Что представляет собой пламя? Из каких частиц оно состоит?

Пламя — газообразная среда, состав которой зависит от условий горения. В общем случае в пламени одновременно могут находиться в разных соотношениях:

• продукты реакций быстрого окисления — горения;
• непрореагировавшие газы из атмосферы, в которой происходит горение;
• продукты пиролиза горючего и окислителя, включая воду, свободные радикалы и не до конца разложившееся топливо.

Чтобы представить, из чего состоит каждое конкретное пламя, необходимо понимать, что именно и в каких условиях горит. А еще помнить, что пламя — это и есть фронт открытого горения (то есть, не тления), в котором и происходят все основные химические реакции. Для поддержания горения необходимы три компонента: тепло, горючее, окислитель, причем если температура недостаточна в текущих условиях, то огонь будет затухать. Молекулы или атомы горючего и окислителя должны получить достаточно энергии для вступления в реакцию. Это тепло исходит либо от внешнего источника, либо от самого пламени — тогда горение будет самоподдерживающимся.

Например, в наиболее простом случае — окислении водорода кислородом в вакууме, — пламя будет состоять из водяного пара. Ракетные двигатели работают при избытке водорода (богатая смесь), чтобы защитить детали камеры сгорания и сопла от окисления. Поэтому в пламени окажется еще довольно много несгоревшего водорода.

В быту мы редко сжигаем чистый водород в атмосфере чистого кислорода, поэтому и встречающееся нам пламя будет иметь совсем другой состав. Так, газовые плиты или котлы сжигают метан (CH4) в обычном воздухе (N2, O2 и Ar). Пламя их горелок будет состоять не только из продуктов окисления метана — углекислого газа (CO2) и водяного пара (H2O), — но также из инертных азота (N2) с аргоном (Ar), угарного газа (CO) и аморфного углерода (C). Последний вместе с окисленными или непрореагировавшими примесями в метане и воздухе образует микрочастицы сажи.

Такое усложнение состава объясняется неидеальными условиями горения. Достаточное для полного окисления метана количество кислорода поступает не в весь объем пламени. Именно для того, чтобы уменьшить этот неприятный эффект, горелки плиты и котла имеют множество маленьких прорезей — так горючее контактирует с большим количеством окислителя. Проще говоря, на ту же массу сгорающего метана увеличивается площадь фронта горения (пламени).

Если мы попробуем повысить эффективность сжигания метана и начнем подавать к нему больше воздуха или даже чистого кислорода, количество углерода и угарного газа в пламени резко упадет. Может быть, они совсем исчезнут. Зато добавятся оксиды азота (NOx), потому что такое пламя будет гораздо горячее и теплота станет достаточной для активации обычно инертных молекул азота.

Оба примера выше описывали ситуацию с горением газов. Совсем другая картина складывается, когда горят жидкости или твердые тела. Первые сначала испаряются и частично разлагаются под действием тепла (это называется пиролиз). Вторые, за некоторыми исключениями, и вовсе не могут загореться без предварительного разложения.

Знакомый буквально каждому процесс горения древесины — это целый каскад реакций. Сначала биополимеры, из которых она состоит (целлюлоза, лигнин), под действием температуры распадаются на моносахариды. Они испаряются, часть из них окисляется напрямую, часть подвергается дальнейшему пиролизу. Какое-то количество органических и неорганических соединений так и не получает достаточно энергии для активации. Они остаются в своем первоначальном виде или превращаются в свободные радикалы и соединяются с не до конца окисленным углеродом либо улетучиваются. Так получаются сажа и дым.

А еще в древесине всегда есть вода, на испарение которой уходит немало тепла, которое иначе ушло бы на пиролиз и активацию горючего. Этот процесс тоже способствует уменьшению объема прореагировавшего в пламени вещества. Именно поэтому мокрая древесина так сильно дымит — больше сажи и водяного пара в пламени.

Что интересно, из-за наличия большого количества ионов, пламя обладает электропроводностью. Благодаря этому свойству работают многие датчики пламени в газовых горелках. Но называть его низкотемпературной плазмой некорректно — во фронте горения очень мало свободных электронов. Плазмой некоторые регионы пламени становится только в исключительных случаях, когда температура горения превышает несколько тысяч градусов.

Горение в целом и пламя в частности — наиболее доступные для наблюдения в быту явления, наглядно демонстрирующие широкий спектр химических, электромагнитных и квантовых эффектов. Главное тут — соблюдать технику безопасности при проведении экспериментов. Рассказывать о них можно бесконечно. Мы даже еще не затронули свечение пламени и его температуру — от чего они зависят и как формируются. Но это тема для отдельного ответа на отдельный вопрос.