が変化し、空気の流れから外れます。少し開いた窓にろうそくの火を当てると、同じことが起こります。

結論：空気の流れを利用して炎の形状を変えることができる。このプロパティは火をつけるときに使用されます。 (参照: 付録、スライド 9、10、11)。

2) 炎の色を考慮します。色はどこでも同じではなく、炎には層があります。一番下の層は青みがかった色で、次に明るい黄色の層、その後に一番上の赤みがかったオレンジ色です。 (参照: 付録、スライド 13)。

しかし、色だけがすべてではありません。

私たちは、キッチンのガスが常に青く燃え、木材が常に黄オレンジ色に燃えていることに気づきました。電気コードの細い銅線が燃える様子を観察すると、炎の色が変わっていることが分かりました。緑色。 (参照: 付録、スライド 14、17、18、19)。

結論: 1. 異なる物質や材料は異なる炎の色で燃えます。こうやってこんなに綺麗な花火が撮れるんですね！ 2. これは、(方法の 1 つとして) 火をつけるだけで、炎の色によって未知の物質を判断できることを意味します。

実験 No. 5. 火炎温度。同じ細い銅線を考えてみましょう。このようなワイヤーの先端を炎の向こう側に保持し、炎の中のさまざまな場所とさまざまな高さに配置し、ワイヤーに対する炎の影響を観察します。観察により次のことが明らかになりました。

炎の下部では、ワイヤーは光らず、燃えず、黒いコーティングで覆われているだけです。
真ん中の部分ではワイヤーが赤く光り、赤く光り始めます。
炎の最上部でワイヤーが点灯し、炎が緑がかった色合いになります。

これは、炎の異なる層の温度が異なることを意味します。これは、炎に手を近づけた経験によって確認されます。炎の底に指を近づけても、熱を感じるのは上から20cmまでであることを覚えておいてください。

結論: 炎には色だけでなく温度も異なるいくつかの層があります。炎は下部が最も冷たくなり、上部が最も熱くなります。 (付録、スライド 20 を参照)。

2. 火の意味：利益と害

実施された実験、私たち自身の観察、そして読んだ資料の結果、私たちは人々が生活の中で常に火を使用しており、それが非常に大きな利益をもたらしていると確信しました。

日常生活: 暖房、調理、給湯、照明 - 電気が使えない場合。火は快適さにも役立ちます。たとえば、暖炉や香りのキャンドルなどです。
結局のところ、有益な機能多くのプラントや工場では火が使用されています。火は金属を溶かし、その後何らかの形を与えます。金属は、金属を切断したり、逆に溶接したりするためにも使用されます。したがって、たとえば、次のような目的で使用されます。いろいろな機械そしてメカニズム。

火は次の目的にも使用されます。

ガラスや陶器などを作っています。
プラスチック、塗料の製造。
薬を作ること。
廃棄物のリサイクル。

そして、これは火災に関する「善行」のリストのすべてではありません。

結論：人々は本当に火を必要としています。それは暖め、栄養を与え、そして照らします。現代人は常に火を使用しています。火のない生活を想像することは不可能です。

しかし、火はとても危険です！常に制御する必要があります。彼は多くの害を及ぼすことができます。私たちは火災について話しています。火とは、人の意志なしに燃え上がり、すべてを破壊することです。

火災は州と国民に大きな被害をもたらします。火は非常に恐ろしく残酷な現象であり、すべての生き物にとって敵対的です。 (付録、スライド 26 を参照)。

火が有害なのは、人が火事で亡くなり重度の火傷を負い、家を失い、森が火事で消えて住民全員が死ぬためです。動物、鳥、火は人が労働で作り出したすべてのものを破壊する可能性があります。

いくつかの統計。世界で毎年約 500 万件の火災が発生していると想像してみてください。 1時間ごとに1人が火災で亡くなり、2人が負傷または火傷を負います。殺される人の3人に1人は子供です。

