Tänd ett släckt ljus med hjälp av röken

Kemisk bakgrund

Lågans kemi

Det enklaste exemplet på förbränning är en isolerad flamma som uppstår då ett stearinljus brinner.

Strax ovanför och runt om en brinnande veke finns en mörk zon och ovanför denna en ett lysande gult område. Längst ner är lågan ljust blå. Temperaturen i den mörka zonen är ganska låg, omkring 600 °C. I mitten av den gula lågan är temperaturen omkring 1200 °C och i ytterkanterna av den gula lågan omkring 1400 °C. Förbränningszonen (reaktionszonen) utgörs av den ljusa blå zonen längst ner och de yttre delarna av det gula området.

Bild: © Svante Åberg

Bränslet utgörs av det flytande smälta stearinet som bildas som en liten pöl i stearinljuset. Värmen från stearinljusets flamma räcker för att smälta stearinet, men räcker inte till för att förånga det. Stearinet måste därför förflyttas genom veken till flamområdet, där det är varmare och där det kan förångas. Storleken på veken reglerar mängden. Det förångade bränslet samlas sedan kring veken. I mitten av stearinljusets flamma (i den mörkare zonen av flamman) bryts de komplexa kolväten som stearinet består av ner till enklare beståndsdelar, en procees som kallas pyrolys. Gasen cirkulerar sedan i mittområdet innan det når förbränningszonen. Där blandas de med sedan med syremolekyler från den omgivande luften. Det kallas diffusion och innebär att ett transportförlopp resulterar i en sammanblandning av två eller fler gaser eller vätskor. När de fått en viss proportion till varandra och är tillräckligt varma för att antända, sker en exoterm kemisk reaktion. Då avges värme, vilket resulterar i en flamma. Gasblandningen förbränns. Den synliga lysande delen av flamman är värmestrålning från glödande sotpartiklar. Denna del kallas också för kolzonen eftersom det består av sotpartiklar av kol.

Vid oxidation i förbränningszonen bildas koldioxid (CO₂), kolmonoxid (CO), vatten (H₂O) och värme. Koloxider och vatten, som har producerats i förbränningszonen, avges till omgivningen i form av ånga. Detta ser man om man håller ett stycke kall metall, t ex en sked strax ovanför lågan. Ångan kondenseras då på metallen.

Den inre delen av flamman som är fylld av bränslegas, innehåller för lite syre för att förbränning ska kunna äga rum. Blandningens koncentration är för hög. Förbränning sker bara i de yttre delarna av lågan där bränslegas och syre har diffunderat i varandra.

Flamman från ett stearinljus är en typisk diffusionsflamma där bränslegas och syre från luften strömmar jämsides med varandra med ungefär samma, ganska låga hastighet. Sammanblandningen sker jämsides och förbränningen i förbränningszonen blir jämn.

Vid direkt oxidation måste det som ska brinna först värmas upp till antändningstemperatur. Därefter oxideras de olika beståndsdelarna, alla lika snabbt, under utveckling av värme.

En flamma är ett gasfasfenomen. Brännbara vätskor och fasta material måste därför omvandlas till en gas innan de kan brinna med en flamma. Oxidationen (förbränningen) fortsätter så länge gasen och luftens syre är blandade i koncentrationer som är brännbara och temperaturen på blandningen är minst lika hög som antändningstemperaturen.

Varför går det att tända ljuset med hjälp av röken?

Bild: © Svante

Om du blåser ut ljuset kommer du att se en strimma vit rök. Den består av kolväten som förångats från den ännu varma veken och sedan kondenserats till ett aerosolmoln av droppar med en medeldiameter om ungefär 0,15 mikrometer. Om du snabbt för en tänd tändsticka mot rökstrimman kommer denna att fatta eld och flamman röra sig ned mot veken och antända den senare på nytt.

Antändningstemperatur

Den temperatur vid vilken ett ämne börjar brinna kallas antändningstemperatur. Stearin har en antändningstemperatur på ca 400 °C.

Flampunkt

Den lägsta temperatur vid vilken en brännbar vätska avger ångor som kan antändas kallas flampunkt. Om flampunkten ligger över rumstemperatur behöver vätskan i regel värmas innan den avger ångor som går att antända.

