Verbrennung (Chemie)

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Eine Verbrennung ist eine Redoxreaktion unter Abgabe von Wärme, insbesondere auch von Licht und flüchtigen Stoffen.

eine gute Verbrennung erfolgt ohne soviele Schadstoffe (Ruß) an der Drosselklappe wie bei diesem Touran. Bei Motoren ist eine gute Verbrennung vorteilhaft für den Umweltschutz.
Foto: D. Kirchner

Im allgemeinen Sprachgebrauch versteht man unter Verbrennung die Redoxreaktion eines Materials mit Luftsauerstoff.
Manchmal werden aber auch Reaktionen ohne Sauerstoff, beispielsweise die Bildung von Fluorwasserstoff aus Fluor und Wasserstoff, als Verbrennung bezeichnet.

es verbrennt das Harz, es bleibt die Glasmatte
Foto: Rainer Schwarz
Holzkohlebildung nach einem Feuer
Foto: Rainer Schwarz
oder hier nur ein Feuereffekt.
Foto: Rainer Schwarz
deutlich sichtbar der Rauch bei einem Wohnungsbrand, deshalb mit Atemschutz vorgehen
Bei jeder Verbrennung (Chemie) entsteht Kohlenstoffmonoxid, ob bei einem Grill oder bei einem Gas bzw. Heizpilz.
Foto: BF München

Begriffe, Einteilung


zu unterscheiden sind:

  • Verbrennung in Form eines Feuers mit Flammenerscheinung,
  • unvollständige Verbrennung (Schwelbrand, Verkokeln),
  • langsame und relativ kalte Oxidation, etwa beim Rost (Korrosion) von Metallen oder in Lebewesen bei der „Verbrennung“, also der Oxidation von Nährstoffen.

Fotos: Rainer Schwarz


Die Verbrennung in einem Feuer kann kontrolliert (Nutzfeuer), zum Beispiel in einem Ofen, einem Dampfkessel (Feuerung), als Lagerfeuer, oder unkontrolliert als Schadfeuer bei einem Brand erfolgen.

Brennbare Stoffe werden in der Brandlehre in fünf verschiedene Brandklassen eingeteilt.

Verbrennungen, die mit einer hohen Verbrennungsgeschwindigkeit, nahezu schlagartig und mit enormer Volumenzunahme (der gasförmigen Bestandteile) erfolgen, bezeichnet man als Explosionen. Diese werden unter Berücksichtigung der Verbrennungs- und Ausbreitungsgeschwindigkeit unterteilt in

(Siehe auch Abbrandgeschwindigkeit der Pyrotechnik, Brisanz (Chemie)).

Die Einleitung des Brennvorgangs, das Zünden, wird verschieden bezeichnet: Während allgemein Verbrennungen entzündet werden, werden insbesondere Feuer, Deflagrationen, u. a. angezündet, Detonationen gezündet (siehe Zünder), Dämpfe und Gase entflammt.


Verlauf

Bei der Verbrennung reagiert eine Substanz, der Brennstoff, Chemie mit Sauerstoff oder (selten) einem anderen Gas. Der Brennstoff kann Feststoff (beispielsweise Holz, Kohle), flüssig (Benzin, Alkohol), flüssig werdend (Wachs) oder Gasgasförmig (Methangas, Erdgas) sein.

Sobald eine kleine Brennstoffmenge reagiert hat, bringt die dabei freigesetzte Wärme als Aktivierungsenergie weiteren Brennstoff zum Reagieren. Die Verbrennung ist in diesem Sinne eine Kettenreaktion.

Das bei der Verbrennung freigesetzte Licht stammt aus den glühenden Masseteilchen. Außerdem erhöht sich typischerweise die Temperatur sehr stark, was zur Heizung oder Verrichtung von Arbeit genutzt werden kann.
Zurzeit werden in Anlagen zur Wärmeerzeugung meist Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff der Luft zur Reaktion gebracht. Es entsteht dabei Abgas, das (neben dem Luftstickstoff) hauptsächlich Kohlendioxid (CO) und Wasser (HO) enthält. Je nach Art der Verbrennungsführung können verschiedene weitere Stoffe im Abgas enthalten sein, z. B. Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Bei fetter Verbrennung (Kraftstoffüberschuss) von Kohlenwasserstoffen kann außerdem Ruß entstehen.


Voraussetzungen für eine Verbrennung

Verbrennungsdreieck
Autor: Stefan-Xp

Vorhanden sein muss:

  • Brennbares Material in ausreichender Menge
  • Oxidationsmittel, meist Sauerstoff
  • Das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas
  • eine geeignete Zündquelle

Ein Katalysator kann die Verbrennung beschleunigen oder sogar erst ermöglichen. Ebenso kann Verbrennung durch Zufuhr von Wärme eingeleitet werden.


