Температура свечи.

Чем проклинать тьму,
лучше зажечь хотя бы
одну маленькую свечу.
Конфуций

В начале

Первые попытки понять механизм горения связаны с именами англичанина Роберта Бойля, француза Антуана Лорана Лавуазье и русского Михаила Васильевича Ломоносова. Оказалось, что при горении вещество никуда не «исчезает», как наивно полагали когда-то, а превращается в другие вещества, в основном газообразные и потому невидимые. Лавуазье в 1774 году впервые показал, что при горении из воздуха уходит примерно пятая его часть. В течение XIX века ученые подробно исследовали физические и химические процессы, сопровождающие горение. Необходимость таких работ была вызвана прежде всего пожарами и взрывами в шахтах.

Но только в последней четверти ХХ века были выявлены основные химические реакции, сопровождающие горение, и по сей день в химии пламени осталось немало темных пятен. Их исследуют самыми современными методами во многих лабораториях. У этих исследований несколько целей. С одной стороны, надо оптимизировать процессы горения в топках ТЭЦ и в цилиндрах двигателей внутреннего сгорания, предотвратить взрывное горение (детонацию) при сжатии в цилиндре автомобиля воздушно-бензиновой смеси. С другой стороны, необходимо уменьшить количество вредных веществ, образующихся в процессе горения, и одновременно - искать более эффективные средства тушения огня.

Существуют два вида пламени. Топливо и окислитель (чаще всего кислород) могут принудительно или самопроизвольно подводиться к зоне горения порознь и смешиваться уже в пламени. А могут смешиваться заранее - такие смеси способны гореть или даже взрываться в отсутствие воздуха, как, например, пороха, пиротехнические смеси для фейерверков, ракетные топлива. Горение может происходить как с участием кислорода, поступающего в зону горения с воздухом, так и при помощи кислорода, заключенного в веществе-окислителе. Одно из таких веществ - бертолетова соль (хлорат калия KClO 3); это вещество легко отдает кислород. Сильный окислитель - азотная кислота HNO 3: в чистом виде она воспламеняет многие органические вещества. Нитраты, соли азотной кислоты (например, в виде удобрения - калийной или аммиачной селитры), легко воспламеняются, если смешаны с горючими веществами. Еще один мощный окислитель, тетраоксид азота N 2 O 4 - компонент ракетных топлив. Кислород могут заменить и такие сильные окислители, как, например, хлор, в котором горят многие вещества, или фтор. Чистый фтор - один из самых сильных окислителей, в его струе горит вода.

Цепные реакции

Основы теории горения и распространения пламени были заложены в конце 20-х годов прошлого столетия. В результате этих исследований были открыты разветвленные цепные реакции. За это открытие отечественный физикохимик Николай Николаевич Семенов и английский исследователь Сирил Хиншельвуд были в 1956 году удостоены Нобелевской премии по химии. Более простые неразветвленные цепные реакции открыл еще в 1913 году немецкий химик Макс Боденштейн на примере реакции водорода с хлором. Суммарно реакция выражается простым уравнением H 2 + Cl 2 = 2HCl. На самом деле она идет с участием очень активных осколков молекул - так называемых свободных радикалов. Под действием света в ультрафиолетовой и синей областях спектра или при высокой температуре молекулы хлора распадаются на атомы, которые и начинают длинную (иногда до миллиона звеньев) цепочку превращений; каждое из этих превращений называется элементарной реакцией:

Cl + H 2 → HCl + H,
H + Cl 2 → HCl + Cl и т. д.

На каждой стадии (звене реакции) происходит исчезновение одного активного центра (атома водорода или хлора) и одновременно появляется новый активный центр, продолжающий цепь. Цепи обрываются, когда встречаются две активные частицы, например Cl + Cl → Cl 2 . Каждая цепь распространяется очень быстро, поэтому, если генерировать «первоначальные» активные частицы с высокой скоростью, реакция пойдет так быстро, что может привести к взрыву.

Н. Н. Семенов и Хиншельвуд обнаружили, что реакции горения паров фосфора и водорода идут иначе: малейшая искра или открытое пламя могут вызвать взрыв даже при комнатной температуре. Эти реакции - разветвленно-цепные: активные частицы в ходе реакции «размножаются», то есть при исчезновении одной активной частицы появляются две или три. Например, в смеси водорода и кислорода, которая может спокойно храниться сотни лет, если нет внешних воздействий, появление по той или иной причине активных атомов водорода запускает такой процесс:

H + O 2 → OH + O,
O + H 2 → OH + H.

Таким образом, за ничтожный промежуток времени одна активная частица (атом H) превращается в три (атом водорода и два гидроксильных радикала OH), которые запускают уже три цепи вместо одной. В результате число цепей лавинообразно растет, что моментально приводит к взрыву смеси водорода и кислорода, поскольку в этой реакции выделяется много тепловой энергии. Атомы кислорода присутствуют в пламени и при горении других веществ. Их можно обнаружить, если направить струю сжатого воздуха поперек верхней части пламени горелки. При этом в воздухе обнаружится характерный запах озона - это атомы кислорода «прилипли» к молекулам кислорода с образованием молекул озона: О + О 2 = О 3 , которые и были вынесены из пламени холодным воздухом.