Olika sorters ljus

Innan stearinljuset kom användes fett av olika slag t ex sälspäck och tran. Talg kom sedan att användas vid ljustillverkning. Så småningom kom även ljus tillverkade av bivax.

Stearin kommer från vegetariska och animaliska fetter som består av en blandning mellan stearinsyra (C₁₇H₃₅COOH) och palmitinsyra (C₁₅H₃₁COOH). Båda dessa är mättade organiska syror. Stearin är en ren naturprodukt och därför miljövänlig, och det sotar inte under förbränning.

Paraffin är en oljebaserad råvara. De är mjukare än stearinljus och kan böja sig vid värme. För att ljus gjorda av ren paraffin inte skall rinna doppas de i specialvax som höjer smältpunkten. Värmeljus är i allmänhet gjorda av paraffin.

Kompositionsljus är gjorda av en blandning av stearin och paraffin. Dessa ljus har goda brinnegenskaper.

Veken

Veken har till uppgift att minska mängden bränsle som värms så att temperaturen kan bli tillräckligt hög för att det ska bildas gaser av bränslet. Det är lättare att antända en mindre mängd än en större. Veken är tillverkad av flätad bomullstråd som betas med borsyra, salmiak och fosfater. Detta gör man för att undvika att den ska brinna för snabbt och ryka. Veken flätas platt så att den böjer sig utåt när den förkolnar. Om veken blir för lång kommer för mycket bränsle att tillföras lågan. Sotpartiklarna förbränns då inte och lågan kommer då att sota.

Fördjupning

Brand

Med brand menas ofta eld som man tappat kontrollen över, åtminstone delvis. Ett gammalt talesätt är att ”elden är en god tjänare, men en sträng herre”. Risken för eldsvåda var mer näraliggande förr i tiden när husen var timrade, taken var täckta med träspån och man eldade i spisen för att laga mat och få värme. Små misstag, som att en gnista hamnade på fel ställe där den kunde starta en eld, kunde lätt ske.

Numera är riskerna för bränder mindre, men bränder orsakar fortfarande stora skador och tar ibland liv. Enligt statistik är de vanligaste orsakerna till brand i bostaden elfel, levande ljus, rökning, och köksspisen. Slarv och misstag ligger bakom flertalet bränder, men också bristande underhåll av till exempel elektrisk utrustning eller utebliven sotning av skorstenar.

Förutsättningar för brand illustreras av brandtriangeln

Brandtriangeln anger vad som krävs för brand.

"Fire triangle" av Gustavb" CC BY-SA 3.0

Eld är en kemisk reaktion där brännbara gaser reagerar med luftens syre under stark värmeutveckling. Vi ska titta närmare på vad som krävs för att underhålla en brand. En symbolisk figur som beskriver detta är den så kallade brandtriangeln. Om alla tre sidorna i triangeln föreligger, så är brand möjlig.

Det som behövs är: bränsle, syre, värme.

Bränsle

Bränsle är sådant som kan reagera med oxidationsmedel, såsom luftens syre.

Bränslet är nästan alltid organiskt material som har bildats med hjälp av fotosyntesen. Energin i solstrålningen har på så sätt lagrats i biomassan.

Ved är ett exempel på bränsle som bildas kontinuerligt i våra skogar. Kol, olja och naturgas är fossila bränslen som en gång i tiden var ved, blad och döda djur som gömdes under sediment och så småningom under årmiljonerna omvandlades till sin nuvarande form. De fossila bränslena skapades också genom fotosyntesen, vare sig de kommer från växter eller djur. Djuren fick ju sin energi genom att äta av växterna.

I princip kan även metaller vara bränslen, men det är ovanligt. Aluminium eller magnesium i är dock mycket brandfarligt om man väl fått eld på det. I solida block antänds metallen inte så lätt, men i pulverform kan branden bli explosionsartad.

Om det saknas bränsle, så kan det inte brinna. Stoppar du inte in fler vedträn i brasan, så kommer veden att ta slut och elden slockna, även om eldstaden är tillräckligt het och det är god syretillförsel.