それらはどのようにして生じるのでしょうか？火の取り扱いの不注意、安全対策に対する不誠実な態度が原因。

火事や火事がもたらすトラブルについては、多くの本が書かれています。子供のものも含めて。なぜ子供向けに火災について書かれた本がこれほどたくさんあるのでしょうか? 子どもたちのせいで火災が頻繁に起きているからだと思います。

皆さんに次のことを思い出していただきたいと思います。

火遊びは絶対にしないでください！

大人の立ち会いと監督のもとでのみ火をつけることができます。

火災が発生する場所、またはその他の方法で火が使用される場所では、消火剤を常備する必要があります。

火を放置してはいけません。

火が不要になった場合は、十分に消火する必要があります。

結論

したがって、私たちが行った研究の結果、私たちは子供たちにも理解できる火の定義を与えました。「火は、酸素が吸収され、光と熱が放出されるプロセスです。」

彼らはまた、炎は特定の形をしており、色だけでなく温度も異なるいくつかの層を持っていることを発見しました。この場合、空気の流れを利用して炎の形状を変化させることができる。これらの特性を知ることで、火をより効果的に使用できるようになります。

物質や材料が異なれば、異なる炎の色で燃えます。これは、（方法の 1 つとして）それに火をつけるだけで、炎の色によって物質を判断できることを意味します。

一般に、人々は本当に火を必要としています。火は暖め、栄養を与え、照らします。現代人は常に火を使用しています。火のない生活を想像することは不可能です。

しかし、火はとても危険です！常に監視する必要があり、放置しないでください。彼は多くの害を及ぼすことができます。火は非常に恐ろしく残酷な現象であり、すべての生き物にとって敵対的です。

もちろん、私たちは火災のような驚くべき現象についてすべてを調査したわけではありません。したがって、将来的には、人々はどのようにして火をつけることを学んだのか、最初の方法は何だったのか、という疑問を調査することが可能です。燃えない物質は何ですか?またその理由は何ですか? ファイアトリックのやり方は？「火と武器」というテーマも興味深いです。

この研究の結果は、私たちの周りの世界（私たちの周りの世界）についての授業で補助教材として使用できます。幼稚園そして小学校。火に興味のある子供たちにとって、このような素材は視覚的で非常にシンプルであるため、役立ちます。

情報源と文献のリスト

ジョン・ファーンドン、イアン・ジェームス、ジニー・ジョンソン、アンジェラ・ロイストンなど百科事典「質問と回答」。英語からの翻訳: E. Kulikova、D. Belenkaya 他、2008 年、255 ページ。
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オジェゴフ S.I. ロシア語辞書: M.: Rus. 言語、1984、797 p。
サフロノフ M.A.、ヴァクロフ A.D. 森で火事。ノボシビルスク: 科学、1991 年、130 ページ。
インターネットリソース:

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ロシアの統計。 http://www.statp.ru

闇を呪う方法
せめて点灯させたほうがいいよ
小さなキャンドルが1つ。
孔子

初めに

燃焼メカニズムを理解しようとする最初の試みは、イギリス人のロバート・ボイル、フランス人のアントワーヌ・ローラン・ラヴォアジエ、ロシア人のミハイル・ワシリエヴィチ・ロモノーソフの名前に関連しています。かつて素朴に信じられていたように、燃焼中に物質はどこにも「消える」のではなく、ほとんどが気体であるため目に見えない他の物質に変化することが判明しました。ラヴォアジエは 1774 年に、燃焼中にその約 5 分の 1 が空気から失われることを初めて示しました。 19 世紀、科学者たちは物理的現象とその現象を詳細に研究しました。化学プロセス、燃焼を伴います。このような作業の必要性は、主に鉱山での火災や爆発によって引き起こされました。