Возможность взрыва смеси кислорода (или воздуха) со многими горючими газами - водородом, угарным газом, метаном, ацетиленом - зависит от условий, в основном от температуры, состава и давления смеси. Так, если в результате утечки бытового газа на кухне (он состоит в основном из метана) его содержание в воздухе превысит 5%, то смесь взорвется от пламени спички или зажигалки и даже от маленькой искры, проскочившей в выключателе при зажигании света. Взрыва не будет, если цепи обрываются быстрее, чем успевают разветвляться. Именно поэтому была безопасной лампа для шахтеров, которую английский химик Хэмфри Дэви разработал в 1816 году, ничего не зная о химии пламени. В этой лампе открытый огонь был отгорожен от внешней атмосферы (которая могла оказаться взрывоопасной) частой металлической сеткой. На поверхности металла активные частицы эффективно исчезают, превращаясь в стабильные молекулы, и потому не могут проникнуть во внешнюю среду.

Полный механизм разветвленно-цепных реакций очень сложен и может включать более сотни элементарных реакций. К разветвленно-цепным относятся многие реакции окисления и горения неорганических и органических соединений. Таковой же будет и реакция деления ядер тяжелых элементов, например плутония или урана, под воздействием нейтронов, которые выступают аналогами активных частиц в химических реакциях. Проникая в ядро тяжелого элемента, нейтроны вызывают его деление, что сопровождается выделением очень большой энергии; одновременно из ядра вылетают новые нейтроны, которые вызывают деление соседних ядер. Химические и ядерные разветвленно-цепные процессы описываются сходными математическими моделями.

Что надо для начала

Чтобы началось горение, нужно выполнить ряд условий. Прежде всего, температура горючего вещества должна превышать некое предельное значение, которое называется температурой воспламенения. Знаменитый роман Рэя Брэдбери «451 градус по Фаренгейту» назван так потому, что примерно при этой температуре (233°C) загорается бумага. Это «температура воспламенения», выше которой твердое топливо выделяет горючие пары или газообразные продукты разложения в количестве, достаточном для их устойчивого горения. Примерно такая же температура воспламенения и у сухой сосновой древесины.

Температура пламени зависит от природы горючего вещества и от условий горения. Так, температура в пламени метана на воздухе достигает 1900°C, а при горении в кислороде - 2700°C. Еще более горячее пламя дают при сгорании в чистом кислороде водород (2800°C) и ацетилен (3000°C). Недаром пламя ацетиленовой горелки легко режет почти любой металл. Самую же высокую температуру, около 5000°C (она зафиксирована в Книге рекордов Гиннесса), дает при сгорании в кислороде легкокипящая жидкость - субнитрид углерода С 4 N 2 (это вещество имеет строение дицианоацетилена NC–C=C–CN). А по некоторым сведениям, при горении его в атмосфере озона температура может доходить до 5700°C. Если же эту жидкость поджечь на воздухе, она сгорит красным коптящим пламенем с зелено-фиолетовой каймой. С другой стороны, известны и холодные пламена. Так, например, горят при низких давлениях пары фосфора. Сравнительно холодное пламя получается и при окислении в определенных условиях сероуглерода и легких углеводородов; например, пропан дает холодное пламя при пониженном давлении и температуре от 260–320°C.

Только в последней четверти ХХ века стал проясняться механизм процессов, происходящих в пламени многих горючих веществ. Механизм этот очень сложен. Исходные молекулы обычно слишком велики, чтобы, реагируя с кислородом, непосредственно превратиться в продукты реакции. Так, например, горение октана, одного из компонентов бензина, выражается уравнением 2С 8 Н 18 + 25О 2 = 16СО 2 + 18Н 2 О. Однако все 8 атомов углерода и 18 атомов водорода в молекуле октана никак не могут одновременно соединиться с 50 атомами кислорода: для этого должно разорваться множество химических связей и образоваться множество новых. Реакция горения происходит многостадийно - так, чтобы на каждой стадии разрывалось и образовывалось лишь небольшое число химических связей, и процесс состоит из множества последовательно протекающих элементарных реакций, совокупность которых и представляется наблюдателю как пламя. Изучать элементарные реакции сложно прежде всего потому, что концентрации реакционно-способных промежуточных частиц в пламени крайне малы.

