Образование воды в пламени: научное объяснение процесса конденсации при горении

Мы привыкли связывать теплоту, а в особенности пламя с представлением о совершенной сухости; фактически же пламя постоянно доставляет воздуху влагу. В этом можно убедиться на следующем научном опыте, демонстрирующем физико-химические процессы, происходящие при горении органических веществ. Рисунок 52 демонстрирует экспериментальную установку для наблюдения конденсации водяных паров

На рис. 52 АВС представляет тонкостенную медную трубку, наполненную кусками льда и водой, выполняющую роль холодильника. Между внешней металлической трубкой и внутренней трубкой находится свободное пространство, обеспечивающее термоизоляцию. Верхний край металлической трубки можно надрезать на 2-3 см от конца и отогнуть края внутрь для того, чтобы они помогали поддерживать верхний край внутренней трубки; следует только позаботиться о свободном выходе для газов, образующихся при горении пламени В бунзеновской горелки или спиртовой лампочки. Если держать прибор над таким пламенем, то очень скоро на внешней стороне внутренней трубки появится роса, представляющая собой сконденсировавшуюся воду. Капельки скоро собираются в большие капли, которые стекают вниз по трубке и падают около В либо в пламя, которым они уничтожаются, или в другой резервуар, где их можно собрать для количественного анализа. Можно даже опустить внешнюю трубку и все-таки получить заметное количество воды, что подтверждает постоянное образование H₂O в зоне горения.

Рис. 52. Образование воды в пламени

Даже на любом холодном предмете (лезвие ножа, кусок стекла) можно обнаружить образование капель воды, если на мгновение подержать его в огне. Данное явление объясняется разностью температур и фазовым переходом водяного пара из газообразного состояния в жидкое при контакте с охлажденной поверхностью. Имея дело с обыкновенным пламенем газа, свечи или керосиновой лампы, следует остерегаться держать предмет в самом пламени: охлаждение препятствует полному сгоранию горючего материала, вследствие чего появляется осадок черного угля, который называется сажей или аморфным углеродом. Этот побочный продукт неполного окисления свидетельствует о сложности химических реакций, протекающих при термическом разложении углеводородов.

Если воздух снаружи холоден, то на оконных стеклах, как известно, легко осаждается влага: «окна потеют»; это водяные пары, которые выделились при дыхании и сгустились на внутренней стороне оконных стекол. То же явление можно наблюдать в том случае, когда никто в комнате не дышит, но в ней горит достаточное количество ламп или свечей и продукты их сгорания скопляются в комнате, достигая точки росы. Из всех этих наблюдений следует, что в пламени действительно возникает вода в результате экзотермических реакций окисления. Каким образом это объясняется с позиции современной химии?

Сгорание (горение) есть сопровождающееся выделением теплоты соединение различных веществ с кислородом воздуха, представляющее собой сложный цепной физико-химический процесс. Почти все горючие вещества содержат углерод (С) или водород (Н), или тот и другой вместе, являясь углеводородами. Часто к ним присоединяются еще и другие элементы, такие как сера или азот. Когда углерод соединяется с кислородом, мы получаем углекислоту (диоксид углерода CO₂). Результатом же соединения водорода с кислородом является вода H₂O, и так как водород почти всегда содержится в горючих материалах органического происхождения, то из пламени обыкновенных горючих материалов действительно всегда получается вода. Можно было бы ожидать, что это явление должно наблюдаться очень часто в быту и промышленности. Но ввиду того что теплый воздух и теплые газы могут поглощать огромные количества невидимого водяного пара, оказывается, что вода, хотя и возникает всегда в пламени, но не всегда легко может быть обнаружена визуально без применения специального охлаждающего оборудования, подобного описанной выше медной трубке со льдом.

Исторически данное наблюдение сыграло важную роль в становлении теории горения, предложенной Антуаном Лавуазье. Ученый доказал, что вещества не исчезают и не возникают из ниоткуда, а лишь переходят из одного состояния в другое. Образование воды при сжигании водородсодержащего топлива является классическим примером закона сохранения массы. В зависимости от состава горючего материала соотношение выделяющихся продуктов может варьироваться. Например, природный газ (метан CH₄) при полном сгорании дает значительное количество водяного пара, тогда как чистый древесный уголь, состоящий преимущественно из углерода, производит преимущественно углекислый газ.

Современные исследования показывают, что пламя представляет собой ионизированный газ — плазму, где протекают сотни взаимосвязанных реакций. Молекулы топлива на начальном этапе расщепляются на радикалы, такие как гидроксильная группа OH, которые затем рекомбинируют с образованием воды. Именно наличие этих высокоактивных частиц придает пламени характерный цвет и температуру. К примеру, голубоватый оттенок газа бунзеновской горелки свидетельствует о присутствии возбужденных молекул C₂ и CH, а также о полном сгорании с минимальным образованием сажи.

Практическое значение выделения воды в пламени огромно. В теплоэнергетике при сжигании органического топлива в котлах электростанций водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, уносят значительную часть тепловой энергии, что требует разработки систем утилизации тепла конденсации. В двигателях внутреннего сгорания образование воды неизбежно, и в холодное время года мы можем наблюдать капли конденсата, вытекающие из выхлопной трубы автомобиля, что часто ошибочно принимается за неисправность. Это нормальное физическое явление, подтверждающее, что в камере сгорания бензин или дизельное топливо, состоящие из углеводородов, эффективно окисляются.

Кроме того, понимание процесса образования воды в пламени имеет значение для пожарной безопасности. Водяной пар, выделяющийся при горении, может влиять на распространение пожара, затрудняя видимость и создавая дополнительную нагрузку на вентиляционные системы зданий. В лесных пожарах влага, испаряющаяся из горящей древесины, также играет роль в микроклимате очага возгорания. Таким образом, наблюдение за росой на медной трубке в простом лабораторном опыте открывает дверь в понимание сложнейших процессов, происходящих в энергетике, химической технологии и науке об атмосфере.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: В. Гампсон, К. Шеффер

Источник: Парадоксы природы

Данные публикации будут полезны студентам физических и технических специальностей, изучающих механику и принципы работы простых механизмов, начинающим инженерам и конструкторам, интересующимся эргономикой и оптимизацией транспортных средств, а также всем, кто увлекается историей техники и неочевидными физическими явлениями в повседневной жизни.