Почему верхняя часть пламени самая горячая

ОПЫТЫ С ПЛАМЕНЕМ СВЕЧИ

Внимание! Эти опыты можно проводить только вместе со взрослыми!

Пламя всегда имеет сильно накаленную область и область, которая нагрета слабо. Понаблюдайте за пламенем горящей свечи.

В районе фитиля находится коричневая точка 1, где свет почти не воспринимаем для глаза.

Несколько выше расположена синеватая часть 2. Это зона испарения парафина. Кислород сюда не проникает, и поэтому газы в этой области не горят.

Это резервуар, питающий часть 3, в которой газы подвергаются полному сгоранию. Цвет этой полосы — оранжевый или ярко-красный.

Часть n окружает полоса 4. Она плохо видима, но зато самая горячая из всех: именно здесь происходит процесс полного сжигания углерода.

В пламени свечи различить отдельные полосы очень легко. А обнаружить разницу температур в этих полосах можно, проделав ряд опытов.

Опыт Фарадея

Возьмите маленький кусок белого тонкого картона или плотной бумаги. Обеими руками держите этот лист распростертым над зажженной свечей, наполовину придавив пламя, но так, чтобы бумага не дотрагивалась до фитиля.

Вы обнаружите, что на картоне образуются черный круг и белый центр. Прежде чем бумага загорится, пройдет довольно много времени. Но если она все же загорится, то задуйте огонь сверху. Вы увидите тогда, что центр останется по-прежнему нетронутым, а контуры окажутся сожженными.

Таким образом Майкл Фарадей наглядно доказал разницу отдельных частей пламени. Можно взять также палочку из белого дерева размером с карандаш. Вы увидите, что полоса 2 не достаточно горячая, чтобы обжечь палочку. А часть, окруженная полосами 3 и 4, будет черной и обугленной и ясно отделенной от центральной части, совершенно белой.

Отпечаток пламени на бумаге

С помощью жестяной банки на бумаге можно отпечатать пламя свечи.

Для этого банку надо плотно обмотать куском бумаги и поместить в пламя. Оставьте банку на несколько секунд и не бойтесь, что бумага сгорит: так как она прижата к металлическому цилиндру, то лишена доступа кислорода. А без него не может происходить процесс горения .

Если затем вынуть бумагу, то пламя окажется на ней четко отпечатанным.

Иногда остаются черные линии. Это вовсе не продукты сгорания бумаги. Линии получаются, если вы дотронулись бумагой до фитиля. В местах соприкосновения отпечатывается копоть в виде линий.

Фокус со спичками

Если взять спичку и быстро провести ее сквозь пламя, направляя головку спички через центр пламени, то спичка не загорится.

Зато если спичку провести через верхнюю часть пламени, она загорится немедленно.

Это еще одна наглядная иллюстрация того, что температура пламени различна в разных его областях.

На основе информации из:

Задушевное слово. Еженедельный журнал для старшего возраста. С-Пб. – М.:

Издание товарищества М.О. Вольф, №6, 7, 9, 1907 г.

Пламя: строение, описание, схема, температура

В процессе горения образуется пламя, строение которого обусловлено реагирующими веществами. Его структура поделена на области в зависимости от температурных показателей.

Определение

Пламенем называют газы в раскаленном виде, в которых присутствуют составляющие плазмы или вещества в твердой дисперсной форме. В них осуществляются преобразования физического и химического типа, сопровождающиеся свечением, выделением тепловой энергии и разогревом.

Наличие же в газообразной среде ионных и радикальных частичек характеризует его электрическую проводимость и особое поведение в электромагнитном поле.

Что такое языки пламени

Обычно так называют процессы, связанные с горением. По сравнению с воздухом, газовая плотность меньше, но высокие температурные показатели обуславливают поднятие газа. Так и образуются языки пламени, которые бывают длинными и короткими. Часто происходит и плавный переход одних форм в другие.

Пламя: строение и структура

Для определения внешнего вида описываемого явления достаточно зажечь газовую горелку. Появившееся несветящееся пламя нельзя назвать однородным. Визуально можно выделить три его основные области. Кстати, изучение строения пламени показывает, что различные вещества горят с образованием различного типа факела.

