Verbrennung
Bei der Verbrennung handelt es sich chemisch gesehen um eine Redoxreaktion. Das Wort ist abgeleitet von dem lateinisch/griechischen Wort Oxygenium (Sauerstoff). Verbrennungen sind oftmals Reaktionen, an denen Sauerstoff beteiligt ist.
Allerdings existieren neben Sauerstoff noch andere Stoffe, die eine Verbrennung fördern, z. B. Chlor und andere Oxidationsmittel. Es muss jedoch betont werden, dass zwar jede Verbrennung ein Oxidationsprozess ist, obwohl umgekehrt nicht jede Oxidation ein Verbrennungsprozess ist.
Die Begriffe Oxidation oder Redoxreaktion sind viel weiter gefasst als der der Verbrennung und in einem anderen Beitrag erläutert.
Bedingungen für die Verbrennung
Feuer hatte seit Beginn der Menschheitsgeschichte eine vielseitige Bedeutung (Bild 1). Ein Feuer zu entfachen gelingt nicht immer auf Anhieb. Es müssen einige Bedingungen erfüllt werden.
Wie entsteht Feuer – Erklärung anhand einer Kerze
Schon anhand einer Kerze kann man ermitteln, welche Voraussetzungen gegeben sein müssen, damit ein Feuer entsteht.
Entzündet man eine bisher nicht benutzte Kerze, dauert es eine kleine Weile bis der Docht brennt. Durch die Wärme des brennenden Dochtes wird das Kerzenwachs erhitzt und beginnt sich zu verflüssigen. Das flüssige Wachs brennt nicht. Durch die herrschende Temperatur, beginnt es jedoch zu sieden und wird gasförmig. Das Gas (Wachsdampf) entzündet sich. Dazu muss es eine bestimmte Temperatur, seine Entzündungstemperatur, erreicht haben.
Der Docht der Kerze hat die Aufgabe dafür zu sorgen, dass das flüssige Wachs nach oben steigt. Der Docht allein würde sehr schnell verglühen. Um den Docht herum verbrennt also das gasförmige Kerzenwachs. Dabei sehen wir Licht und spüren Wärme, nehmen eine Flamme wahr. Die Flamme selbst ist also nichts anderes als brennendes Gas, alle Flammen sind brennende Gase.
Brennende Kerzen werden kleiner, weil das Kerzenwachs verbrennt. Kerzenwachs ist ein brennbarer Stoff. Solche Stoffe werden als Brennstoffe bezeichnet. Das Vorhandensein eines Brennstoffs stellt ebenfalls ein wichtige Voraussetzung für die Entstehung und Erhaltung eines Feuers dar. Zu den Brennstoffen gehören z. B. Holz, Papier, Kohle und Heizöl. Auch diese Brennstoffe müssen erst erhitzt werden, um Gase zu bilden. Beim Erreichen ihrer Entzündungstemperatur beginnen diese zu brennen. Stülpt man ein Glas über diese Kerze, geht sie nach einiger Zeit aus. Für die Verbrennung muss also die Zufuhr von Sauerstoff gewährleistet sein.
Drei Bedingungen für das Entstehen von Feuer
Für das Entstehen von Feuer müssen 3 Voraussetzungen erfüllt sein: Die wichtigste Grundvoraussetzung ist, dass brennbare Ausgangsstoffe vorhanden sind, zum Beispiel Holz oder Papier.
Diese Stoffe reagieren mit dem Sauerstoff, der zu einem großen Teil in der Luft enthalten ist (21 %). Es läuft eine chemische Reaktion ab.
Ein brennbarer Stoff und Sauerstoff allein genügen aber noch nicht für die Entstehung eines Feuers.
Für jeden Stoff ist eine unterschiedliche Temperatur, die sogenannte Entzündungstemperatur, notwendig, um das Verbrennen beginnen zu lassen.
Je besser die Ausgangsstoffe durchmischt sind, desto schneller und erfolgreicher verläuft die Verbrennung (Oxidation). So brennen zum Beispiel Holzspäne besser als ein Baumstamm. Die unterschiedliche Größe der Holzstücke zeigt, dass auch der Zerteilungsgrad von Stoffen eine wichtige Rolle beim Entzünden eines Feuers spielt. Ist der brennbare Stoff sehr fein zerteilt, erfolgt die Durchmischung mit Luft viel leichter. Ein ausreichender Zerteilungsgrad ist eine wesentliche Bedingung, damit etwas zu brennen beginnt.
Energieänderungen bei Verbrennungen
Bei allen chemischen Reaktionen finden Energieänderungen statt. Energieformen werden ineinander umgewandelt. Bei einigen chemischen Reaktionen erfolgt eine Energieabgabe. Auch beim Verbrennen von Kerzenwachs handelt es sich um eine exotherme Reaktion, denn es wird ebenfalls Energie in Form von Wärme und Licht abgegeben. Die bei der Verbrennung von Kohle, Erdgas, Erdöl, Heizöl frei werdende Wärme wird zur Erzeugung von Elektroenergie, zum Heizen und zum Kochen eingesetzt.
Die Verbrennung ist eine exotherme Reaktion, da Wärme an die Umwelt abgegeben wird.
Menschliches Leben und technischer Fortschritt sind auch heute ohne Verbrennungsprozesse nicht denkbar. Da jedoch bekannt ist, welche verheerenden Folgen Brände haben können, ist es notwendig, Brände zu verhindern. Dafür muss mindestens eine der genannten Bedingungen fehlen. Daraus ergeben sich auch die Maßnahmen zum Löschen eines Feuers:
- Entfernen des brennbaren Stoffs oder
- Unterbinden der Luftzufuhr oder
- Herabsetzen der Temperatur unter die Entzündungstemperatur des Stoffs.
Eine Reihe von Bränden darf niemals mit Wasser gelöscht werden.
Brände von Flüssigkeiten, die nicht mit Wasser mischbar und leichter als Wasser sind (Benzin, Petroleum, Dieselöl)
Diese Flüssigkeiten schwimmen auf dem Wasser und würden nur weiter verteilt werden. Dadurch kämen sie noch besser mit dem Sauerstoff der Luft in Kontakt, die Flammen würden sich verstärken. Ein Beispiel für diese Art von Bränden stellen einige Küchenbrände dar. Wenn sich z. B. das Fett oder Öl in der Bratpfanne entzündet hat, darf auf keinen Fall mit Wasser gelöscht werden. Wenn Öl in einer Bratpfanne brennt, kann der Brand durch Abdecken beispielsweise mit einem feuchten Handtuch gelöscht werden.
Für die Brandbekämpfung dieser Brände muss ein Schaumfeuerlöscher oder Trockenfeuerlöscher zur Unterbindung der Luftzufuhr genutzt werden. Trockenlöscher enthalten als Löschmittel Natriumhydrogencarbonat, sie geben ein nicht brennbares Gas (Kohlenstoffdioxid) ab. Dadurch wird die Flamme erstickt. Beim Schaumlöscher wird das Löschmittel aufgeschäumt und der Brandherd eingeschlossen.
Brände an elektrischen Leitungen
Löschwasser enthält gelöste Salze und ist dadurch ein relativ guter Leiter für den elektrischen Strom. Hier muss zuerst die elektrische Anlage abgeschaltet werden. Zum Löschen dieser Brände werden ebenfalls Kohlenstoffdioxidfeuerlöscher und (Trockenlöscher) verwendet.
Brände von Leichtmetallen wie Aluminium und Magnesium
Bei diesen Metallen handelt es sich um besondere Metalle. Sie brennen nicht nur an der Luft. So ein Leichtmetallbrand wird nicht einmal von Wasser gelöscht! Kommen die brennenden Metalle mit Wasser in Berührung, kann es zu Explosionen kommen.
Nachdem man den Brandherd lokalisiert und die brennbaren Materialien aus der Nähe entfernt hat, wird der Brandherd mit trockenem(!) Sand abgedeckt, um die Luftzufuhr zu unterbinden. Diese Art von Bränden hat besondere Bedeutung im Chemieunterricht, da dort mit Magnesium gearbeitet wird.
Wenn Gase explodieren
In dem Fall, dass die brennbaren Ausgangsstoffe nicht fest oder flüssig, sondern gasförmig sind, findet oft eine besonders heftige Reaktion mit dem Sauerstoff statt.
In kürzester Zeit wird extrem viel Wärme frei, wodurch sich die Reaktionsgeschwindigkeit extrem beschleunigt. Die gasförmigen Reaktionsprodukte dehnen sich augenblicklich stark aus und verdrängen die Luft und es kommt zu einem Knall.
Diesen Vorgang bezeichnet man als Explosion.
Typische Beispiele hierfür sind Gasexplosionen nach dem unkontrollierten Ausströmen von Erd- oder Stadtgas, „schlagende Wetter“ im Bergwerk (Gemische aus dem Grubengas Methan und Luft explodieren beim Erreichen der Entzündungstemperatur des Methans).
Auch fein verteilte Feststoffe können explosionsartig verbrennen. Beispiele dafür sind Kohlestaubexplosionen in Bergwerken oder in der Kohle verarbeitenden Industrie bzw. Explosionen von Mehlstaub-Luft-Gemischen in Getreidemühlen.
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