しかし、燃焼に伴う主要な化学反応が特定されたのは 20 世紀の最後の四半世紀になってからであり、今日に至るまで炎の化学反応には多くの暗い点が残っています。彼らは最も研究されています現代の手法多くの研究室で。これらの研究にはいくつかの目標があります。一方で、火力発電所の炉内やエンジンシリンダー内の燃焼プロセスを最適化する必要があります。内燃機関、自動車のシリンダー内で空気とガソリンの混合物が圧縮されるときの爆発的な燃焼（デトネーション）を防ぎます。一方で、数を減らす必要がある有害物質燃焼プロセス中に形成され、同時に - さらに探してください有効な手段火を消すこと。

炎には2種類あります。燃料と酸化剤 (ほとんどの場合は酸素) を燃焼ゾーンに強制または自然に別々に供給し、火炎の中で混合することができます。あるいは、それらを事前に混合することもできます。そのような混合物は、火薬、花火用の火工品混合物、ロケット燃料など、空気がないと燃焼したり爆発したりする可能性があります。燃焼は、空気とともに燃焼ゾーンに入る酸素の関与と、酸化性物質に含まれる酸素の助けの両方で発生します。これらの物質の 1 つはベルトレ塩 (塩素酸カリウム KClO 3) です。この物質は容易に酸素を手放します。強力な酸化剤 - 硝酸 HNO 3: 純粋な形多くの有機物質に発火します。硝酸塩、硝酸の塩（肥料の形の硝酸カリウムや硝酸アンモニウムなど）は、可燃性物質と混合すると非常に引火性が高くなります。もう 1 つの強力な酸化剤である四酸化窒素 N 2 O 4 は、ロケット燃料の成分です。酸素は、多くの物質が燃焼する塩素やフッ素などの強力な酸化剤によって置き換えることもできます。純粋なフッ素は最も強力な酸化剤の 1 つであり、水はその流れの中で燃焼します。

連鎖反応

燃焼と火炎伝播の理論の基礎は、前世紀の 20 年代後半に築かれました。これらの研究の結果、分岐した連鎖反応。この発見により、ロシアの物理化学者ニコライ・ニコラエヴィチ・セミョーノフと英国の研究者シリル・ヒンシェルウッドが1956年にノーベル化学賞を受賞した。より単純な分岐のない連鎖反応は、1913 年にドイツの化学者マックスボーデンシュタインによって、水素と塩素の反応を例として発見されました。全体の反応が表現されます単純な方程式 H 2 + Cl 2 = 2HCl。実際、これには非常に活性な分子の断片、いわゆるフリーラジカルが含まれています。スペクトルの紫外線および青色領域の光の影響下、または次の場合高温塩素分子は原子に分解され、長い (時には最大 100 万個のリンク) 連鎖が始まります。これらの各変換は素反応と呼ばれます。

Cl + H 2 → HCl + H、
H + Cl 2 → HCl + Cl など

各段階（反応リンク）では、1 つの活性中心（水素原子または塩素原子）が消滅し、同時に新しい活性中心が出現して連鎖が続きます。 2 つの活性種が接触すると、鎖は切断されます (例: Cl + Cl → Cl 2)。各チェーンは非常に速く伝播するため、「初期」アクティブパーティクルを生成すると、高速、反応は非常に急速に進行し、爆発を引き起こす可能性があります。

N. N. セミノフとヒンシェルウッドは、リンと水素の蒸気の燃焼反応が異なる進行をすることを発見しました。ほんのわずかな火花や裸火が、室温でも爆発を引き起こす可能性があるのです。これらの反応は分岐連鎖反応です。反応中に活性粒子が「増殖」します。つまり、1 つの活性粒子が消えると、2 つまたは 3 つが現れます。たとえば、水素と酸素の混合物では、そうでない場合でも数百年間安全に保存できます。外部の影響、何らかの理由で活性水素原子が出現すると、次のプロセスが引き起こされます。

