Feuer (Chemisch-physikalischer Hintergrund)
Q: Feuer
Chemisch gesehen ist Feuer eine Oxidationsreaktion mit Flammenerscheinung. Dies ist eine exotherme Reaktion, das heißt, dass mit Feuererscheinung verlaufende Reaktionen mehr Energie in Form von Wärme an die Umgebung abgeben, als zum Entzünden benötigt wird. Feuer ist heiß, weil die Umwandlung der relativ schwachen Doppelbindung im Sauerstoffmolekül, O2, in die stärkeren Bindungen in den Verbrennungsprodukten (Kohlenstoffdioxid und Wasser) Energie freisetzt (418 kJ pro 32 g O2); die Bindungsenergien im Brennstoff spielen nur eine untergeordnete Rolle.[1]
Zur Entfachung bzw. Aufrechterhaltung eines Feuers werden allgemein ein brennbarer Stoff, ein Oxidationsmittel und Zündenergie (Wärme, mechanische Funken, Elektrizität) benötigt. Dieser Zusammenhang kann in einem Verbrennungsdreieck anschaulich dargestellt werden. Mangelt es an einer der drei Komponenten, kann kein Feuer entstehen bzw. erlischt es. Dies kann man sich zur Brandbekämpfung zunutze machen.
Bei der Verbrennung von organischen Materialien werden beispielsweise Kohlenwasserstoffe mit dem Oxidationsmittel Sauerstoff aus der Luft bei einer vollständigen Verbrennung zu Kohlenstoffdioxid und Wasser umgesetzt. Auch partielle Verbrennungen sind möglich, wobei Kohlenstoffmonoxid und andere, nur teilweise oxidierte Stoffe entstehen und nicht oxidierte Stoffe wie Ruß zurückbleiben können. Das Oxidationsmittel kann jedoch in manchen Fällen auch bereits dem Brennstoff beigemischt sein, beispielsweise in Form von Salpeter.
Da die entstehenden Verbrennungsgase aufgrund ihrer hohen Temperatur eine geringere Dichte haben als die umgebende Luft, steigen sie bei einer frei brennenden Flamme durch natürliche Konvektion nach oben (Kamineffekt). Der entstehende Unterdruck saugt von unten und von der Seite Frischluft an. Der darin enthaltene Sauerstoff erhält die weitere Verbrennung aufrecht. Bei extrem großen Feuern kann der so entstehende Luftzug Orkanstärke erreichen. Dieses Phänomen wird als Feuersturm bezeichnet.
Da in der Schwerelosigkeit die Dichteunterschiede keine Konvektion verursachen, ist die Zufuhr von neuem Sauerstoff gestört und nur durch Diffusion möglich, weshalb sich beispielsweise bei einer in einem Raumschiff brennenden Kerze nur eine relativ schwache und annähernd kugelförmige Flamme ausbildet.
Ist die natürliche Konvektion für den gewünschten Zweck nicht ausreichend, können bei technischen Anwendungen sowohl die Luftzufuhr als auch die Abfuhr der Verbrennungsgase auch künstlich erfolgen, beispielsweise mit Hilfe von Gebläsen (siehe auch Saugzug).
Das Licht des Feuers ist eine physikalische Erscheinung. Elektronen der erhitzten Teilchen erlangen kurzzeitig ein höheres Energieniveau und fallen nach kurzer Zeit unter Abgabe (spontaner Emission) von Energie in Form eines Lichtquants (Photons) auf ihre ursprünglichen Energieniveaus zurück. Nicht jede solche Emission ist für das menschliche Auge sichtbar, es entsteht auch Infrarotstrahlung (siehe Flammenfärbung).
Mit den chemischen und physikalischen Vorgängen in einem Feuer befasst sich die Verbrennungslehre.
- ↑ Schmidt-Rohr, K. (2015). „Why Combustions Are Always Exothermic, Yielding About 418 kJ per Mole of O2“ J. Chem. Educ. 92: 2094–2099. doi:10.1021/acs.jchemed.5b00333.