Syre

Syret har förmågan att oxidera bränslet. Elden är alltså en redoxreaktion där syret är oxidationsmedel och bränslet reduktionsmedel. Även andra oxidationsmedel än syre kan underhålla förbränning. Till exempel kan man lika gärna elda i klorgas som i syrgas. Men syret finns ju överallt i luften, så i praktiken är det syret vi talar om när vi pratar om brand.

När syret reagerar med bränslet så sker en förbränning, vilket innebär att kol och syre bildar koldioxid och väteatomer i bränslet reagerar med syre till vatten. Har vi ett "rent" bränsle, så blir reaktionsprodukterna bara koldioxid och vatten. Förbränningsreaktionen är exoterm, dvs. avger värmeenergi. Kvar blir reaktionsprodukterna koldioxid och vatten, som är energifattiga.

Det krävs en kontinuerlig syretillförsel för att branden ska fortsätta. Om man täcker över elden, så kommer syret inte åt. Då slocknar elden. Vill man i stället få igång elden, så kan man blåsa på den. Den ökade syretillförseln ökar på reaktionshastigheten. Den ökade reaktionen ger kraftigare värmeutveckling och elden flammar upp.

Det är också den ökade syretillförseln som gör att brandrisken är mycket större när det blåser. Det handlar inte bara om att gnistor kan flyga med vinden och antända nytt bränsle, utan också om att värmeutvecklingen blir mycket kraftigare.

Värme

En låga kräver att bränslet är i gasform.

Om bränslet är t.ex. acetylen, så är det i gasform redan från början. I en acetylensvets blandas gas från acetylentuben med syret från syrgastuben i svetsmunstycket. Bränslemolekylerna och syrgasmolekylerna måste komma i kontakt med varandra för att reagera. I gasblandningen är denna kontakt mycket effektiv. Därför kan acetylensvetsen brinna med mycket hög temperatur.

Om bränslet är t.ex. ved, så måste veden förångas till gaser innan den kan börja brinna. Man kunde tänka sig att ett vedträ skulle kunna brinna på ytan där träet har kontakt med luften, men det blir för lite fart på reaktionen för att den ska kunna hålla igång.

Kraftig hetta får veden att sönderdelas och brytas ned till brännbara gaser. Denna process kallas för pyrolys. Om man lyckats få igång en brasa, så utvecklas tillräckligt med värme vid förbränningen för att ytterligare ved ska pyrolyseras och avge brännbara gaser. På så sätt kan elden fortsätta brinna.

Kedjereaktion

Om det finns mycket bränsle, god syretillförsel och bränslet är både torrt och finfördelat, så som det kan vara efter torka i en skog med mycket kvistar och barr, så kan brandutvecklingen bli nästan explosionsartad. Värmeutvecklingen blir så hög att inte bara bränslet närmast veden antänds, utan även brännbart material på avstånd tar eld.

I en lägenhet kan också hettan blir så stor att lägenheten plötsligt övertänds och branden blir explosionsartad. Det har att göra med den starka värmeutvecklingen som ökar på bildningen av brännbara gaser, som i sin tur ökar på värmeutvecklingen i en kedjereaktion. Det var erfarenheter av sådana bränder som gjorde att man beskrev elden som "en sträng herre".

Elektromagnetisk strålning

Elektromagnetisk strålning består av fotoner, energipaket utan massa som rör sig med ljusets hastighet. Fotonens energi är oförändrad så länge som den inte kan utbyta energi med någon partikel eller annan foton som den kolliderar med.

Fotonen har både partikelegenskaper och vågrörelseegenskaper.

Fotonens energi

Fotonens energi har ett direkt samband med ljusets våglängd:

E = hc/l, där

E = energi
h = Plancks konstant = 6.626070040×10⁻³⁴ J·s = 4.135667662×10⁻¹⁵ eV·s
c = ljusets hastighet i vacuum = 299792458 m/s
l = ljusvåglängden

Om man sätter in värdet på Plancks konstant och ljushastigheten blir uttrycket

E(eV) = 1,2398/l(mm)

mer material på grundnivå kommer

Ljusabsorption och emission

Energiutbyte genom ljusabsorption

När en foton kolliderar med en atom (eller molekyl) kan den avge sin energi till atomen (molekylen). Atomen (molekylen) exciteras till ett högre energitillstånd samtidigt som fotonen antingen släcks ut helt, ifall den tappar all sin energi, eller omvandlas till ljus med större våglängd och därmed lägre energiinnehåll.