H + O 2 → OH + O、
O + H 2 → OH + H。

したがって、わずかな時間内に、1 つの活性粒子 (H 原子) が 3 つ (水素原子 1 つと 2 つの OH ヒドロキシルラジカル) に変化し、すでに 1 つの鎖ではなく 3 つの鎖を起動します。その結果、鎖の数が雪崩のように増加し、この反応では多量の熱エネルギーが放出されるため、水素と酸素の混合物の爆発が瞬時に起こります。酸素原子は炎や他の物質の燃焼中に存在します。ストリームを指示すると検出できます圧縮空気バーナーの炎の上部全体に。同時に、オゾンの特徴的な匂いが空気中に検出されます。これらは、酸素分子に「くっついて」オゾン分子を形成する酸素原子です: O + O 2 = O 3 であり、冷気によって炎から運び出されます。。

酸素（または空気）と多くの可燃性ガス（水素、一酸化炭素、メタン、アセチレン）との混合物の爆発の可能性は、条件、主に混合物の温度、組成、圧力によって決まります。したがって、キッチンで家庭用ガス（主にメタンで構成されています）が漏れた結果、空気中のガスの含有量が5％を超えると、混合物はマッチやライターの火で爆発し、さらには爆発する可能性があります。ライトを点灯したときにスイッチをすり抜ける小さな火花。鎖が分岐するよりも速く切れた場合、爆発は起こりません。英国の化学者ハンフリー・デイビーが炎の化学について何も知らずに 1816 年に開発した鉱山労働者用のランプが安全だったのはこのためです。このランプでは、裸火は厚い金属メッシュで外部雰囲気 (爆発の可能性がある) から遮断されていました。金属表面では、活性粒子が事実上消滅し、安定した分子に変わるため、外部環境に浸透できません。

分岐鎖反応の完全な機構は非常に複雑で、100 を超える基本反応が含まれる場合があります。分岐鎖反応には、無機物や有機物の多くの酸化および燃焼反応が含まれます。有機化合物。化学反応において活性粒子の類似物として作用する中性子の影響下での重元素、例えばプルトニウムやウランの核分裂反応も同様です。中性子は重元素の核に侵入し、非常に高いエネルギーの放出を伴う核分裂を引き起こします。同時に原子核からは新たな中性子が放出され、隣接する原子核の分裂を引き起こします。化学プロセスと核分岐鎖プロセスは、同様の数学モデルによって記述されます。

始めるには何が必要ですか?

燃焼が始まるには、いくつかの条件が満たされる必要があります。まず、可燃性物質の温度は一定以上でなければなりません。限界値、これは発火温度と呼ばれます。レイ・ブラッドベリの有名な小説「華氏 451 度」は、ほぼこの温度 (233°C) で紙が発火することからその名が付けられました。これは、固体燃料が安定した燃焼に十分な量の可燃性蒸気またはガス状分解生成物を放出する「発火温度」です。乾燥した松材の発火温度はほぼ同じです。

火炎の温度は可燃物の性質と燃焼条件によって異なります。したがって、空気中でのメタン炎の温度は1900℃に達し、酸素中で燃焼する場合は2700℃に達します。水素（2800℃）とアセチレン（3000℃）を純酸素中で燃焼させると、さらに高温の炎が生成されます。アセチレントーチの炎が、ほとんどすべての金属を簡単に切断するのも不思議ではありません。最高温度は約 5000℃ (ギネスブックに記録されています) で、低沸点液体である亜窒化炭素 C 4 N 2 (この物質はジシアノアセチレン NC-C の構造を持っています) を酸素中で燃焼させると得られます。 =C-CN)。そして、一部の情報によると、オゾン雰囲気中で燃焼すると、温度は最大5700℃に達する可能性があります。この液体に空気中で火をつけると、緑と紫の境界線を持つ赤い煙のような炎を上げて燃えます。一方で、冷たい炎も知られています。たとえば、次のような場合に燃えます。低気圧リンの蒸気。特定の条件下で二硫化炭素と軽質炭化水素を酸化する際にも、比較的冷たい炎が得られます。たとえば、プロパンは減圧下で 260 ～ 320°C の温度で冷たい炎を生成します。