Внутри пламени

Оптическое зондирование разных участков пламени с помощью лазеров позволило установить качественный и количественный состав присутствующих там активных частиц - осколков молекул горючего вещества. Оказалось, что даже в простой с виду реакции горения водорода в кислороде 2Н 2 + О 2 = 2Н 2 О происходит более 20 элементарных реакций с участием молекул О 2 , Н 2 , О 3 , Н 2 О 2 , Н 2 О, активных частиц Н, О, ОН, НО 2 . Вот, например, что написал об этой реакции английский химик Кеннет Бэйли в 1937 году: «Уравнение реакции соединения водорода с кислородом - первое уравнение, с которым знакомится большинство начинающих изучать химию. Реакция эта кажется им очень простой. Но даже профессиональные химики бывают несколько поражены, увидев книгу в сотню страниц под названием «Реакция кислорода с водородом», опубликованную Хиншельвудом и Уильямсоном в 1934 году». К этому можно добавить, что в 1948 году была опубликована значительно большая по объему монография А. Б. Налбандяна и В. В. Воеводского под названием «Механизм окисления и горения водорода».

Современные методы исследования позволили изучить отдельные стадии подобных процессов, измерить скорость, с которой различные активные частицы реагируют друг с другом и со стабильными молекулами при разных температурах. Зная механизм отдельных стадий процесса, можно «собрать» и весь процесс, то есть смоделировать пламя. Сложность такого моделирования заключается не только в изучении всего комплекса элементарных химических реакций, но и в необходимости учитывать процессы диффузии частиц, теплопереноса и конвекционных потоков в пламени (именно последние устраивают завораживающую игру языков горящего костра).

Откуда все берется

Основное топливо современной промышленности - углеводороды, начиная от простейшего, метана, и кончая тяжелыми углеводородами, которые содержатся в мазуте. Пламя даже простейшего углеводорода - метана может включать до ста элементарных реакций. При этом далеко не все из них изучены достаточно подробно. Когда горят тяжелые углеводороды, например те, что содержатся в парафине, их молекулы не могут достичь зоны горения, оставаясь целыми. Еще на подходе к пламени они из-за высокой температуры расщепляются на осколки. При этом от молекул обычно отщепляются группы, содержащие два атома углерода, например С 8 Н 18 → С 2 Н 5 + С 6 Н 13 . Активные частицы с нечетным числом атомов углерода могут отщеплять атомы водорода, образуя соединения с двойными С=С и тройными С≡С связями. Было обнаружено, что в пламени такие соединения могут вступать в реакции, которые не были ранее известны химикам, поскольку вне пламени они не идут, например С 2 Н 2 + О → СН 2 + СО, СН 2 + О 2 → СО 2 + Н + Н.

Постепенная потеря водорода исходными молекулами приводит к увеличению в них доли углерода, пока не образуются частицы С 2 Н 2 , С 2 Н, С 2 . Зона сине-голубого пламени обусловлена свечением в этой зоне возбужденных частиц С 2 и СН. Если доступ кислорода в зону горения ограничен, то эти частицы не окисляются, а собираются в агрегаты - полимеризуются по схеме С 2 Н + С 2 Н 2 → С 4 Н 2 + Н, С 2 Н + С 4 Н 2 → С 6 Н 2 + Н и т. д.

В результате образуются частицы сажи, состоящие почти исключительно из атомов углерода. Они имеют форму крошечных шариков диаметром до 0,1 микрометра, которые содержат примерно миллион атомов углерода. Такие частицы при высокой температуре дают хорошо светящееся пламя желтого цвета. В верхней части пламени свечи эти частицы сгорают, поэтому свеча не дымит. Если же происходит дальнейшее слипание этих аэрозольных частиц, то образуются более крупные частицы сажи. В результате пламя (например, горящей резины) дает черный дым. Такой дым появляется, если в исходном топливе повышена доля углерода относительно водорода. Примером могут служить скипидар - смесь углеводородов состава С 10 Н 16 (C n H 2n–4), бензол С 6 Н 6 (C n H 2n–6), другие горючие жидкости с недостатком водорода - все они при горении коптят. Коптящее и ярко светящее пламя дает горящий на воздухе ацетилен С 2 Н 2 (C n H 2n–2); когда-то такое пламя использовали в ацетиленовых фонарях, установленных на велосипедах и автомобилях, в шахтерских лампах. И наоборот: углеводороды с высоким содержанием водорода - метан СН 4 , этан С 2 Н 6 , пропан С 3 Н 8 , бутан С 4 Н 10 (общая формула C n H 2n+2) - горят при достаточном доступе воздуха почти бесцветным пламенем. Смесь пропана и бутана в виде жидкости под небольшим давлением находится в зажигалках, а также в баллонах, которые используют дачники и туристы; такие же баллоны установлены в автомобилях, работающих на газе. Сравнительно недавно было обнаружено, что в копоти часто присутствуют шарообразные молекулы, состоящие из 60 атомов углерода; их назвали фуллеренами, а открытие этой новой формы углерода было ознаменовано присуждением в 1996 году Нобелевской премии по химии.

