Горі́ння — екзотермічна реакція окиснення речовин, яка супроводжується виділенням диму та (або) виникненням полум'я і (або) світінням.
Визначення і загальний опис Горіння за сучасними уявленнями — складний фізико-хімічний процес на основі екзотермічних реакцій окислення-відновлення, який відзначається значною швидкістю перебігу, виділенням великої кількості тепла і світла, масообміном з навколишнім середовищем. Під час горіння, здебільшого, утворюється полум'я. Горіння може початися зненацька внаслідок самозаймання або бути спонукане запалюванням. Стосовно до вибухових речовин розрізняють рівномірне або нормальне горіння (постійна швидкість розповсюдження від часток см/с до сотень см/с) та нерівномірне або вибухове (нестабільна швидкість до сотень м/с). Горіння виникає, коли є горюча речовина, окислювач та джерело запалювання. Окислювачами можуть бути кисень, повітря, бертолетова сіль, пероксид натрію, азотна кислота, хлор, фтор, бром, оксиди азоту тощо. Горіння може бути повним і неповним. Повне — за достатньої або надлишкової кількості окислювача і за такого горіння виділяються нетоксичні речовини. Неповне — відбувається за недостатньої кількості окислювача. За неповного горіння утворюються продукти неповного згорання, серед яких є токсичні речовини (чадний газ, водень).
Історія
До відкриття кисню на початку 1770-х років Карлом Шеєле і Джозефом Прістлі вважалося, що всі тіла, які здатні горіти, містять особливе начало, «флогістон», який в ході горіння виділяється з тіла, залишаючи золу. В 1775 році Лавуазьє показав, що навпаки, до горючої речовини впродовж горіння приєднується кисень повітря, а в 1783 році Лавуазьє і Лаплас виявили, що на виході горіння водню — чиста вода. Ці відкриття заклали основу сучасних наукових поглядів на природу горіння.
Наступний крок в розвитку основ теорії горіння пов'язаний з роботами і Ле Шательє і В. О. Міхельсона, виконаними в 1880-ті роки. У 1890 році Міхельсон оприлюднив роботуМихельсон В. А. О нормальной скорости воспламенения гремучих газовых смесей. — Собр. соч. М.: Новый агроном, 1930, т. 1 про поширення полум'я в трубах і запропонував теорію пальника Бунзена.
У 1928 році Бурке і Шуманн розглянули задачу про дифузійне полум'я і показали, що коли швидкість згоряння реагентів у хімічній реакції набагато більша від швидкості підведення реагентів з допомогою дифузії, зону реакції можна вважати нескінченно тонкою, при цьому в ній автоматично встановлюється стехіометричне співвідношення між окислювачем і пальним, а максимальна температура в зоні реакції близька до адіабатичної температури горіння.
Сучасна теорія горіння бере початок від робіт М. М. Семенова по тепловому вибуху, виконаних у 1920-ті роки. Заснований М. М. Семеновым у 1931 році став провідним науковим центром по хімічній фізиці та горінню. У 1938 році Д. А. Франк-Каменецький розвинув теорію теплового вибуху, і, разом із Я. Б. Зельдовичем, — теорію поширення ламінарного полум'я в попередньо перемішаних сумішах.
Того ж 1938 року в дослідах А. Ф. Бєляєва було показано, що горіння летких вибухових речовин відбувається в газовій фазі. Таким чином, питання про швидкість горіння таких речовин було зведено до питання про швидкість горіння в газовій фазі, і в 1942 році Я. Б. Зельдович розвинув теорію горіння конденсованих речовин, яка базувалася на теорії поширення полум'я в газі.
В 1940-ві роки Я. Б. Зельдович розвиває теорію детонації, яка була названа — за іменами Зельдовича, Неймана і Дьорінга, оскільки незалежно від нього подібні результати отримали фон Нейман і Дьорінг.
