От чего зависит цвет пламени?

Горение — это окислительно-восстановительная реакция между топливом и окислителем. В зависимости от степени окисления цвет пламени в углеродном топливе также будет отличаться.

Вы, наверное, замечали, что пламя бывает разных цветов. Горящий фитиль свечи дает оранжево-желтое пламя, а газовая плита обычно дает голубое пламя. Другие элементы дают еще большее разнообразие цветов. Например, при горении куска магния образуется ярко-белое пламя, а при горении калия — фиолетовое пламя.

Горение, или сжигание, научно объясняется как «высокотемпературная экзотермическая окислительно-восстановительная реакция между топливом и окислителем». Это реакция, при которой выделяется большое количество тепла, что делает ее экзотермической. Окислительно-восстановительная реакция — это когда одно вещество восстанавливается (теряет кислород), а другое окисляется (приобретает кислород). Молекула, которая отдает кислород другому веществу, является окислителем. В данном случае топливо окисляется, а окислитель теряет кислород.

Огонь, или пламя, — это физический эффект горения, который виден невооруженным глазом (чаще всего). Так что же вызывает пламя разных цветов? И вообще, почему при горении образуется видимое пламя?

Почему образуется пламя?

Горение — это экзотермическая реакция. Слово «экзотермическая» состоит из двух частей: «экзо», что означает высвобождение, и «термический», что означает тепло. При протекании таких реакций выделяется значительное количество тепла.

Эти реакции выделяют тепло, потому что при химических изменениях молекул выделяется огромное количество энергии. Однако тепло — не единственная форма энергии. Эти реакции высвобождают энергию и другими способами, включая высвобождение энергии через фотоны, в результате чего образуется свет!

Для высвобождения фотонов требуется много энергии. Часто оно также сопровождается выделением большого количества тепла, особенно во время горения. Когда атомы высвобождают энергию, их электроны переходят в более низкое энергетическое состояние, и таким образом они излучают свет. Чтобы лучше понять это, необходимо знать некоторые основы об атомах и их орбиталях.

Атомы и их орбитали

Атомы — это основные строительные блоки всей материи во Вселенной. Они являются наименьшей функциональной единицей, из которой состоит вся органическая и неорганическая материя. Хотя атом можно разложить на части, его составляющие не могут существовать по отдельности. Сами по себе они физически не стабильны, поэтому атом — это наименьшая стабильная единица, которая может существовать сама по себе.

Составные части атомов следующие — нейтроны, протоны и электроны. Нейтроны и протоны связаны между собой и образуют центр, или ядро, атома. Они также составляют всю массу атома. Электроны, с другой стороны, чрезвычайно малы по размеру и имеют ничтожную массу по сравнению с компонентами ядра.

Электроны вращаются вокруг ядра атома, подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца в нашей Солнечной системе. Как и в Солнечной системе, в атоме тоже есть пути, по которым электроны вращаются вокруг протонов и нейтронов. Эти пути известны как орбитали.

Каждая орбиталь в атоме обладает определенной потенциальной энергией. Поэтому в зависимости от того, какую орбиталь он занимает, электрон будет иметь различные энергетические уровни. По мере удаления от ядра уровень энергии орбитали увеличивается. Электроны на этих орбиталях будут обладать более высокой энергией.

Возбуждение и девозбуждение электронов

Электроны на разных орбиталях имеют разные энергетические уровни. Уровень потенциальной энергии, которой обладает электрон, является его энергетическим состоянием. Электроны на более высоких энергетических орбиталях имеют более высокие энергетические состояния.

Электроны также могут переходить с одной орбитали на другую орбиталь внутри атома. Из-за различий в энергетических уровнях электроны также должны компенсировать это изменение энергии.

При переходе из более низкого энергетического состояния в более высокое электрон должен поглотить энергию из окружающей среды. Это известно как возбуждение электрона. При переходе из состояния с более высокой энергией в состояние с более низкой энергией электрон высвобождает энергию в свое непосредственное окружение. Это называется девозбуждением электрона.