Energiutbyte genom ljusemission

Exciterad materia kan också göra sig av med extra energi i form av fotoner. Ett exempel på detta är när materia upphettas till den blir glödande, så kallad svartkroppsstrålning. Ett annat exempel är när en kemisk reaktion utvecklar energi som avges i form av ljus, så kallad kemiluminiscens.

mer material på grundnivå kommer

Svartkroppsstrålning

Svartkroppsstrålning är värmestrålning

Alla varma kroppar sänder ut värmestrålning. Det vi normalt sett uppfattar som värmestrålning ligger det infraröda våglängdsområdet med l = 700 nm – 1 mm (motsvarande 0,7 – 1000 mm). Strålningen ligger utanför det synliga ljusets våglängdsområde på den långvågiga sidan, dvs. bortanför det röda ljuset. Vi kan inte uppfatta den infraröda strålningen direkt med våra sinnen, men vi kan uppfatta strålningens effekter med känseln. Den infraröda strålningen värmer nämligen huden när den absorberas.

Svartkropsstrålningens spektrum

Svartkropsstrålning vid olika temperaturer. Photo credit: Darth Kule on Wikimedia Commons

Men värmestrålning kan förekomma i alla våglängdsområden. Det beror på den varma kroppens temperatur vilka våglängder som sänds ut. Riktigt heta kroppar, såsom elden, glödlampan eller solen, skickar ut värmestrålning med så korta våglängder att det hamnar i det synliga våglängdsområdet. Därför kan vi se ljuset från elden, glödlampan och solen.

Diagrammet till höger visar intensiteten i värmestrålningen för olika våglängder för några svartkroppsstrålare med olika temperatur. Temperaturen är angiven i Kelvin (K), dvs. absolut temperatur.

Solstrålningens spektrum. Photo credit: Nick84 on Wikimedia Commons

Nästa diagram till höger visar solstrålningens spektrum. Solens temperatur på ytan är cirka 5800 K. En del av solljuset som faller in mot jordytan absorberas i atmosfären eller reflekteras tillbaka ut i världsrymden. Det röda visar vad som faktiskt når markytan.

Man kan se att det synliga våglängdsområdet sammanfaller med den intensivaste strålningen från solen. Det är nog så att evolutionen har utvecklat ögat att registrera just dessa våglängder eftersom vi då får maximal känslighet för solljuset.

Svartkropsstrålningens färg

550 ⚬C

630 ⚬C

680 ⚬C

740 ⚬C

770 ⚬C

800 ⚬C

850 ⚬C

900 ⚬C

950 ⚬C

1000 ⚬C

1100 ⚬C

1200 ⚬C

1300 ⚬C

Man kan se på färgen hos en glödande het kropp ungefär vilken temperatur den har. En varm kropp börjar glöda med ett svagt rött sken när temperaturen når över 500 ^⚬C (motsvarande cirka 800 K). Det känner smederna väl till. Ju varmare järnet är, desto ljusare lyser det och färgen blir allt gulare för att till slut dra mot vitt. Om du ser att glöden i en brasa är ljust röd, så vet du att den är cirka 800 – 900 ^⚬C. Lågan i ett stearinljus, som är ljust gul, nästan vit, är cirka 1200 ^⚬C.

Solen, som är cirka 5800 K på ytan, har vit färg. Ju hetare kroppen är, desto blåvitare blir ljuset. Riktigt heta stjärnor har en blåvit färg.

Lågfärg hos kemiskt ämne

En kemilärare demonstrerar lågfärgen hos koppar. Photo credit: Connor Lee on Wikimedia Commons

En metod att undersöka vilka metalljoner som finns i ett salt är att titta på lågfärgen. Man löser lite av saltet i bränslet, som t.ex. kan vara metanol. Antänd bränslet och låt det brinna med god syretillförsel. Färgen på lågan avslöjar vilken metalljon som finns i saltet.

Några metallers lågfärger är

Litium: röd-rosa
Natrium: gul
Kalium: lila
Barium: blekt grön
Kalcium: orange
Koppar: blågrön