Види горіння За швидкістю руху суміші горіння поділяється на повільне горіння (або дефлаграцію) і детонаційне горіння (детонацію). Хвиля дефлаграційного горіння поширюється з , а нагрівання вихідної суміші здійснюється в основному теплопровідністю. Детонаційна хвиля рухається з надзвуковою швидкістю, при цьому хімічна реакція підтримується завдяки нагріванню реагентів ударною хвилею і, в свою чергу, підтримує стійке поширення ударної хвилі. Повільне горіння поділяється на ламінарне і турбулентне в залежності від характеру плину суміші. В детонаційному горінні плин продуктів завжди турбулентний. За певних умов повільне горіння може переходити в детонацію ().
Якщо вихідні компоненти суміші — гази, то горіння називають газофазним (або гомогенним). В газофазному горінні окислювач (зазвичай, кисень) взаємодіє з пальним (наприклад, воднем чи природним газом). Якщо окиснювач і пальне заздалегідь перемішані на молекулярному рівні, то такий режим називається горінням попередньо перемішаної суміші (). Якщо ж окислювач і пальне відділені один від одного у вихідній суміші і надходять в зону горіння з допомогою дифузії, то горіння називається дифузійним.
Якщо спочатку окислювач і пальне перебувають в різних фазах, то горіння називається гетерогенним. Зазвичай, у цьому випадку реакція окиснення також іде в газовій фазі в дифузійному режимі, а тепло, що виділяється в реакції, частково витрачається на термічний розклад і випаровування пального. Наприклад, за цим механізмом горять вугілля чи полімери у повітрі. В деяких сумішах можуть відбуватися екзотермічні реакції в конденсованій фазі з утворенням твердих продуктів без суттєвого газовиділення. Такий механізм називається твердофазним горінням.
Виділяють також такі особливі види горіння, як тління, безполум'яне і холоднополум'яне горіння.
Горінням, або ядерним горінням, називають термоядерні реакції в зорях, у яких в процесах зоряного нуклеосинтезу утворюються ядра хімічних елементів.
Полум'я
Полум'я — це світна зона, утворена в ході горіння. Температура полум'я залежить від складу вихідної суміші й умов, за яких здійснюється горіння. При горінні природного газу в повітрі температура в гарячій зоні може перевищувати 2000 К, а при горінні ацетилену в кисні (газове зварювання) — 3000 К.
Колір полум'я В зоні горіння можуть виникати вільні радикали й молекули в електронно-збуджених і коливально-збуджених станах. Якщо інтенсивність свічення достатньо висока, то його можна побачити неозброєним оком. Колір полум'я визначається тим, на яких частотах ідуть квантові переходи, що роблять основний внесок у випромінювання в видимій області спектра. Значна частина випромінювання, особливо при наявності твердої фази, пилинок або частинок сажі в полум'ї, припадає на інфрачервону область, яка суб'єктивно сприймається як жар від вогню. В інфрачервоне випромінювання роблять внесок коливально-збуджені молекули CO, CO2 і H2O.
При горінні водню в чистому повітрі полум'я майже безбарвне. Воно має ледь помітний блакитний відтінок через випромінювання радикалів OH в оптичному діапазоні на довжинах хвиль 306–308 нм. Однак зазвичай водневе полум'я в повітрі світиться сильніше через наявність пилинок і органічних мікродомішок.
Полум'я при горінні вуглеводневих палив у пальнику Бунзена, таких як пропан чи бутан, може мати різний колір залежно від співвідношення пального і повітря. При горінні в дифузійному режимі без подачі повітря в пальник полум'я забарвлене в жовтий або червонуватий колір, викликаний свіченням розжарених мікрочастинок сажі. При підмішуванні невеликої кількості повітря на виході з пальника виникає неяскравий синій конус полум'я. Подальше збільшення подачі повітря призводить до виникнення двох конусів полум'я, внутрішнього яскравого синьо-зеленого і зовнішнього синьо-фіолетового, набагато менш інтенсивного.
Здатність домішок забарвлювати полум'я в різні кольори використовується в аналітичній хімії для пірохімічного аналізу і в піротехніці для салютів, феєрверків та сигнальних ракет.