多くの可燃性物質の炎の中で起こるプロセスのメカニズムが明らかになり始めたのは、20 世紀の最後の四半期に入ってからです。このメカニズムは非常に複雑です。元の分子は通常、酸素と直接反応して反応生成物を生成するには大きすぎます。たとえば、ガソリンの成分の一つであるオクタンの燃焼は、2C 8 H 18 + 25 O 2 = 16 CO 2 + 18 H 2 O という式で表されます。ただし、ガソリン中の 8 個の炭素原子と 18 個の水素原子はすべて燃焼しません。オクタン分子は同時に 50 個の酸素原子と結合することはできません。これが起こるためには、多くの化学結合が切断され、多くの新しい化学結合が形成されなければなりません。燃焼反応は多くの段階で発生します。そのため、各段階では少数の化学結合のみが切断および形成され、そのプロセスは連続的に発生する多数の素反応で構成され、その全体が観察者には炎として見えます。主に火炎中の反応性中間粒子の濃度が非常に低いため、素反応を研究することは困難です。

炎の中

レーザーを使用して炎のさまざまな領域を光学的に調べることにより、そこに存在する活性粒子、つまり可燃性物質の分子の断片の定性的および定量的な組成を確立することが可能になりました。酸素中での水素の燃焼2H 2 + O 2 = 2H 2 Oという一見単純な反応でも、O 2、H 2、O 3、H 2 O 2 分子の関与により20以上の素反応が起こることが判明しました。、H 2 O、活性粒子 N、O、OH、BUT 2。たとえば、イギリスの化学者ケネス・ベイリーが 1937 年にこの反応について書いたものは次のとおりです。「水素と酸素の反応式は、化学のほとんどの初心者が最初に慣れる式です。この反応は彼らにとって非常に単純なものに見えます。しかし、プロの化学者でさえ、1934 年にヒンシェルウッドとウィリアムソンによって出版された「酸素と水素の反応」というタイトルの 100 ページの本を見て多少驚いています。」これに、1948 年に、A. B. ナルバンディアンと V. V. ヴォエヴォツキーによる、「水素の酸化と燃焼のメカニズム」というタイトルの、はるかに大きな単行本が出版されたことを付け加えます。

現代の研究方法により、このようなプロセスの個々の段階を研究し、さまざまな温度でさまざまな活性粒子が相互に反応したり、安定した分子と反応したりする速度を測定することが可能になりました。プロセスの個々の段階のメカニズムを知ることで、プロセス全体を「組み立てる」、つまり炎をシミュレートすることができます。このようなモデリングの複雑さは、初等の複雑な全体を研究することだけにあるわけではありません。化学反応しかし、粒子の拡散、熱伝達、炎内の対流のプロセスも考慮する必要があります（燃える火の舌のような魅力的な遊びを生み出すのは後者です）。

すべてはどこから来るのでしょうか？

現代産業の主な燃料は、最も単純なメタンから燃料油に含まれる重質炭化水素までの炭化水素です。最も単純な炭化水素であるメタンの炎でさえ、最大 100 の素反応が関与する可能性があります。ただし、それらすべてが十分に詳細に研究されているわけではありません。パラフィンに含まれるような重質炭化水素が燃焼するとき、その分子はそのままでは燃焼ゾーンに到達することができません。炎に近づいても、高温のため、粉々に割れてしまいます。この場合、通常、C 8 H 18 → C 2 H 5 + C 6 H 13 のように、2 つの炭素原子を含む基が分子から切り離されます。奇数の炭素原子を持つ活性種は水素原子を引き抜き、C=C 二重結合および C≡C 三重結合を持つ化合物を形成する可能性があります。このような化合物は火炎の外では起こらないため、火炎内では化学者には知られていなかった反応、例えば C 2 H 2 + O → CH 2 + CO、CH 2 + O 2 → を起こすことができることが発見されました。 CO2+H+N。