Свечи создают праздник. Они дают свет, тепло и уют. Однако для любознательных людей пламя свечи всегда являлось объектом исследования. Что происходит в пламени? Почему оно не однородно по цвету? Какая температура внутри? Если отвечать на вопросы кратко, только для справки, то о парафиновой свече известно следующее:

В пламени различают три основные зоны. Первая зона - почти бесцветная, с синим оттенком, самая близкая к фитилю. Это зона испарения парафина. Так как кислород сюда не проникает, то газы здесь не горят. Температура самая низкая - около 600 °С. Во второй, самой яркой зоне, происходит горение. Температура достигает 800-1000 °С. Свечение оранжевого и красного цвета вызвано раскаленными частицами углерода. Третья, внешняя зона - самая горячая. Здесь происходит полное сжигание углерода и температура достигает 1400 °С. Достаточно, чтобы обжечься!

Интересно то, что объединение свечей в связки реально позволяет понизить температуру пламени примерно на 200°C или 15%. Этот феномен можно объяснить наличием большого числа фитилей внутри пламени, которое обуславливает интенсивное испарение воска, который в свою очередь вытесняет газы из зоны горения, еще прежде, чем они успевают полностью прогореть. Однако даже таким понижением температуры нельзя объяснить тот факт, что связки свечей по 33 шт., зажженных от святого огня в православную пасху, не обжигают людей. Здесь может быть только психологическое объяснение, а не физическое.

Майкл Фарадей писал, что «Явления, наблюдающиеся при горении свечи, таковы, что нет ни одного закона природы, который при этом не был бы так или иначе затронут». Хочется отдельно отметить его великолепный исследовательский труд, опубликованный в 1861 г. «История свечи». На русском языке он был опубликован в серии «Библиотечка „Квант“», выпуск 2. В Интернете книга доступна по ссылке История свечи . На английском по ссылке M. Faraday, "The chemical history of a candle" Фарадей был удивительным ученым. Он изучал физические явления самозабвенно, с любовью. Он всегда находил самый простой и доступный способ изложения своих результатов. Вот строчки из вводной главы книги:

«Прежде чем я приступлю к изложению, разрешите мне предупредить вас: несмотря на глубину избранного нами предмета и несмотря на наше честное намерение разобраться в нем серьезно и на подлинно научном уровне, я хочу подчеркнуть, что не собираюсь адресоваться только к подготовленным ученым из числа здесь присутствующих. Я беру на себя смелость говорить с молодежью, и говорить так, как если бы я сам был юношей. Так я поступал и раньше, так, с вашего разрешения, буду поступать и теперь. И хотя я с полной ответственностью сознаю, что каждое произносимое мною слово адресуется в конечном счете всему миру, такая ответственность не отпугнет меня от того, чтобы и на этот раз говорить так же просто и доступно с теми, кого я считаю всего ближе к себе.»

Лекции Фарадея не были сухими и скучными. В них всегда присутствовала поэзия и личное отношение автора к предмету. В вышеупомянутом научном труде о свече он пишет:

«Сравните блеск золота и серебра и еще большую яркость драгоценных камней - рубина и алмаза, - но ни то, ни другое не сравнится с сиянием и красотой пламени. И действительно, какой алмаз может светить как пламя? Ведь вечером и ночью алмаз обязан своим сверканием именно тому пламени, которое его освещает. Пламя светит в темноте, а блеск, заключенный в алмазе, - ничто, пока его не осветит пламя, и тогда алмаз снова засверкает. Только свеча светит сама по себе и сама для себя или для тех, кто ее изготовил.»

Исследование горения свечи продолжается и в настоящее время. Несмотря на то, что экспериментировать с огнём на космических станциях очень опасно, в 1996 г. на МКС «Мир» были сожжены 80 свечей, и оказалось, что свеча, полностью сгорающая на Земле за 10 мин, может гореть на станции 45 мин. Однако пламя было очень слабым и голубоватым, его даже нельзя было заснять на видеокамеру и, чтобы доказать существование этого пламени, пришлось вносить в него кусочек воска и снимать, как он плавится. Процесс горения в условиях невесомости может поддерживаться только за счёт молекулярной диффузии или искусственной вентиляции. Без вентиляции тепловое излучение очага горения лишь охлаждает его и в конце концов может остановить процесс, не оставляя даже дыма. В обычных же условиях тепловое излучение служит положительной обратной связью, поддерживающей горение. Поэтому для прекращения пожара в невесомости достаточно выключить вентиляцию и немного подождать.

И в заключение заметки отметим, что сколько бы новых энергосберегающих лампочек не изобретали в наше время, свеча останется самой красивой, волшебной и притягательной для людей. Наверное, природное горение отражает все те же законы гармонии, по которым создан и живет человек.

Пламя, огонь: что это?

Пламя — это одна из форм огня, возникающего при горении, газообразная среда, состоящая из частиц ионов. Температура может быть различной, сам огонь с цветным пламенем, желтым или даже невидимым. Пламя, которое обычно наблюдает человек, это поток раскаленного газа, поднятого вверх за счет Архимедовой силы (газы всегда поднимаются). Парафин или воск постепенно прогревается от горения. Поэтому у основания фитиля пламя синего цвета за счет того, что там практически нет доступа кислорода. Соединение с кислородом, образует желтое горение. Зоны желтого пламени горячее, зона синего — холоднее.