Електричні властивості полум'я Полум'я вуглеводневих палив може взаємодіяти з електромагнітним полем, тобто в ньому наявні заряджені частинки. Експериментально виявлено, що концентрація іонів у полум'ї може на 4–6 порядків перевищувати концентрацію, яка спостерігалася б при чисто термічному механізмі іонізації, і фактично полум'я може поводити себе як слабоіонізована плазма. Однак температура полум'я недостатня для того, щоб компоненти суміші могли іонізуватися в результаті зіткнень молекул між собою, і в 1950-ті роки виявилося, що основним механізмом генерації іонів є хемоіонізація.
Вважається, що хемоіонізація іде в основному через утворення іона CHO+, хоча в полум'ї спостерігаються й інші іони. При відсутності вуглецю іон CHO+ не утворюється, тому концентрація іонів у полум'ї чистого водню в чистому кисні дуже мала. Концентрація іонів суттєво підвищується, якщо в газі наявні навіть слідові кількості органічних речовин, при цьому провідність полум'я сильно збільшується. Це явище використовується в газових хроматографів.
Теорія горіння Незважаючи на великий досвід використання на практиці, процеси горіння залишаються одними з найскладніших для наукового вивчення. Наука про горіння є вищою мірою міждисциплінарною, вона лежить на стику таких наукових дисциплін, як газодинаміка, хімічна термодинаміка, хімічна кінетика, молекулярна і хімічна фізика, тепломасообмін, квантова хімія і фізика, матеріалознавство і комп'ютерне моделювання.
Термодинаміка горіння Вихідний склад горючої суміші характеризується молярними або масовими частками компонентів і початковими тиском і температурою. Якщо склад суміші підібраний так, що при його згорянні і пальне, і окиснювач повністю перетворюються в продукти реакції, то така суміш називається стехіометричною. Суміші з надлишком палива називаються багатими, а з недостачею палива — бідними. Ступінь відхилення складу суміші від стехіометричного характеризується коефіцієнтом надлишку палива (): де і — масові частки палива і окислювача відповідно, а — їхнє відношення в стехіометричній суміші. Також використовується коефіцієнт надлишку окислювача (або повітря), обернений до коефіцієнта надлишку палива.
Якщо горіння відбувається при постійному об'ємі, то зберігається повна внутрішня енергія системи, якщо ж при постійному тиску — то ентальпія системи. На практиці умови адіабатичного горіння наближено реалізуються у полум'ї, що вільно поширюється (без врахування теплових втрат випромінюванням) і в інших випадках, коли втратами тепла із зони реакції можна знехтувати, наприклад, в камерах згоряння потужних газотурбінних установок чи ракетних двигунів.
Адіабатична температура горіння — це температура продуктів, що досягається при повному протіканні хімічних реакцій та встановленні термодинамічної рівноваги. Для термодинамічних розрахунків використовуються таблиці термодинамічних функцій всіх компонентів вихідної суміші та продуктів. Методи хімічної термодинаміки дозволяють розрахувати склад продуктів, кінцевий тиск і температуру при заданих умовах згоряння. Наразі доступно багато програм, здатних виконувати ці розрахунки.
Теплота згоряння — це кількість теплоти, що виділяється при повному згорянні вихідних компонентів, тобто до CO2 і H2O для вуглеводневих палив. На практиці частина енергії, що виділяється, витрачається на дисоціацію продуктів, тому адіабатична температура горіння без врахування дисоціації виявляється помітно вищою від тієї, що спостерігається на практиці.
Термодинамічний розрахунок дозволяє визначити рівноважний склад і температуру продуктів, але не дає ніякої інформації про те, з якою швидкістю система наближається до рівноважного стану. Повний опис горіння потребує знання механізму і кінетики реакцій і умов тепло- і масообміну з навколишнім середовищем.
Кінетика горіння Детальна кінетична схема реакцій при горінні навіть найпростіших вуглеводневих палив, таких як метан, включає десятки або навіть сотні компонентів, які беруть участь в сотнях елементарних хімічних реакцій. При моделюванні таких великих механізмів виникають значні обчислювальні складності. Вони зумовлені тим, що характерний час протікання окремих реакцій може відрізнятися на порядків величини, і відповідні системи диференціальних рівнянь виявляються жорсткими (), що суттєво ускладнює чисельне розв'язування. Тому в практичних розрахунках процесів горіння використовується три підходи: