Горение — это химическая реакция, если точнее — окислительно-восстановительная. Окислителем в условиях нашей атмосферы обычно выступает кислород, но им могут быть и другие вещества, например, бертолетова соль или фтор. А восстановитель мы чаще всего называем горючим или топливом (хотя топливо — это смесь горючего и окислителя).
Ещё одно важное свойство горения, которое нужно помнить, — это реакция с выделением тепла. Горение — цепная реакция, она происходит стадийно. Давайте посмотрим на пламя зажигалки и соотнесём цвет со стадиями.
Смотрим снизу вверх. Первая зона — голубого цвета, она соответствует начальным реакциям окисления топлива. В ней исходная, крупная молекула углеводорода «разваливается» на меньшие — например, C2 или СН. Тепло, то есть энергия, которая выделяется в ходе реакции, поглощается в том числе и этими небольшими продуктами окисления. Они переходят в более высокое энергетическое состояние, или, как говорят химики, становятся возбуждёнными.
Долго находиться возбуждёнными они не могут и вскоре отдают «лишнюю» энергию, испуская её в виде фотонов, и мы видим свет. Чем больше «лишней» энергии, тем короче длина волны испускаемого света. Самая короткая длина волны, которую видит человеческий глаз, соответствует голубому цвету. Помимо продуктов горения углеводородов, в этой области излучение может принадлежать возбуждённым молекулам воды или окисленному водороду. То есть за голубой цвет пламени отвечают возбуждённые состояния некоторых лёгких продуктов горения.
Интересный факт: синий цвет часто ассоциируется с чем-то холодным. Но в пламени голубая часть, напротив — самая горячая. Температура там может превышать 2000 градусов. В таких условиях газ становится ионизированным. Вы можете проверить это с помощью мультиметра, измерив сопротивление голубой области пламени зажигалки.
Вторая зона — оранжевая, она соответствует более поздним стадиям горения, при которых образуются твёрдые продукты — конденсированная фаза углерода или частицы сажи. Они формируются, когда углеводороды окисляются (или сгорают) не полностью. В таком случае углеводороды соединяются в длинные цепочки и кольца, образуя графеновые плоскости. Частицы сажи напоминают луковицу, где каждый слой — слой графена. Диаметр такой луковицы составляет 20–100 нанометров. Эти частицы сильно нагреваются в пламени, а значит, имеют широкий тепловой спектр излучения. Но мы воспринимаем лишь то, что находится в видимой области спектра, сочетание цветов различной интенсивности воспринимается нашим глазом как оранжевый. Чем выше температура пламени, тем ярче и «белее» свет в этой области.
Ещё интересный факт: когда-то фонари работали как раз по этому принципу, используя в качестве рабочего тела горючий газ, например ацетилен. Ацетилен — углеводород, при горении которого выделяется самое большое количество энергии среди других углеводородов. Из-за его структуры и относительно высокой доли углерода в молекуле образуется очень много сажи. Поэтому ацетиленовые фонари, с одной стороны, светили ярко, но с другой, быстро покрывались копотью.
Практика
Теперь вы можете попытаться ответить на вопрос: «Почему у газовой плиты пламя голубое, а у костра — оранжевое?» Потому что в плите горит относительно лёгкий углеводород в присутствии большого количества окислителя. Он сгорает полностью, и голубым светятся лишь самые лёгкие продукты реакции. Частиц сажи в нём не образуется. В костре, наоборот, образуется много копоти, и за жёлтый цвет костра отвечает тепловое излучение наночастиц сажи, образующихся в результате неполного сгорания.
Пламя может иметь и непривычный нам цвет, потому что его могут окрашивать различные примеси. Порой, смотря на костёр, можно заметить отдельные яркие жёлтые траектории частичек. В процессе горения дерева появляется зола, в которой содержатся соли, в том числе и соли натрия. Именно натрий обладает свечением в жёлтой области спектра. Но различить натрий получается не всегда на фоне непрерывного теплового свечения сажи. Борная кислота придаст пламени зелёный цвет, а фиолетовым «горит» калий. Окрасить пламя в синий может мышьяк.