При горении смеси из газа и воздуха вначале происходит формирование короткого факела, цвет которого имеет голубые и фиолетовые оттенки. В нем просматривается ядро — зелено-голубое, напоминающее конус. Рассмотрим это пламя. Строение его разделяется на три зоны:

  1. Выделяют подготовительную область, в которой происходит нагревание смеси из газа и воздуха при выходе из отверстия горелки.
  2. За ней следует зона, в которой происходит горение. Она занимает верхушку конуса.
  3. Когда имеется недостаток воздушного потока, газ сгорает не полностью. Выделяется углерода двухвалентный оксид и водородные остатки. Их догорание протекает в третьей области, где есть кислородный доступ.

Теперь отдельно рассмотрим разные процессы горения.

Горение свечи

Горение свечи подобно горению спички или зажигалки. А строение пламени свечи напоминает раскаленный газовый поток, который вытягивается вверх за счет выталкивающих сил. Процесс начинается с нагревания фитиля, за которым следует испарение парафина.

Самую нижнюю зону, находящуюся внутри и прилегающую к нити, называют первой областью. Она обладает небольшим свечением синего цвета из-за большого количества топлива, но малого объема кислородной смеси. Здесь осуществляется процесс неполного сгорания веществ с выделением угарного газа, который в дальнейшем окисляется.

Первую зону окружает светящаяся вторая оболочка, характеризующая строение пламени свечи. В нее поступает больший кислородный объем, что обуславливает продолжение окислительной реакции с участием топливных молекул. Температурные показатели здесь будут выше, чем в темной зоне, но недостаточные для конечного разложения. Именно в первых двух областях при сильном нагревании капелек несгоревшего топлива и угольных частичек появляется светящийся эффект.

Вторая зона окружена слабозаметной оболочкой с высокими температурными значениями. В нее заходит много кислородных молекул, что способствует полному догоранию топливных частичек. После окисления веществ, в третьей зоне светящийся эффект не наблюдается.

Схематическое изображение

Для наглядности представляем вашему вниманию изображение горения свечи. Схема пламени включает:

  1. Первую или темную область.
  2. Вторую светящуюся зону.
  3. Третью прозрачную оболочку.

Нить свечи не подвергается горению, а только происходит обугливание загнутого конца.

Горение спиртовки

Для химических экспериментов часто используют небольшие резервуары со спиртом. Их называют спиртовками. Фитиль горелки пропитывается залитым через отверстие жидким топливом. Этому способствует давление капиллярное. При достижении свободной верхушки фитиля, спирт начинает испаряться. В парообразном состоянии он поджигается и горит при температуре не более 900 °C.

Пламя спиртовки имеет обычную форму, оно практически бесцветное, с небольшим оттенком голубого. Его зоны не так четко видны, как у свечки.

У спиртовой горелки, названной в честь ученого Бартеля, начало огня располагается над калильной сеткой горелки. Такое заглубление пламени приводит к уменьшению внутреннего темного конуса, а из отверстия выходит средний участок, который считается самым горячим.

Цветовая характеристика

Излучения различных цветов пламени, вызывается электронными переходами. Их еще называют тепловыми. Так, в результате горения углеводородного компонента в воздушной среде, синее пламя обусловлено выделением соединения H-C. А при излучении частичек C-C, факел окрашивается в оранжево-красный цвет.

Трудно рассмотреть строение пламени, химия которого включает соединения воды, углекислого и угарного газа, связь OH. Его языки практически бесцветны, так как вышеуказанные частички при горении выделяют излучения ультрафиолетового и инфракрасного спектра.

Окраска пламени взаимосвязана с температурными показателями, с наличием в нем ионных частиц, которые относятся к определенному эмиссионному или оптическому спектру. Так, горение некоторых элементов приводит к изменению цвета огня в горелке. Отличия в окрашивании факела связаны с расположением элементов в разных группах системы периодической.

Огонь на наличие излучений, относящихся к видимому спектру, изучают спектроскопом. При этом было установлено, что простые вещества из общей подгруппы оказывают и подобное окрашивание пламени. Для наглядности используют горение натрия в качестве теста на данный металл. При внесении его в пламя, языки становятся ярко-желтыми. На основании цветовых характеристик выделяют натриевую линию в эмиссионном спектре.

