§ 22. Горение

Определения и обозначения

Горение — быстро протекающая реакция окисления, сопровождающаяся выделением тепла и обычно света. Это определение помогает отличить горение от других реакций окисления по скорости и заметным проявлениям.

Горючее вещество — вещество, способное вступать в реакцию горения. Оно служит «топливом» реакции: именно его частицы соединяются с окислителем и превращаются в новые вещества.

Окислитель — вещество, поддерживающее горение; в обычных условиях чаще всего им является кислород воздуха. Он принимает участие в окислении горючего вещества, поэтому без него пламя обычно не сохраняется.

Температура воспламенения — наименьшая температура, при которой вещество начинает гореть. Это не температура плавления или кипения, а граница, после которой реакция становится возможной и заметной.

Как это устроено

Горение относят к реакциям окисления, потому что горючее вещество соединяется с окислителем, чаще всего с кислородом. При этом образуются новые вещества, то есть происходит химическое превращение. Медленное окисление имеет ту же основу, но идёт постепенно и обычно не даёт пламени и яркого свечения, например при ржавлении железа.

Для возникновения горения нужны горючее вещество, окислитель и нагревание до температуры воспламенения. Если отсутствует хотя бы один элемент этой «тройки», реакция не начнётся или не сможет продолжаться. Например, сухое дерево в воздухе не загорится само по себе при обычной температуре.

После достижения температуры воспламенения начинается быстрая реакция, выделяющая тепло. Это тепло нагревает соседние участки горючего вещества до той же температуры, поэтому они тоже вступают в реакцию. Так горение распространяется и поддерживает себя, пока хватает топлива и окислителя.

Продукты горения образуются из элементов, входивших в состав горючего вещества, и кислорода. При полном сгорании углерода получается углекислый газ CO₂, а водорода — вода H₂O. Поэтому разные вещества дают разные оксиды: состав продуктов зависит от того, какие элементы были в исходном веществе.

Чтобы остановить горение, достаточно убрать любое из трёх условий. Охлаждение опускает температуру ниже температуры воспламенения, перекрытие доступа воздуха уменьшает количество кислорода, а удаление горючего лишает реакцию топлива. Именно на этих способах основано действие огнетушителей и правила пожарной безопасности.

Условия возникновения и прекращения горения

Таблица показывает, что возникновение и прекращение горения описываются одними и теми же тремя условиями. Решая задачу или объясняя опыт, сначала найдите горючее вещество, окислитель и источник нагревания. Затем определите, какое из условий было устранено.

Разбор задач

Задача 1. Горение свечи

Условие: определите горючее вещество, окислитель и источник нагревания для свечи.

1. Рассмотрим состав свечи: горит не стекло фитиля, а пары расплавленного воска.
2. Определим окислитель: к пламени поступает кислород из воздуха.
3. Найдём источник тепла: свечу поджигают спичкой или зажигалкой, а затем пламя само поддерживает нагревание воска.

Ответ: горючее вещество — пары воска, окислитель — кислород воздуха, источник нагревания — пламя спички или зажигалки.

Задача 2. Почему гаснет пламя?

Условие: объясните, почему свеча гаснет под перевёрнутым стаканом и при засыпании песком.

1. Под стаканом пламя расходует кислород, а новый воздух почти не поступает.
2. Когда кислорода становится мало, реакция горения прекращается.
3. Песок накрывает пламя и изолирует его от воздуха, поэтому устраняется доступ окислителя.

Ответ: в обоих случаях пламя гаснет из-за недостатка кислорода, но под стаканом он постепенно расходуется, а песок сразу перекрывает его доступ.

Задача 3. Горение метана

Условие: составьте уравнение горения метана и найдите объём кислорода для сжигания 3 л метана.

1. Записываем продукты полного сгорания углеводорода: CO₂ и H₂O.
2. Уравниваем атомы: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O.
3. По коэффициентам видим отношение объёмов CH₄ : O₂ = 1 : 2.
4. Вычисляем: V(O₂) = 3 л · 2 = 6 л.

Ответ: CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O; для сжигания 3 л метана нужен 6 л кислорода при одинаковых условиях.

Типичные ошибки

Только горючее вещество. Иногда считают, что любой горючий материал загорится сам. Для проверки назовите ещё окислитель и источник нагревания: без одного из них горение не начнётся.

Кислород называют горючим. Такая ошибка возникает из-за того, что кислород активно участвует в реакции. Проверьте роль вещества: кислород поддерживает горение, а топливо расходуется.

Температуру воспламенения путают с плавлением или кипением. Плавление и кипение описывают физические изменения, а воспламенение связано с началом химической реакции. Спросите себя, образуются ли новые вещества.

Любое окисление считают горением. Ржавление тоже является окислением, но протекает медленно и без пламени. Сравните скорость реакции и наличие заметного выделения тепла или света.

Связь с другими темами

До изучения горения нужны понятия химической реакции, кислорода, оксидов и реакции окисления. Они помогают понять, почему при горении появляются новые вещества и как читать уравнения реакций.

Тема пригодится при составлении уравнений горения и расчётах по ним. Коэффициенты в уравнении показывают соотношения количеств реагентов и продуктов, в том числе объёмов газов.

Дальше знания о горении связаны с окислительно-восстановительными реакциями, топливом, пожарной безопасностью и охраной окружающей среды. Это позволяет оценивать не только пользу топлива, но и опасность продуктов сгорания.

Что запомнить

• Горение — быстрое окисление с выделением тепла и обычно света.
• Для горения нужны горючее вещество, окислитель и нагревание до температуры воспламенения.
• Кислород воздуха чаще всего выступает окислителем.
• Продукты горения являются оксидами элементов, входящих в состав горючего вещества.
• Горение прекращается при удалении хотя бы одного необходимого условия.
• Медленное окисление и горение имеют общую химическую основу, но различаются скоростью и внешними проявлениями.