Vad händer då något brinner?

Kemisk bakgrund

Brandtriangeln

Enligt den sk brandtriangeln så behövs tre saker för att en brand ska uppstå: syre, brännbart föremål samt värme.

Första delen, syret finns det gott om luften omkring oss och är den absolut vanligaste förbränningsgasen (i vissa enstaka fall kan fluor eller klor vara ersättare).

Luften innehåller ungefär 21 % syre och skulle den innehålla en högre halt så skulle antalet bränder troligtvis öka rejält.

En pulverbrandsläckare t.ex. fungerar genom att pulvret som sprutas över elden tar värme från elden när det sönderdelas till koldioxid. Nedkylningen av elden är den viktigaste effekten av pulvret (höger sida av brandtriangeln). Men den utvecklade koldioxiden bidrar även till släckningen genom att den hindrar nytt syre att komma i kontakt med elden och kväver på så sätt den (vänster sida av brandtriangeln).

Sedan behövs ett brännbart ämne. Vanligtvis tänker man nog på trä och papper men många fler ämnen än man normalt tänker på som brännbara kan fås att brinna. Vid stora skogsbränder är ett sätt att hindra dem helt enkelt att såga ned skogspartier som ligger intill elden för ta bort det brännbara materialet för elden. På så sätt dör elden ut när materialet tar slut. De ämnen som man inte kan få att brinna vid rumstemperatur kan börja brinna om man ökar syretillförsel eller värmen.

Antändningstemperaturer Flampunkter

Till sist behöver man också värme, alla brännbara ämnen måste uppnå en viss temperatur innan de kan brinna. Vissa ämnen kan brinna redan vid rumstemperatur men de flesta behöver först upphettas.

Den lägsta temperatur vid vilken en vätska avger antändbara halter av ångor kallas flampunkt. Ju lägre denna punkt är desto brandfarligare är vätskan. Bensin har en flampunkt som ligger på -30 °C och är därför mycket brandfarligt och det är därför det är förbjudet att röka vid bensinmackar. Ligger flampunkten över rumstemperatur behöver man oftast värma vätskan innan antändbara ångor avges.

För fasta ämnen talar man istället om antändningstemperatur. Det är den temperatur bränslet måste upp till för att kunna brinna. Socker som man normalt inte tänker på som ett brännbart ämne kan man dock få att brinna, men det måste då först värmas till ca 400 °C.

Här visas ett par bilder. Den vänstra visar några olika antändningstemperaturer och den högra några flampunkter.

Fotogenlykta
Foto: © Svante Åberg, Umeå Universitet
Det gula ljuset, som en vanlig eld avger, brukar bildas i det som kallas för kolzonen, detta på grund av att den består till stor del av kol från sönderdelade kolväten. Kolet som värms upp blir så varmt att det börjar glöda och sänder då ut ljus. Ljuset består av alla färger men det är i huvudsak det gula ljuset som syns för ögat.

Av den energi som förbrukas vid en eld är det bara en bråkdel som blir ljus, det mesta omvandlas till värme. När man släcker en fotogenlampa eller ett stearinljus så kan man ibland de det stiger lite rök från veken, denna rök kommer från att den varma veken förångar kolväten ur fotogenet/stearinet och dessa kondenseras senare i luften. Tänder man en tändsticka och för den mot molnet kan lågan tändas igen genom att elden går från stickan via rökstrimman och fram till veken.

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".