Такой вид изменения энергии является центральным для большинства химических реакций. Все молекулы стараются достичь наименьшего возможного энергетического состояния, чтобы обрести стабильность. Во время горения атомы теряют много энергии, поэтому происходит девозбуждение электронов.

Как девозбуждение электронов приводит к появлению различных цветов света?

Как уже упоминалось выше, при освобождении электронов от возбуждения происходит высвобождение энергии в их непосредственном окружении. Одним из наиболее распространенных способов высвобождения энергии является излучение света. Когда электрон теряет энергию, он передает ее фотону.

Фотоны — это фундаментальные частицы света. Это субатомные частицы, которые не имеют массы и переносят энергию в форме света. По сути, весь свет состоит из фотонов. Длина волны излучаемого света зависит от энергии, поглощенной протоном.

Когда энергия электрона переходит в фотон, из атома испускается свет. В зависимости от изменения энергии электрона, энергия, передаваемая фотону, также будет меняться. Это приводит к тому, что при различных изменениях энергии излучаются различные длины волн света.

Поскольку различные длины волн соответствуют своим собственным индивидуальным цветам, это приводит к испусканию различных цветных огней. В зависимости от того, какая молекула подвергается сгоранию, изменяется энергетическое состояние электрона. Таким образом, сгорание различных веществ приводит к появлению разноцветного света.

Степень окисления углерода влияет на цвет пламени

Самые распространенные виды топлива, которые мы используем в повседневной жизни, имеют углеродную основу. От баллонов со сжиженным газом до свечного воска — в большинстве случаев в процессе горения вокруг нас используется углеродное топливо.

В таком случае, почему пламя свечи отличается от пламени газовой плиты? Из-за степени окисления, через которую проходит молекула углерода.

В присутствии достаточного количества кислорода все атомы углерода превращаются в углекислый газ, и пламя приобретает голубой цвет. Однако при отсутствии достаточного количества кислорода не весь углерод образует двуокись углерода. Также образуются угарный газ и твердые частицы углерода. Твердые частицы углерода образуют сажу.

Вы, наверное, заметили присутствие сажи в виде черноватого порошка. Сажа образуется, когда не хватает кислорода, чтобы окислить весь имеющийся углерод. Длина волны света, излучаемого частицами углерода, когда он не полностью окислен, соответствует желтому цвету.

С другой стороны, когда углерод находится в полностью окисленной форме, т.е. в углекислом газе, возбуждение электронов имеет другую энергию. В этом случае длина волны производимого света соответствует синему цвету.

В случае сложных молекул углерода, таких как воск, бумага и древесина, соотношение углерода и атмосферного кислорода очень велико. Кислорода в воздухе недостаточно, чтобы окислить все атомы углерода. Это приводит к появлению оранжево-желтого пламени, наблюдаемого в таких случаях. Однако атмосферного кислорода достаточно, чтобы полностью окислить углерод в более простых видах топлива, таких как метан и сжиженный газ, что придает им характерное голубое пламя при горении.

Горение — это сжигание молекул с выделением тепла и света. Различные молекулы производят пламя разного цвета. Цвет каждого пламени зависит от энергии, высвобождаемой электронами атома во время девозбуждения.

В случае с углеродным топливом цвет пламени зависит от степени окисления, которому подвергаются молекулы углерода. В присутствии достаточного количества кислорода все связи разрываются, и весь углерод высвобождается в виде углекислого газа. При этом образуется голубое пламя. В случае недостаточного количества кислорода не весь углерод превращается в двуокись углерода. Вместо него образуется сажа. Сажа состоит из молекул чистого углерода. Твердые частицы углерода горят ярким желто-оранжевым пламенем.

При полном сгорании топлива на основе углерода образуется голубое пламя. В то время как атмосферного кислорода достаточно для горения простых углеродных топлив, таких как метан и сжиженный газ, его недостаточно для более сложных веществ. Поэтому органические вещества, такие как дерево и воск, горят желтым пламенем. Вот почему некоторые виды пламени кажутся синими, а другие — желтыми!