Представьте, что вы сидите перед костром. В воздухе дымный аромат, а на открытом огне кипит кастрюля с супом. Глядя на мерцающие оранжевые языки, вы можете задаться вопросом: почему поленья горят, а металлическая кастрюля нет? Костер из дров можно зажечь от спички, а из железных прутьев нет - для металлов потребуются промышленные условия.
Причина, по которой одни вещи загораются, а другие нет, кроется в их химических связях и энергии, необходимой для изменения или разрыва этих связей.
Но сначала о самом огне. Для существования огня необходимо несколько составляющих: кислород, тепло и топливо.
Кислород — это газ, который содержится в воздухе. Тепло можно создать трением. Например, когда вы чиркаете спичкой. Топливо — это то, что горит. Как правило, это может быть всё, что состоит из органических материалов. В данном случае под "органическими" подразумеваются молекулы, состоящие в основном из углеродно-водородных связей и иногда включающие кислород или другие атомы, такие как фосфор или азот.
Горение — это химическая реакция, в результате которой высвобождается энергия из нестабильной системы с относительно слабыми химическими связями. Система же будет стремиться к стабильности
Такие материалы, как дерево и бумага, которые легко загораются, сделаны из целлюлозы. Это органическое соединение, состоящее из углерода, водорода и кислорода.
Во время горения высвобождается много энергии и вся система переходит в состояние с более низкой энергией. И эта энергия должна куда-то деваться.
Когда загорается предмет из дерева, целлюлоза, из которой состоит дерево, превращается в углекислый газ и водяной пар — стабильные молекулы с прочными связями. Энергия, выделяемая при этой химической реакции, возбуждает электроны в атомах газа, которые, в свою очередь, излучают видимый свет. Этот свет мы наблюдаем в виде пламени.
Вернемся к горящему полену и горячей кастрюле с супом. Разница между поленом и металлической кастрюлей в том, насколько хорошо материал может распределить энергию, возникающую при воздействии на него огня. Проще говоря, все сводится к тому, насколько прочны его химические связи.
Химические связи в металле легко разрушить не получится. Металл будет нагреваться, "поглощая" энергию пламени. В дальнейшем, металл рассеивает эту тепловую энергию в окружающую среду.
У куска дерева нет таких прочных связей. Вместо того чтобы поглощать энергию, дерево высвобождает ее, загораясь.
Если поднести пламя к бумажному стаканчику, наполненному водой, стаканчик не загорится. Поскольку вода в стаканчике поглощает тепло.
Есть ряд металлов, которые горят. Например, калий и титан используются для изготовления фейерверков. Металлы в фейерверках находятся в виде порошка, что обеспечивает большую площадь поверхности. Так они быстрее вступают в реакцию с теплом и кислородом.
Когда эти металлы подвергаются воздействию тепла, достаточного для реакции с кислородом, количество выделяемой энергии заставляет их гореть разными цветами.
Также ряд металлов используется, как горючее в ракетном топливе. Температура их горения - на уровне 1200 и выше градусов. Для сравнения, у дерева этот показатель, в зависимости от породы, варьируется от 450 до 1000 градусов. Проще всего разжечь тополь, иву и сосну. А сложнее всего - бук и ясень.
Так что вопрос лишь в количестве энергии и кислорода. Просто их в природных условиях, как правило, недостаточно. Поэтому костер из поленьев в лесу организовать просто, а из железных балок - нет.
Егор Александров, специально для канала "Популярная наука"