Eine Verbrennungsreaktion findet statt, wenn ein Brennstoff und ein Oxidationsmittel oder ein Oxidationsmittel reagieren, wobei Energie in Form von Wärme und manchmal Licht freigesetzt wird. Die bekanntesten Verfahren dieser Art sind die Verbrennung von kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen organischen Materialien, die sich mit dem Luftsauerstoff zu Kohlendioxid und Wasser verbinden. Hier ist der Brennstoff so etwas wie Holz, Benzin oder Kohle, und das Oxidationsmittel ist Sauerstoff. Viele andere Arten von Verbrennungsreaktionen sind jedoch möglich. Derartige Reaktionen sind lebensnotwendig und werden zur Stromerzeugung, zur Wärmebereitstellung, zum Antrieb von Kraftfahrzeugen und vieles mehr genutzt.
Oxidation
Oxidation ist ein chemischer Prozess, bei dem Elektronen aus einem Stoff entfernt werden, wodurch Energie freigesetzt wird. Der Begriff kommt daher, dass es sich bei den bekanntesten Beispielen um Stoffe handelt, die sich mit Sauerstoff verbinden, der dabei Elektronen aufnimmt. Andere Elemente können jedoch auch als Oxidationsmittel wirken. Beispielsweise ist das Element Fluor ein stärkeres Oxidationsmittel als Sauerstoff. Der Prozess kann extrem schnell ablaufen, was zu einer Explosion führen kann, bei der die gesamte Energie fast augenblicklich freigesetzt wird und heißes Gas sich heftig ausdehnt, was eine Druckwelle und ein lautes Geräusch erzeugt. Alternativ kann es mäßig schnell geschehen, wie bei einem Brand, oder viel langsamer, wie beim Rosten von Eisen.
Spontaneous Combustion
Normalerweise muss etwas Energie zugeführt werden, um eine Verbrennungsreaktion zu starten. Dies kann einfach ein Streichholz anzünden oder einen Funken erzeugen. Danach ist die Reaktion selbsterhaltend, das heißt, die bei der Reaktion selbst freigesetzte Energie hält sie am Laufen.
In einigen Fällen kann jedoch bei Raumtemperatur oder sogar darunter genügend Energie vorhanden sein, damit die Reaktion abläuft. Es kommt auf das Oxidationsmittel und den Brennstoff an: Wenn das Oxidationsmittel stark genug ist und der Brennstoff sich leicht entzündet, können sie beim Mischen Feuer fangen, ohne dass Wärme zugeführt werden muss. Dies wird als spontane Verbrennung bezeichnet. Starke Oxidationsmittel müssen daher mit größter Vorsicht gehandhabt werden, da sie bei Kontakt mit brennbaren Materialien Brände oder Explosionen verursachen können.
Verbrennungsprodukte
Da bei der Verbrennung in der Regel Elemente im Brennstoff mit Sauerstoff kombiniert werden, handelt es sich bei den Produkten typischerweise um Oxide. In organischen Stoffen verbinden sich Kohlenstoff und Wasserstoff im Allgemeinen mit Sauerstoff zu Kohlendioxid (CO2) und Wasser (H2O). Aber auch andere Stoffe können brennen. Schwefel und Phosphor verbrennen beispielsweise leicht und erzeugen Oxide. Metalle, wenn sie pulverisiert werden, brennen ebenfalls, bilden Oxide und erzeugen oft brillant leuchtende Flammen – Magnesium, Aluminium und andere Metalle werden aus diesem Grund oft in Feuerwerkskörpern verwendet.
Häufig ist eine Verbrennungsreaktion mit organischen Materialien unvollständig. Bei Holz beispielsweise wird ein Teil unverbrannter Kohlenstoff als winzige Partikel in Form von Rauch freigesetzt, ein Teil bleibt meist als Holzkohle zurück. Wenn nicht genügend Sauerstoff zur Verfügung steht, um den gesamten Kohlenstoff in einigen Kraftstoffen zu Kohlendioxid (CO2) zu oxidieren, kann ein anderes Gas namens Kohlenmonoxid (CO) entstehen. Geschieht dies in einem geschlossenen Raum, wie es bei einem defekten Kessel der Fall sein kann, können die Folgen fatal sein, denn CO ist giftig und geruchlos.
Faktoren, die die Entflammbarkeit beeinflussen
Neben chemischen Faktoren, wie der Reaktivität des Brennstoffs und des Oxidationsmittels, gibt es eine Reihe von physikalischen Faktoren, die die Entflammbarkeit beeinflussen. Eine davon ist die Oberfläche des Brennstoffs, die mit dem Oxidationsmittel in Kontakt kommt. Es ist unter normalen Umständen nicht möglich, ein Stück Eisen zum Brennen zu bringen, aber in Form eines extrem feinen Pulvers entzündet sich dieses Metall spontan an der Luft.
Flüssige Brennstoffe verbrennen nicht wirklich, obwohl es oft so aussieht. Es ist der vom Kraftstoff freigesetzte Dampf, der Feuer fängt, und daher hängt die Entflammbarkeit einer Flüssigkeit teilweise von der Dampfmenge ab, die sie erzeugt. Die Temperatur, bei der genügend Dampf in der Luft vorhanden ist, um sich zu entzünden, wird als Flammpunkt bezeichnet; Dies sind wichtige Informationen für die Lagerung und den Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten
Zellatmung
Dies ist der Prozess, bei dem Zellen in lebenden Organismen Nährstoffe wie Kohlenhydrate zu Kohlendioxid und Wasser oxidieren. Da die Endprodukte die gleichen sind, die bei der Verbrennung dieser Rohstoffe entstehen würden, kann die Gesamtreaktion als Verbrennung angesehen werden, aber da sie in mehreren separaten Schritten abläuft, ist sie viel langsamer als normalerweise gemeint nach diesem Begriff. Trotzdem produziert es immer noch Wärme und hilft, die Körpertemperatur aufrechtzuerhalten. In einer bekannten Demonstration wird eine kleine Menge Zucker mit einem starken Oxidationsmittel vermischt und entzündet, wodurch es heftig genug brennt, um Glas zu schmelzen, was zeigt, wie viel Energie in Zuckermolekülen eingeschlossen ist. Im Körper wird diese Energie viel langsamer freigesetzt, aber das Prinzip ist das gleiche.
Verwendung
Die frühen Menschen nutzten das Feuer zuerst zum Warmhalten und dann zum Kochen von Speisen, eine Praxis, die schädliche Mikroorganismen und Parasiten abtötete. Die industrielle Revolution beruhte auf der Verbrennung von Brennstoffen – zunächst Holz und dann fossiler Brennstoffe wie Kohle und Öl – um die zum Schmelzen von Metallen erforderliche Wärme bereitzustellen. Heute wird die Verbrennung zur Stromerzeugung und zur Herstellung einer Vielzahl von Chemikalien und Produkten verwendet, und der Verbrennungsmotor nutzt auch die schnelle Verbrennung fossiler Brennstoffe, um die kinetische Energie bereitzustellen, die Autos und andere Fahrzeuge antreibt.