最初の分子によって水素が徐々に失われると、粒子 C 2 H 2、C 2 H、C 2 が形成されるまで、分子中の炭素の割合が増加します。青青色の炎ゾーンは、このゾーンで励起された C 2 および CH 粒子の輝きによるものです。燃焼ゾーンへの酸素のアクセスが制限されている場合、これらの粒子は酸化せず、凝集体に収集されます。スキーム C 2 H + C 2 H 2 → C 4 H 2 + H、C 2 H に従って重合します。 + C 4 H 2 → C 6 H 2 + Nなど

その結果、ほぼ炭素原子のみからなるすす粒子が生成されます。それらは直径0.1マイクロメートルまでの小さなボールのような形をしており、約100万個の炭素原子が含まれています。このような粒子は高温で明るい炎を生成します。黄色。キャンドルの炎の上部では、これらの粒子が燃えるため、キャンドルから煙は出ません。これらのエアロゾル粒子がさらに付着すると、より大きなすす粒子が形成されます。その結果、炎（ゴムの燃焼など）により黒煙が発生します。このような煙は、元の燃料中の水素に対する炭素の割合が増加すると発生します。一例としては、C 10 H 16 (C n H 2n-4) の組成を持つ炭化水素の混合物であるテレビン油、ベンゼン C 6 H 6 (C n H 2n-6)、および水素が欠如したその他の可燃性液体が挙げられます。燃やすと煙が出ます。煙のような明るく輝く炎は、アセチレン C 2 H 2 (C n H 2n-2) が空気中で燃焼することによって生成されます。かつて、このような炎は、自転車や車に取り付けられたアセチレンランタンやマイナーズランプに使用されていました。逆も同様です: 水素含有量の高い炭化水素 - メタン CH 4、エタン C 2 H 6、プロパン C 3 H 8、ブタン C 4 H 10 (一般式 C n H 2n + 2) - は、十分な空気アクセスがあれば燃焼します。ほぼ無色の炎。低圧下で液体の形になったプロパンとブタンの混合物は、ライターのほか、夏の住民や観光客が使用するシリンダーにも含まれています。同じシリンダーがガソリン車にも取り付けられています。さらに最近では、すすには 60 個の炭素原子からなる球形の分子が含まれていることが多いことが発見されました。それらはフラーレンと呼ばれ、この新しい形態の炭素の発見は、1996 年のノーベル化学賞の受賞によって特徴づけられました。

これは、酸化剤（通常は酸素）が燃料（通常は炭素）を酸化し、二酸化炭素、水、熱、光などの燃焼生成物を生成する発熱反応です。典型的な例はメタン燃焼です。

CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2H 2 O

燃焼によって発生する熱は燃焼そのものに動力を供給するために使用でき、これが十分であり、燃焼を維持するために追加のエネルギーが必要ない場合、火災が発生します。火災を止めるには、燃料を取り除く（ストーブのバーナーを消す）、酸化剤を取り除く（火を特殊な材料で覆う）、熱を取り除く（火に水を掛ける）、または反応そのものを取り除くことができます。

燃焼は、ある意味、光合成の逆であり、光、水、二酸化炭素が入って炭素を生成する吸熱反応です。

木材を燃やすとセルロースに含まれる炭素が消費されると考えたくなります。ただし、さらに複雑なことが起こっているようです。木材が熱にさらされると、（酸素を必要としない燃焼とは対照的に）熱分解が起こり、ガスなどのより可燃性の物質に変換され、火災で発火するのはこれらの物質です。

木が長く燃え続けると炎は消えますが、くすぶりは続き、特に木は輝き続けます。くすぶりは不完全燃焼であり、完全燃焼とは対照的に、一酸化炭素が生成されます。

日常の物体は絶えず熱を放出しており、その多くは赤外線範囲にあります。可視光線よりも波長が長いため、特別なカメラがないと見ることができません。火は可視光線を生成するのに十分な明るさですが、赤外線放射も生成します。

