Verbrennung (Chemie)
Eine Verbrennung ist eine Reaktion, bei der ein Stoff mit Sauerstoff oder einem anderen Gas reagiert. Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter einer Verbrennung die Redoxreaktion eines Materials mit Luftsauerstoff. Eine Verbrennung kann heftig in Form eines Feuers oder langsam und relativ kalt etwa beim Verrosten von Metallen oder innerhalb eines Lebewesens bei der "Verbrennung", also der Oxidation, von Nährstoffen ablaufen.
Bei den Feuerwehren werden die brennbaren Stoffe entsprechend in Brandklassen eingeteilt.
Die Verbrennung in einem Feuer kann kontrolliert (Nutzfeuer) zum Beispiel in einem Ofen oder Lagerfeuer, oder unkontrolliert (Schadfeuer) bei einem Brand erfolgen.
Verbrennungen, die mit einer sehr hohen Geschwindigkeit und nahezu schlagartig erfolgen, bezeichnet man als Explosion.
Verlauf
Bei der Verbrennung reagiert eine Substanz chemisch mit Sauerstoff oder (selten) einem anderen Gas. Dabei werden Wärme und Licht freigesetzt.
Bei den meisten Stoffen, die zur Wärmeerzeugung verbrannt werden, reagieren Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff. Es entsteht dabei sichtbarer Rauch, der aus Kohlenmonoxid (wenn nicht genügend Sauerstoff vorhanden ist), Kohlendioxid und Wasser besteht.
Die Substanz kann fest (beispielsweise Holz, Kohle), flüssig (Benzin, Alkohol), flüssig werdend (Wachs) oder gasförmig (Methangas, Erdgas) sein. Allerdings oxidieren nur gasförmige Stoffe. Nichtgasförmige Stoffe müssen durch vorherige Energiezufuhr (beispielsweise brennendes Streichholz, Reibung,...) in den gasförmigen Zustand überführt werden.
Es können auch Stoffe ohne den Einfluss von Sauerstoff verbrennen, so beispielsweise Fluor mit Wasserstoff. Hierbei entsteht Fluorwasserstoff, welcher in wässriger Lösung die Fluorwasserstoffsäure bildet, die beispielsweise zum Ätzen von Glas geeignet ist.
Voraussetzungen für eine Verbrennung
- Brennbares Material in ausreichender Menge
- Oxidationsmittel, meist Sauerstoff
- Wärme, um die Zündtemperatur zu erreichen, oder die Mindestverbrennungstemperatur zu halten
- Das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas
- Ein Katalysator
Verbrennungs-Geschwingkeit
Beim brennbaren Material kann es nur zur Odixation kommen, wenn ein einzelnes Atom oder Molekül des Brennstoffs mit Sauerstoff in direkten Kontakt kommt.
Daher sind für die Verbrennungs-Geschwingkeit die Verfügbarkeit von Sauerstoff und sein inniger Kontakt mit dem Brennmaterial maßgeblich.
Die Versorgung mit Sauerstoff kann man durch stete Zufuhr von Frischluft erreichen, indem man z.B. in ein Holzfeuer bläst. Für Holzfeuer ist der Kamin dabei ein ideales Hilfsmittel. In dem sich verengenden Kaminrohr steigen die erwärmten Abgase schnell auf und erzeugen einen steten Unterdruck um das Feuer. Dieser saugt permanent frische Luft heran. Eine extreme Ausprägung sind der Feuersturm bzw. Waldbrände, die durch Winde, z.B. den Mistral, angefacht werden.
Die meisten Löschverfahren beruhen darauf, die Luftzufuhr zu unterbrechen (Löschdecke, Schaum, Feuerlöscher...).
Um den innigen Kontakt herzustellen, muss man die Oberfläche des Brennstoffs vergrößern. Ideal ist es dabei, den Brennstoff in ein Gas zu verwandeln. Genau dies passiert bei der Kerze: am Boden des Dochts schmilzt Wachs, steigt dann als Flüssigkeit auf und verdampft an der heißen Spitze. Das verdampfte Wachs verbrennt schließlich.
Ein weiteres anschauliches Beispiel ist die Mehlstaubexplosion. Diese kann man auch zuhause nachstellen: einfach etwas Mehl in eine Kerzenflamme blasen. Das ansonsten unbrennbare Mehl wird durch die Zerstäubung brennbar und reagiert heftig. Beim Ottomotor und Dieselmotor erfolgt ebenfalls eine Verdampfung bzw. Zerstäubung. Flüssiger Dieselkraftstoff ist bei Raumtemperatur unbrennbar. Erst durch Zerstäubung in einer Einspritzanlage wird er brennbar. Über Benzin steht bei Raumtemperatur immer eine Benzindampfwolke. Daher ist Benzin sehr leicht entzündlich.
Die maximale Steigerung der Verbrennungs-Geschwingkeit erreicht man, indem man den Sauerstoff chemisch mit dem Brennmaterial mischt. Viele Sprengstoffe beruhen auf diesem Prinzip, z.B. Nitroglyzerin. Dort liegt eine große Anzahl von Sauerstoffatomen (Nitrat-Enden) in einer indirekten chemischen Bindung mit Kohlenstoff und Wasserstoff vor. Die Substanz ist instabil. Bereits bei Erschütterung reagiert der Sauerstoff mit dem Kohlenstoff: er wandert aus den Nitrat-Enden zum Kohlenstoff und verbindet sich mit ihm (und dem Wasserstoff). Durch die sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeit findet eine spontane "Verbrennung" statt: es kommt zur Explosion (dabei findet außerdem eine Vervielfachung des Volumens statt, was die enorme Druckwirkung verursacht).
Auch die Treibsätze von Feststoffraketen bringen den Sauerstoff im Treibsatz selbst mit. Ein Raumschiff muss den Sauerstoff für die Verbrennung grundsätzlich selbst mitbringen, da es im Vakuum des Weltalls keinen Sauerstoff gibt.