Материал свечи и температура горения

Существует несколько видов свечей на основании материала, используемого при изготовлении. Это:

восковые;
парафиновые;
стеариновые.

Иногда те экземпляры, которые попадают в розничную сеть, содержат некоторую долю стеарина (около 25%). В чистом виде стеариновые свечи в свободной продаже практически не встречаются. Это объясняется мерами безопасности, так как температура стеариновой свечи при горении, вернее ее пламени, может достигать 1500 градусов. Но использование стеарина выгоднее, так как он меньше выделяет вредных веществ при горении, раскладывается в грунте, не коптит при горении.

У многих людей часто возникает вопрос: является ли пламя свечи физическим телом? Вопрос странный и ответ можно найти в любом энциклопедическом справочнике.Огонь, как и пламя, не имеет постоянной массы, объема, соответственно не может являться физическим телом. Пламя — это тепловая, химическая реакция между горючим веществом и кислородом. Огонь не имеет ни постоянного веса, ни объема.

Оригинальная новинка — свечи с разноцветным пламенем

Так же людей, которые несерьезно относились к урокам физики, в школе, интересует, почему свечи горят с разноцветным пламенем. Предприимчивые люди использовали это свойство для создания собственного бизнеса. Сегодня в розничной сети можно встретить наборы праздничных свечей, которые способны гореть разным цветом. Как правило, сама свечка окрашена в цвет предполагаемого огня.

Технологию не так давно применил китайский бизнесмен, который создал компанию и заполнил мировой рынок оригинальными свечами. Такие свечи не производят из воска или парафина. Это специальные солевые соединения. Внешний вид и строение ничем не отличается от привычных аналогов, но вот при зажигании, похоже, что совершается некое таинство. Ничего таинственного, просто надо заныть, что и с чем соединять. Например:

присутствие нитрата натрия (кухонная соль) дает желтый, оранжевый цвет;
нитрат стронция окрасит пламя в ярко красный цвет;
наличие солей меди и хлорида бария гарантирует зеленый цвет пламени;
стеарат меди — синий цвет;
соли хлорида калия окрасят огонь в красивый, насыщенный фиолетовый цвет.

Пламя свечи по Фарадею

Если внимательно присмотреться ксвечи, то можно увидеть, что она горит разными оттенками. Всего выделяют три зоны, среди которых самая горячая часть — верхняя часть пламени. Кончик и его температура может достигать 1300°С.

Температура в градусах возле самого фитиля обычно не превышает отметку в 350°С. Верхняя огненная часть, которая самая горячая, имеет самый светлый цвет пламени и обычно состоит из раскаленных паров влаги.

На основе учений Фарадея происходит обучение в современных школах. И хорошо, если учителя берут опыт ученого за основу. Ведь он вел уроки настолько увлеченно, что не заинтересованных учеников в аудитории просо не было. Он был просто влюблен в свою науку, и эта влюбленность моментально передавалась слушателю. Поэтому все теории Фарадея интересны по сегодняшний день.

Форма пламени, его цвета сравнивались им с драгоценными камнями. Он смог пояснить, почему у огня такая форма, в виде капли, и почему синее пламя внизу. Здесь уже рассматривался это вопрос. Стоит напомнить, что синее, значит, самое холодное и горение осуществляется без доступа кислорода. Форма петли или капли, так как огонь, на основании Закона Архимеда тянется вверх.

Иногда можно обнаружить, что не совсем привычное яркое пламя резные свечи дают. Кажется, что это двойное пламя, так как отчетливо видны два язычка. И этот факт науке известен, поэтому объяснить его не сложно. Это не больше чем декоративный эффект. В такой свече просто присутствуют для фитилька.

Почему пламя свечи горит вертикально?

Еще один вопрос, который крайне важен для познавательных личностей: почему в безветрие пламя свечи устанавливается вертикально? Все достаточно просто и ответ есть в школьной программе. Если свеча горит в безветренном пространстве, то это заслуга такого явления как конвенция. У горячего воздуха малая плотность и он вытягивается, стремясь вверх, придавая пламени привычную для нас всех форму. Даже если наклонить свечу в бок, пламя все равно стремиться вверх.