火の中で色が見えるもう 1 つのメカニズムは、燃えている物体の発光スペクトルです。黒体放射とは異なり、放射スペクトルには離散周波数があります。これは、電子が特定の周波数で光子を生成し、高エネルギー状態から低エネルギー状態に移行するために発生します。これらの周波数を使用して、サンプル中に存在する元素を特定できます。同様の考え方 (吸収スペクトルを使用) が星の組成を決定するために使用されます。発光スペクトルは、花火や色付きの光の色にも影響します。

地球上の炎の形は重力に依存します。火が周囲の空気を加熱すると、対流が発生します。特に熱い灰を含む熱い空気が上昇し、冷たい空気 (酸素を含む) が沈み、火を支え、炎にその形を与えます。宇宙ステーションなどの低重力では、これは起こりません。火は酸素の拡散によって燃料が供給されるため、よりゆっくりと球の形で燃えます（燃焼は火が酸素を含む空気と接触した場所でのみ発生するため、球の内部には酸素が残りません）。

黒体放射

黒体放射は、量子力学に関連するプランクの公式によって記述されます。歴史的に、それは量子力学の最初の応用の 1 つでした。これは量子統計力学から次のように導出されます。

温度 T における光子ガスの周波数分布を計算します。それが同じ温度の絶対的な黒体によって放出される光子の周波数分布と一致するという事実は、キルヒホッフの放射法則から導き出されます。その考えは、黒体を光子ガスと温度平衡にすることができるということです（それらは同じ温度であるため）。フォトニックガスは黒体に吸収され、黒体も光子を放出します。そのため、平衡を保つためには、黒体が放射線を放出する周波数ごとに、同じ速度でそれを吸収する必要があります。これは、次の周波数分布によって決まります。ガス。

統計力学では、温度 T で熱平衡にある場合、系が微小状態 s にある確率は比例します。

ここで、E s は状態 s のエネルギー、β = 1 / k B T、または熱力学ベータ (T は温度、k B はボルツマン定数) です。これがボルツマン分布です。これについての 1 つの説明は、Terence Tao のブログ投稿に記載されています。つまり確率は等しいということです

P s = (1/Z(β)) * e - β E s

ここで、Z(β) は正規化定数です

Z(β) = ∑ s e - β E s

光子ガスの状態を説明するには、光子の量子的挙動について知る必要があります。標準的な電磁場の量子化では、場は、それぞれが異なる角周波数 ω で振動する一連の量子調和振動として見ることができます。調和振動子の固有状態のエネルギーは、非負の整数 n ∈ ℤ ≥ 0 で表され、周波数 ω の光子の数として解釈できます。固有状態エネルギー (定数まで):

次に、量子正規化定数は次のように予測します。低周波(温度との関係で) 古典的な答えはほぼ正しいですが、高温では平均エネルギーが指数関数的に低下し、低温ではさらに低下します。これは次の理由で発生します。高周波そして低温量子調和振動子はほとんどの時間を基底状態で過ごし、基底状態にはそう簡単には遷移しません。次のレベル、その可能性は指数関数的に低くなります。物理学者は、この自由度（特定の周波数で振動する発振器の自由度）のほとんどが「凍結」していると言います。

状態密度とプランクの公式

ここで、特定の周波数 ω で何が起こるかを知っているので、考えられるすべての周波数を合計する必要があります。計算のこの部分は古典的なものであり、量子補正を行う必要はありません。

光子ガスは、周期的な境界条件を備えた一辺の長さ L の体積内に閉じ込められるという標準的な単純化を使用します (つまり、実際には平らなトーラス T = ℝ 3 / L ℤ 3 になります)。考えられる周波数は、指定された境界条件を持つボリューム内の定在波の電磁波方程式の解に従って分類され、その結果、最大係数までラプラシアン Δ の固有値に対応します。より正確には、Δ υ = λ υ の場合、υ(x) が滑らかな関数 T → ℝ である場合、定在波の電磁波方程式の対応する解は次のようになります。