Для щелочных металлов характерно свойство быстрого возбуждения светового излучения атомарных частиц. При внесении труднолетучих соединений таких элементов в огонь горелки Бунзена происходит его окрашивание.

Спектроскопическое исследование показывает характерные линии в области, видимой для глаза человека. Быстрота возбуждения светового излучения и простое спектральное строение тесно взаимосвязаны с высокой электроположительной характеристикой данных металлов.

Характеристика

В основе классификации пламени лежат следующие характеристики:

  • состояние агрегатное сгорающих соединений. Они бывают газообразной, аэродисперсной, твердой и жидкой формы;
  • тип излучения, которое может быть бесцветным, светящимся и окрашенным;
  • распределительная скорость. Существует быстрое и медленное распространение;
  • высота пламени. Строение может быть коротким и длинным;
  • характер передвижения реагирующих смесей. Выделяют пульсирующее, ламинарное, турбулентное перемещение;
  • визуальное восприятие. Вещества горят с выделением коптящего, цветного или прозрачного пламени;
  • температурный показатель. Пламя может быть низкотемпературным, холодным и высокотемпературным.
  • состояние фазы топливо – окисляющий реагент.

Возгорание происходит в результате диффузии или при предварительном перемешивании активных компонентов.

Окислительная и восстановительная область

Процесс окисления протекает в слабозаметной зоне. Она самая горячая и располагается вверху. В ней топливные частицы подвергаются полному сгоранию. А наличие в кислородного избытка и горючего недостатка приводит к интенсивному процессу окисления. Этой особенностью следует пользоваться при нагревании предметов над горелкой. Именно поэтому вещество погружают в верхнюю часть пламени. Такое горение протекает намного быстрее.

Восстановительные реакции проходят в центральной и нижней части пламени. Здесь содержится большой запас горючих веществ и малое количество O2 молекул, осуществляющих горение. При внесении в эти области кислородсодержащих соединений осуществляется отщепление O элемента.

В качестве примера восстановительного пламени используют процесс расщепления железа двухвалентного сульфата. При попадании FeSO4 в центральную часть факела горелки, происходит вначале его нагревание, а затем разложение на оксид трехвалентного железа, ангидрид и двуокись серы. В данной реакции наблюдается восстановление S с зарядом от +6 до +4.

Сварочное пламя

Данный вид огня образуется в результате сгорания смеси из газа или пара жидкости с кислородом чистого воздуха.

Примером служит формирование пламени кислородно-ацетиленового. В нем выделяют:

  • зону ядра;
  • среднюю область восстановления;
  • факельную крайнюю зону.

Так горят многие газокислородные смеси. Различия в соотношении ацетилена и окислителя приводят к разному типу пламени. Оно может быть нормального, науглероживающего (ацетиленистого) и окислительного строения.

Теоретически процесс неполного сгорания ацетилена в чистом кислороде можно охарактеризовать следующим уравнением: HCCH + O2 → H2 + CO +CO (для реакции необходима одна моль O2).

Полученный же молекулярный водород и угарный газ реагируют с воздушным кислородом. Конечными продуктами является вода и оксид четырехвалентного углерода. Уравнение выглядит так: CO + CO + H2 + 1½O2 → CO2 + CO2 +H2O. Для этой реакции необходимо 1,5 моля кислорода. При суммировании O2 получается, что 2,5 моль затрачивается на 1 моль HCCH. А так как на практике трудно найти идеально чистый кислород (часто он имеет небольшое загрязнение примесями), то соотношение O2 к HCCH будет 1,10 к 1,20.

Когда значение пропорции кислорода к ацетилену меньше 1,10, возникает науглероживающее пламя. Строение его имеет увеличенное ядро, очертания его становятся расплывчатыми. Из такого огня выделяется копоть, вследствие недостатка кислородных молекул.

Если же соотношение газов больше 1,20, то получается окислительное пламя с кислородным избытком. Лишние его молекулы разрушают атомы железа и другие компоненты стальной горелки. В таком пламени ядерная часть становится короткой и имеет заострения.