Много магических сил приписывают люди свечам. Например, при колышущемся пламени, можно заподозрить непорядок в доме, семье. Но пусть это останется во власти магов и чародеев. Наука может объяснить, почему пламя горит неравномерно, почему дергается. Даже практические работы на уроках дают научное объяснение этим фактам. Вот примеры некоторых заданий:

Приоткрыть входную дверь и проанализировать, как горит пламя в районе пола возле двери и в верхней части. Если пляшет, прыгает возле пола и отклоняется в сторону комнаты, значит, холодный поток воздуха заходит внутрь. Пламя направлено вверх, в сторону коридора, потоки теплого воздуха выходят.
Затушить свечу и понаблюдать за направлением дыма. Видно, что струйка направлена вверх? Значит, движения холодного, теплого воздуха в комнате нет. Пока парафин не остынет, направление дыма указывает, как горело бы пламя.
Небольшую свечу ставят на блюдце и поджигают, затем нарывают стаканом. Пламя сначала вытягивается, заостряется сверху, а затем гаснет. Вывод прост, без доступа кислорода огонь поддерживаться не будет.
Зажечь свечу, видно, что пламя тянется, горит ярко, сильно, но фитиль не сгорает? Материал, из которого изготовлен фитиль, быстро впитывает жидкий парафин, предохраняя его от преждевременного сгорания. Парафин по мере нагревания выделяет углерод, который поддерживает горение.
Если зажечь свечу и заметно, как сильно трепещет пламя, это может говорить об изменении движения теплых и холодных потоков. Оно движется за теплым воздухом и противостоит холодному.

Наблюдать за движением пламени горящей свечи интересно. Есть в этом что-то магическое, необыкновенное. Этот огонь успокаивает нервы, умиротворяет душу. Недаром все церковные обряды проводятся с горящими свечами. А ведь многие абсолютно не знают, почему в церквях они постоянно горят.

Почему в церквях постоянно зажигают свечи?

Обычай зажигать свечи во время молитвы достаточно древний. Считается, что пришел он из Византии. Считалось, что огонь от свечи — это символ, указывающий путь человеку. Со временем начали вырабатываться определенные правила для зажигания свечей. Сначала зажигали одну свечу, в то время как выносили Евангелие, и только во время его чтения можно было зажигать все остальные. Позже зажигать свечи стали перед всеми иконами и перед священными церковными предметами.

Этот обычай дошел до нашего времени. Зажигая свечу, человек не только мысленно обращается в молитве к богу. В этот момент он обдумывает свои поступки. И горящая свеча — это символ покаяния, стремления к богу. Она дает возможность понять, что человек грешен и раскаивается в своих грехах, просит прощения не только за себя, а и за своих близких, живых или тех, кого уже нет на этом свете.

Ставить свечи нельзя автоматически. В этот момент сердце каждого должно наполняться покаянием, смирением и ощущением полной любви к тому, кому произносится молитва. Свеча, приобретенная в церкви, это символ безграничной любви и веры, полного покаяния.

Не забывайте ставить свечи дома, когда обращаетесь к всевышнему с просьбами. В горящем виде свеча очищает дом от негативной энергии, а разум наполняет светлыми, позитивными мыслями.

Химии

Тема: «Горение. Строение пламени».

Учитель

Девиз:

«Познание начинается с удивления»

Аристотель

Сегодня мы познакомимся с одной из многочисленных реакций взаимодействия веществ с кислородом. Объект изучения вы постараетесь определить, прослушав небольшой отрывок поэмы.

« … Огонь

Я смертным дал и вот за что наказан,

Похитил я божественную искру.

Сокрыл в стволе сухого тростника,

И людям стал огонь любезным братом,

Помощником, учителем во всем…»

Как вы думаете, о чем сегодня пойдёт разговор?

(Ответы детей: об огне).

Правильно. Тема нашего урока «Горение. Строение пламени» и проведем его под девизом: «Познание начинается с удивления».

(Учитель зажигает свечу).

Перед нами пример химической реакции – горение парафиновой свечи. Мы исследуем огонь с позиции химии: выясним, какое строение и состав он имеет, как его можно экономно использовать, как бороться, если огонь выходит из-под контроля.

В начале работы проведем эксперимент: у нас есть 2 колбы, одна из которых заполнена кислородом, а другая – углекислым газом. Ваше мнение: будут ли происходить какие-либо изменения с пламенем горящей лучины, помещенной в колбы с этими газами или нет?

(Дети высказывают свои предположения.)

Ваши предположения по-другому можно назвать гипотезами (гипотезой). Как мы можем убедиться, верны они или нет? Правильно. Нужно провести опыт.

Опыт.

Помещаем горящую лучину в колбу, заполненную углекислым газом, а затем тлеющую лучину вносим в колбу с кислородом.

Что наблюдаем?

(Ответы детей: в колбе с кислородом лучина горит, а в колбе с углекислым газом тухнет).

Вывод: кислород поддерживает горение, а углекислый газ – нет.

Огонь таит в себе много загадок. Но перед тем, как шагнуть в таинственный мир горящей свечи, запомним основное правило техники безопасности : предельная внимательность и аккуратность в работе.

(Дети зажигают свечи).

Рассмотрите внимательно пламя свечи, какую форму оно имеет?

(Ответы детей).

Вы догадываетесь: почему?

Во время горения воздух нагревается и поднимается вверх. Эти восходящие потоки и придают пламени своеобразную форму. Физики это явление называют – конвекция.

А что вы можете сказать о строении пламени: однородно ли оно?

(Ответы детей.)

(Вывешивается рисунок пламени.)

Нижнюю – темную зону пламени обозначим цифрой 1.