υ(t, x) = e c √λ t υ(x)

したがって、λ が通常負であり、したがって √λ が通常虚数であるとすると、対応する周波数は次のようになります。

ω = c √(-λ)

この周波数は、薄暗い V λ 回発生します。ここで、V λ はラプラシアンの λ 固有値です。

この場合、ラプラシアンのすべての固有関数を書き留めるのは非常に簡単であるため、周期的な境界条件を持つボリュームを使用して条件を単純化します。簡単にするために複素数を使用すると、次のように定義されます。

υ k (x) = e i k x

ここで、k = (k 1, k 2, k 3) ∈ 2 π / L * ℤ 3、波数ベクトル。ラプラシアンの対応する固有値は次のようになります。

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

対応する周波数は、

そして、対応するエネルギー (この周波数の 1 つの光子)

E k = ℏ ω k = ℏ c |k|

ここで、厳密に言えば離散である可能な周波数 ω k にわたる確率分布を連続確率分布で近似し、対応する状態密度 g(ω) を計算します。その考え方は、g(ω) dω が ω から ω + dω までの範囲の周波数を持つ利用可能な状態の数に対応する必要があるということです。次に、状態密度を積分して、最終的な正規化定数を取得します。

なぜこの近似が妥当なのでしょうか? 完全な正規化定数は次のように説明できます。各波数 k ∈ 2 π / L * ℤ 3 に対して、その波数の光子の数を表す数 n k ∈ ℤ ≥0 があります。光子の総数 n = ∑ n k は有限です。各光子はエネルギーに ℏ ω k = ℏ c |k| を加えます。

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

したがって、すべての波数 k について、その対数は和として表されます。

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

そして、この合計を積分で近似したいと考えます。適切な温度と大きな体積では、被積分関数は k に対して非常にゆっくりと変化するため、この近似は非常に近くなることがわかります。ボース・アインシュタイン凝縮が発生する超低温でのみ機能を停止します。

状態密度は次のように計算されます。波数ベクトルは、「位相空間」に存在する均一な格子点として表すことができます。つまり、少なくとも格子ピッチ 2π/L に比べて大きい領域では、位相空間の特定の領域内の波数ベクトルの数はその体積に比例します。。基本的に、位相空間領域内の波数ベクトルの数は V/8π 3 に等しくなります。ここで、V = L 3、つまり制限された体積です。

周波数 ω k = c |k| を持つすべての波数ベクトル k の位相空間領域の体積を計算することは残ります。 ω ～ ω + dω の範囲。これは厚さ dω/c、半径 ω/c の球殻なので、その体積は

2πω 2 /c 3 dω

したがって、光子の状態密度は

G(ω) dω = V ω 2 / 2 π 2 c 3 dω

実際、この式は 2 倍低くなります。光子の偏光 (または同等の光子のスピン) を考慮するのを忘れたため、特定の波数の状態の数が 2 倍になります。正しい密度:

G(ω) dω = V ω 2 / π 2 c 3 dω

状態密度が体積 V 内で線形であるという事実は、平らなトーラスだけでは機能しません。これはワイルの法則によるラプラシアンの固有値の特性です。これは、正規化定数の対数を意味します。

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

β に関する導関数は、光子ガスの平均エネルギーを与えます。

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

しかし、私たちにとって重要なのは、「エネルギー密度」を与える被積分関数です。

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

ω から ω + dω の範囲の周波数を持つ光子から発生する光子ガスエネルギーの量を表します。最終結果はプランクの公式の形式になりますが、それをフォトニックガスではなく黒体に適用する公式に変えるには少しいじる必要があります (単位体積あたりの密度を取得するには V で割る必要があり、いくつかの計算を行う必要があります)放射線量を測定するためのより多くのこと）。

プランクの公式には 2 つの制限があります。 βℏω → 0 の場合、分母は βℏω になる傾向があり、

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

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