Представьте себе, что вы сидите перед костром. В воздухе витает дымный запах, а над открытым огнём кипит котелок с супом. И пока вы смотрите на мерцающие оранжевые языки пламени, вы задаётесь вопросом: «Почему дрова горят, а металлический котелок — нет?».
Причина, по которой одни вещи загораются, а другие — нет, сводится к их химическим связям и энергии, необходимой для изменения или разрыва этих самых связей.
Изображение: unsplash.com
Но сначала, вот вам немного информации о самом огне. Для существования огня необходимо несколько вещей: кислород, тепло и топливо.
Кислород – это газ, который находится в воздухе. Тепло может создаваться трением, например, когда вы чиркаете спичкой, или другими способами, например, ударом молнии. Топливо — это то, что горит: как правило, это может быть что угодно, состоящее из органических материалов, — рассказал Live Science Карл Брозек (Carl Brozek), химик из Орегонского университета. В этом случае термин «органический» относится к молекулам, которые состоят в основном из углерод-водородных связей и иногда включают кислород или другие атомы, такие как фосфор или азот.
В частности, горение — это химическая реакция, которая высвобождает энергию из нестабильной системы с относительно слабыми химическими связями. Всё хочет быть более стабильным, особенно органические молекулы, которые содержат углерод, кислород, водород и несколько других элементов, говорит Брозек. Такие материалы, как дерево и бумага, которые легко воспламеняются, сделаны из целлюлозы — молекулы, состоящей из связей между углеродом, водородом и кислородом.
И когда что-то сгорает, это заканчивается «высвобождением большого количества энергии, потому что теперь вы переводите систему в более низкое энергетическое состояние, — сказал Брозек. — И эта энергия должна куда-то уходить».
Когда что-то деревянное загорается, целлюлоза, из которой состоит дерево, превращается в углекислый газ и водяной пар — очень стабильные молекулы с прочными связями. Энергия, выделяемая этой химической реакцией, возбуждает электроны в атомах газа, которые, в свою очередь, излучают видимый свет. Этот свет мы видим в качестве пламени, объясняет Брозек.
Вернёмся к горящему бревну и котелку с горячим супом: разница между бревном и металлической кастрюлей заключается в том, насколько хорошо материал может распределять энергию, возникающую при воздействии на него огня, сказал Брозек, что сводится к тому, насколько сильны его химические связи. Прочные химические связи в металле разорвать непросто. В то же время у куска дерева таких прочных связей просто нет, поэтому он не способен поглощать энергию пламени. Вместо того, чтобы поглощать энергию, дерево её высвобождает, отчего и происходит процесс возгорания. Но металл в котелке «обладает огромной способностью как поглощать эту энергию, так её и рассеивать», поэтому котелок будет горячим на ощупь.
Лучшее поглощение тепла также может предотвратить возгорание древесины. Брозек говорит, что если поднести пламя к бумажному стаканчику, наполненному водой, то этот стаканчик не загорится, поскольку вода в стакане может поглощать тепло. (Правда подобное проделывать в домашних условиях мы вам, конечно же, не рекомендуем.)
Однако некоторые металлы всё же горят. Такие «горючие металлы», включая калий и титан, например, используются для изготовления фейерверков. По словам Брозека, металлы в фейерверках находятся в порошкообразной форме, что обеспечивает большую площадь поверхности для более быстрой реакции с теплом и кислородом. Когда эти металлы подвергаются воздействию тепла, достаточного для реакции с кислородом, количество выделяемой энергии заставляет их гореть разными цветами.