Средняя – яркоокрашенная зона 2.

Верхняя – светлая зона 3.

Как вы считаете, кроме цвета, чем еще могут различаться зоны пламени?

(Ответы детей: по температуре.)

Сейчас мы постараемся проверить ваше предположение, т. е. вашу гипотезу. Для этого вы зажжете 3 спички: одну в нижней зоне пламени, другую в средней, а третью – в верхней зоне пламени. Засечем время воспламенения спички, считая раз, два, три …

(Дети проводят опыт.)

Своими наблюдениями поделится …

(Ответы детей.)

Какой вывод о температуре в разных зонах пламени можно сделать?

(Ответы детей. Данные вносятся в таблицу.)

Числовые температурные данные дает учитель.

Цвет пламени по зонам	Температура	Состав зоны пламени
			газообразный парафин
красно-оранжевый			частицы углерода (сажа)
			углекислый газ

Чтобы приоткрыть завесу другой тайны, нам нужно подумать, одинаков ли состав разных зон пламени?

Проведем опыт.

1 зона - вносим край разогретой стеклянной трубочки в нижнюю зону пламени. Что наблюдаем?

(Из трубочки идет белый дым.)

Белый дым – парафин. Только в нижней зоне пламени он находится не в твердом виде, а в каком? (…газообразном)

Данные заносим в таблицу.

2 зона. На несколько секунд вносим фарфоровую чашечку в яркую зону пламени. Что наблюдаем?

Дно чашечки покрывается копотью (сажей).

Это очень мелкие частицы углерода. Почему он на нашей чашечке черный, а в пламени – имеет яркую окраску?

(Ответы детей: в пламени частицы раскалены.)

Горение свечи – это взаимодействие парафина (вещества, из которого изготовлена свеча) с кислородом. Какие вещества при этом образуются, мы сможем узнать, если исследуем 3 - светлую зону пламени.

(Проводится опыт по обнаружению воды и углекислого газа в верхней зоне пламени.)

Капельки воды на стакане и потухшая лучина подсказывают нам, что продуктами горения парафина свечи являются углекислый газ и вода.

Составим схему горения парафиновой свечи. (Знак = разделяет вещества, вступающие в реакцию и вещества, образовавшиеся в ходе превращений. О значении знака + постарайтесь догадаться самостоятельно.)

Парафин + кислород = вода + углекислый газ

А сейчас мы проверим, что произойдет с пламенем, если накрыть горящую свечу стаканом.

(Дети накрывают горящую свечу стаканом.)

Что наблюдаем?

Почему горение прекратилось?

(Ответы детей: нет поступления кислорода.)

Демонстрационный опыт : Сравним, есть ли различия в строении пламени свечи и спиртовки.

Составим схему горения спирта

Спирт + кислород = вода + углекислый газ

Учитывая результаты исследований, выполните задания.

Задания.

а) Для обогрева жилых помещений запрещается использовать открытый огонь газовых плит. Почему?

б) Предложите способ тушения загоревшейся на человеке одежды.

Обоснуйте свое предложение.

в) Как нужно отрегулировать высоту пламени газовой плиты на кухне для его рационального использования. Обоснуйте свое предложение.

г) Почему в школьной лаборатории для подогрева реактивов в лабораторной посуде используют спиртовки, а не парафиновые свечи? Обоснуйте свой выбор.

У нашего урока есть девиз. Вспомним его.

«Познание начинается с удивления»

У каждого из вас есть пламя трех цветов: желтого, оранжевого и голубого. Какое пламя вы выберете к нашему уроку? Почему?

Урок хотелось бы закончить словами М. Фарадея:

«…я только могу выразить вам мое пожелание, чтобы вы могли с честью выдержать сравнение со свечой, т. е. могли бы быть светочем для окружающих, и чтобы во всех ваших действиях вы подражали красоте пламени, честно выполняя свой долг перед человечеством».

Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей.

Пла́мя - явление, вызванное свечением раскалённой газообразной среды, в ряде случаев содержащей плазму и/или диспергированные твёрдые вещества, в которой происходят физико-химические превращения реагентов, приводящие к свечению, тепловыделению и саморазогреву.

Газообразная среда пламени содержит заряженные частицы (ионы , радикалы), что обусловливает наличие электропроводности пламени и взаимодействие его с электромагнитными полями. На этом принципе построены приборы, способные с помощью электромагнитного излучения приглушить пламя, оторвать от горючих материалов или изменить его форму.

Эффект при смешивании воды с воском

Цвет пламени

Различный вид горелки Бунзена зависит от притока кислорода. Слева богатая топливная смесь без предварительного смешивания с кислородом горит жёлтым коптящим рассеянным пламенем, справа бедная топливная смесь с добавлением кислорода не создаёт копоти, при этом цвет пламени определяется примесями.

Цвет пламени определяется в первую очередь тепловым излучением и излучением квантовых переходов.