Температурные показатели

Каждая зона огня свечи или горелки имеет свои значения, обусловленные поступлением кислородным молекул. Температура открытого пламени в разных его частях колеблется от 300 °C до 1600 °C.

Примером служит пламя диффузионное и ламинарное, которое образовано тремя оболочками. Конус его состоит из темного участка с температурой до 360 °C и недостатком окисляющего вещества. Над ним располагается зона свечения. Ее температурный показатель колеблется от 550 до 850 °C, что способствует разложению термическому горючей смеси и ее горению.

Внешняя область едва заметная. В ней температура пламени доходит до 1560 °C, что обусловлено природными характеристиками топливных молекул и быстротой поступления окисляющего вещества. Здесь горение наиболее энергичное.

Вещества воспламеняются при разных температурных условиях. Так, металлический магний горит только при 2210 °С. Для многих твердых веществ температура пламени около 350 °С. Возгорание спичек и керосина возможно при 800 °С, тогда как древесины – от 850 °С до 950 °С.

Сигарета горит пламенем, температура которого варьируется от 690 до 790 °С, а в пропан-бутановой смеси – от 790 °С до 1960 °С. Бензин воспламеняется при 1350 °С. Пламя горения спирта имеет температуру не более 900 °С.

Пламя (16203)

Пламя — постоянный спутник энергичного горения обычных горючих веществ. Характеристикой пламени могут служить его paзмеры, изменение формы в зависимости от количества горючего вещества и большая или меньшая способность свечения. Пламя представляет собой раскаленный газ, что легко подтверждается тем, что при зажигании струи газа образуется пламя. Твердое вещество, не выделяющее при нагревании воспламеняющихся газообразных продуктов, при своем горении не образует пламени в общепринятом понимании этого слова. Например, при горении угля реакция распространяется по поверхности, которая накаляется; при горении же газа получается не только большая «поверхность» соприкосновения с кислородом воздуха, но и создается во всех направлениях теснейший контакт между горючим веществом и пособником горения. Газы могут светиться лишь во время самого горения или лишь немного спустя. Твердый углерод при горении дает достаточное количество газов, но они так быстро теряют свою теплоту и высокий накал, что перестают светиться, едва лишь потеряют Связь с его поверхностью, где происходит реакция. Если твердое вещество окисляется очень быстро, как например, сгорающий в кислороде углерод, то сгорающие в непосредственном контакте с горящим углеродом газы светятся и количество тепла, образующегося при горении, достаточно для образования «пламени». Светящееся и несветящееся пламя Пламя бывает двух видов — светящееся и несветящееся и, хотя почти всякое пламя является видимым, не всякое испускает достаточное количество света. Свечение пламени обусловлено: a) наличием в нем твердого вещества, b) плотностью его, т. е. давлением и плотностью участвующих в реакции газов, и c) его температурой. Присутствие твердого вещества в пламени — наиболее общая причина свечения, В качестве примера пламени мы возьмем пламя cвечи. Пламя свечи Пламя свечи описано было неоднократно. Воск (смесь твердых углеводородов и жирных кислот) плавится под действием теплоты (получающейся в достаточном количестве в результате горения фитиля свечи) и всасывается фитилем. Поскольку фитиль непосредственно связан с пламенем, температура оказывается достаточной для превращения расплавленного воска в газ путем разложения или возгонки. Глазу на первый взгляд пламя кажется состоящим из нижней темной или слабо светящейся части и верхней светящейся части. На самом же деле вокруг нижней темной части имеется тонкая полоска светящегося пламени, а вокруг всего пламени находится как бы оболочка из совершенно незаметных для глаза газов. Темная часть состоит из несгоревших газов. В верхней части, где всосанный воздух благодаря конвекции вступает в контакт с горючими парами, происходит процесс горения; часть паров сгорает. Такое же явление имеет место и в узкой полоске, окружающей ядро пламени, куда также частично всасывается воздух. В наружной, едва заметной части, происходит полное сгорание. Свечение своим происхождением обязано отдельным частицам твердого углерода, накаленным добела; некоторые из них сгорают в светящейся части пламени, остальные в других частях. В пламени правильной формы, образуемом свечей, лампой или старинной газовой горелкой, лишь небольшое количество углерода не подвергается