Температура пламени

Температура воспламенения для большинства твердых материалов - 300°С. Температура пламени в горящей сигарете - 700-800°С. В спичке температура пламени 750-850 °С, при этом 300°С - температура воспламенения дерева, а температура горения дерева равняется примерно 800-1000 °С. Температура горения пропан-бутана колеблется от 800 до 1970 °С. Температура пламени керосина - 800, в среде чистого кислорода - 2000 °С. Температура горения бензина - 1300-1400 °С. Температура пламени спирта не превышает 900 °С. Температура горения магния - 2200 °С.

Пламя свечи

Обычное пламя, которое мы наблюдаем при горении свечи, пламя зажигалки или спички, представляет собой поток раскалённых газов, вытянутый вертикально за счёт силы Архимеда (горячие газы стремятся подниматься вверх). Сначала фитиль свечи нагревается и парафин начинает испаряться. Для зоны 1, самой нижней, характерно небольшое синее свечение - там много топлива и мало кислорода. Поэтому, происходит неполное сгорание топлива с образованием CО, который, окисляясь на самом крае конуса пламени, придает ему синий цвет. В зону 2 за счет диффузии проникает больше кислорода, там происходит дальнейшее окисление топлива температура больше, чем в зоне 1, но его все же недостаточно для полного сгорания топлива. В зоне 1 и зоне 2 содержатся не сгоревшие капельки топлива и частицы угля. Из-за сильного нагревания они светятся. Испарившееся топливо и продукты его горения - углекислый газ и вода - почти не светятся. В зоне 3 концентрация кислорода ещё больше. Там происходит догорание не сгоревших частиц топлива, которые светились в зоне 2, поэтому эта зона почти не светится, хотя там самая высокая температура.

Классификация

Пламя классифицируют по:

агрегатному состоянию горючих веществ: пламя газообразных, жидких, твёрдых и аэродисперсных реагентов;
излучению: светящиеся, окрашенные, бесцветные;
состоянию среды горючее − окислитель: диффузионные, предварительно перемешанных сред;
характеру перемещения реакционной среды: ламинарные, турбулентные, пульсирующие;
температуре: холодные , низкотемпературные, высокотемпературные;
скорости распространения: медленные, быстрые;
высоте: короткие, длинные;
визуальному восприятию: коптящие, прозрачные, цветные.

В ламинарном диффузионном пламени можно выделить 3 зоны (оболочки). Внутри конуса пламени имеются: тёмная зона (300−350 °C), где горение не происходит из-за недостатка окислителя; светящаяся зона, где происходит термическое разложение горючего и частичное его сгорание (500−800 °C); едва светящаяся зона, которая характеризуется окончательным сгоранием продуктов разложения горючего и макс. температурой (900−1500 °C). Температура пламени зависит от природы горючего вещества и интенсивности подвода окислителя.

Распространение пламени по предварительно перемешанной среде (невозмущённой), происходит от каждой точки фронта пламени по нормали к поверхности пламени. Величина такой НСРП является основную характеристикой горючей среды. Она представляет собой минимально возможную скорость пламени. Значения НСРП отличаются у различных горючих смесей − от 0,03 до 15 м/с.

Распространение пламени по реально существующим газовоздушным смесям всегда осложнено внешними возмущающими воздействиями, обусловленными силами тяжести, конвективными потоками, трением и т. д. Поэтому реальные скорости распространения П. всегда отличаются от нормальных. В зависимости от характера горения скорости распространения П. имеют след. диапазоны величин: при дефлаграционном горении − до 100 м/с; при взрывном горении − от 300 до 1000 м/с; при детонационном горении − св. 1000 м/с.

Пламя горящей свечи сопровождало человека тысячи лет.

Окислительное пламя

Расположено в верхней, самой горячей части пламени, где горючие вещества практически полностью превращены в продукты горения. В данной области пламени избыток кислорода и недостаток топлива, поэтому помещённые в эту зону вещества интенсивно окисляются.

Восстановительное пламя

Это часть пламени, наиболее близко расположенная к центру или чуть ниже центра пламени. В этой области пламени много топлива и мало кислорода для горения, поэтому, если внести в эту часть пламени вещество, содержащее кислород, то кислород отнимается у вещества.

Проиллюстрировать это можно на примере реакции восстановления сульфата бария BaSO 4 . С помощью платиновой петли забирают BaSO 4 и нагревают его в восстановительной части пламени спиртовой горелки. При этом сульфат бария восстанавливается и образуется сульфид бария BaS. Поэтому пламя и называют восстановительным .

Применение

Пламя (окислительное и восстановительное) используется в аналитической химии , в частности, при получении окрашенных перлов для быстрой идентификации минералов и горных пород, в том числе в полевых условиях, с помощью паяльной трубки.

Пламя в невесомости

См. также

Горение , в том числе беспламенное горение.
Пирохимический анализ - методы обнаружения химических элементов по различному окрашиванию пламени.

Литература

Тидеман Б. Г., Сциборский Д. Б. Химия горения. - Л. , 1935.