окислению. В пламени, имеющем неправильную форму, например в пламени, получающемся при сжигании обычных горючих материалов — дерева, бумаги, тканей и т. п., — воздуха, входящего в пламя, оказывается недостаточно, чтобы образовать надлежащую смесь с горючими газами, потребную для полного сгорания, и несгоревшие частицы углерода отлагаются в виде сажи и дыма. Образование частиц углерода в пламени горящих углеродистых веществ (в частности углеводородов) в течение долгого времени приписывали «преимущественному горению». Считалось, что кислород воздуха быстрее соединяется с водородом горючего, чем с углеродом, и следовательно часть последнего выделяется в той части пламени, где воздуха для полного горения недостаточно. При выходе же его наружу он сгорает. В результате же произведенных опытов со взрывом смеси углеводородов с водородом обнаружено, что кислород распределяется между водородом и углеродом, образуя воду и окись углерода, причем углерод стремился превратиться в окись углерода прежде, чем водород, сгорая, превращался в воду. Развивалась теория, что в пламени образовывался ацетилен, который экзотермически разлагался на составные элементы. Такая теория однако оказалась неудовлетворительной, так как ацетилен образовывался лишь иногда. Во время процесса разложения углеводорода кислород поглощался и образовывались кислородсодержащие соединения углерода, например альдегиды, которые в пламени разлагались, выделяя углерод. Таким образом процессы, протекающие при горении, оказались сложными. Хотя вопрос об «образовании» углерода оказался спорным, все же отложение несгоревших частиц углерода в виде сажи следует отнести или за счет недостатка кислорода (воздуха) или за счет неполного смешения его с горящими газами. Пламя, свечение которого обусловлено наличием частиц углерода, является наиболее общим типом светящегося пламени и образуется всегда при горении обыкновенных горючих материалов. Свечение пламени, впрочем, может быть обусловлено и наличием в нем других твердых веществ. Так например, при горении легкогорючих металлов, таких например, как магний, пламя получается светящимся вследствие образования твердых окислов (при горении магния пламя получается белое). Твердые вещества, вводимые в пламя, раскаляются, вследствие чего свечение увеличивается. Этот факт легко подметить на обыкновенном газокалильном колпачке, где окислы редких земель накаляются до сильного свечения посредством бунзенского пламени. Так как в данном случае твердые частицы могут быть как введены в пламя, так и выведены из него, то считать самое пламя в этом случае светящимся нельзя. При повышении температуры пламени повышается и свечение; такое повышение температуры может зачастую и несветящееся пламя сделать светящимся. Повышение температуры может быть достигнуто подогревом воспламеняющихся газов и воздуха. Если трубку горелки Бунзена нагреть докрасна и пропустить через нее смешанный с воздухом газ, пламя становится особенно светящимся. Замена воздуха кислородом вызывает увеличение свечения. Высокая температура дает возможность нагреть и инертный азот. Углерод в кислороде горит с образованием пламени, так как окислы углерода, находящиеся в соприкосновении с горящим твердым веществом, имеют достаточно высокий накал. На свечение пламени оказывает большое влияние давление участвующих в реакции газов. Возрастание давления повышает свечение, а понижение давления уменьшает его. Если зажженную свечу поместить под колокол и соединить последний с воздушным насосом, то при частичной откачке воздуха свечение быстро уменьшается. С другой стороны, при увеличении давления газы, горящие обычно несветящимся пламенем (например водород), можно заставить гореть светящимся пламенем. Густые и плотные пары и газы различных веществ обычно горят более светящимся пламенем, чем образованные продуктами, дающими пары меньшей плотности. Например, пары фосфора и его соединений, выделяющие плотные продукты горения, дают желтое пламя; соединения мышьяка — светящееся пламя. Если некоторые соли (лучше всего хлористые соединения щелочных или щелочноземельных металлов) ввести в малом количестве в пламя горелки Бунзена, то соль улетучивается или разлагается, и пламя принимает окраску, меняющуюся в зависимости от присутствующего металлического радикала. Такие металлические соли выделяют пары высокой плотности и таким образом дают светящееся пламя.

Источник: «Химия. Пожарная опасность. Пожаротушение», 1936

Подписаться на публикацию новых статей.