Verbrennung von Holz und anderen organischen Feststoffen

Die Verbrennung von Holz beginnt mit einer Erhitzung von außen. Enthält das Holz Wasser, dann stoppt die Temperaturerhöhung oberhalb von 100 °C (je nach Siedepunktserhöhung durch gelöste Stoffe). Erst wenn das meiste Wasser verdampft ist, kann sich die Temperatur weiter erhöhen und die Verbrennung beginnen. Für die Verdampfung von Wasser müssen große Wärmemengen zugeführt werden. Weil Holz ungefähr das eigene Gewicht an Wassermengen speichern kann, ist das Anzünden von feuchtem oder nassem Holz langwierig bis unmöglich. Ist das Holz getrocknet, so erhöht sich die Temperatur weiter, bis das Holz ab etwa 150 °C beginnt zu verkohlen. Hierbei verwandelt sich das Holz durch hitzebedingte chemische Zersetzung (Pyrolyse) zum Teil in gasförmige Stoffe, die aus dem Holz austreten und in einer Flamme verbrennen.
Die zurückbleibende Holzkohle (Gemisch aus Kohlenstoff und Asche) verglüht anschließend.


Mengenverhältnis und Sauerstoffbedarf

Selbst bei einer hohen Brandstoffkonzentration muss es nicht zwangsläufig zu einer Verbrennung kommen.
Ein Stoff brennt nur innerhalb bestimmter Grenzen, die durch das Verhältnis zwischen Brandstoff und Sauerstoff gesetzt sind. Liegt die Brandstoffkonzentration darunter, ist das Gemisch zu mager, liegt sie darüber, ist das Gemisch zu fett zum Zünden.
Diese Werte lassen sich zum Teil berechnen:


Luftzahl

Für die Verbrennung an Luft wird die sogenannte Luftzahl benötigt. Diese ist ein Verhältniswert aus den Anteilen der Umgebungsluft, hauptsächlich also Sauerstoff und Stickstoff:


Sauerstoffbedarf

Bezogen auf 1 mol Brennstoff erhält man den zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Anteil Sauerstoff über:

Löst man obige Gleichung nach auf, so erhält man:

beziehungsweise

, wobei die Kleinbuchstaben die Anzahl der im Brandstoff enthaltenen Elemente angeben.


stöchiometrische Konzentrationen

Die für die vollständige Verbrennung rechnerisch nötige Konzentration von Brennstoff erhält man über

beziehungsweise

Daraus lässt sich ebenso eine Explosionsgefährdung ablesen. Die untere Explosionsgrenze lässt sich näherungsweise mit berechnen


Beispiel

Als Beispiel ist hier die vollständige Verbrennung von Propanol () genannt:

Somit sind zur vollständigen Verbrennung von 1mol Propanol 4,5 mol Sauerstoff nötig. Weiterhin lässt sich die stöchiometrische Konzentration, die für die Verbrennung nötig ist, berechnen:

beziehungsweise

Die untere Explosionsgrenze von Propanol lässt sich somit auf cex,u = 2,23 Vol% beziehungsweise cex,u = 115 g/m3 abschätzen.


Verbrennungsgeschwindigkeit

Beim brennbaren Material kann es nur zur Oxidation kommen, wenn ein einzelnes Atom oder Molekül des Brennstoffs mit Sauerstoff in direkten Kontakt kommt. Daher sind für die Verbrennungsgeschwindigkeit (Abbrandgeschwindigkeit) 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 (Wind), angefacht werden.

Die meisten Löschverfahren beruhen darauf, die Sauerstoffzufuhr zu unterbrechen (Löschdecke, Schaum, -Löschanlage …).

Um den innigen Kontakt herzustellen, muss man die Oberfläche des Brennstoffs vergrößern. Ideal ist es dabei, den Brennstoff in ein Gas zu verwandeln. Das geschieht 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:
Wird etwas Mehl in eine Kerzenflamme geblasen, wird das ansonsten unbrennbare Mehl 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 leicht entzündlich.

In einigen chemischen Verbindungen sind das „Oxidationsmittel“ (Sauerstoff) und das zu oxidierende „Material“ in demselben Molekül untergebracht, so z. B. in vielen Sprengstoffen. Das „Nitroglyzerin“ mit der Summenformel C3H5N3O9 enthält pro Molekül 9 Sauerstoffatome (in drei Nitrat- bzw. Salpetersäure-Ester (Chemie)|gruppen) und damit mehr als genug, um die im Molekül enthaltenen Kohlen- und Wasserstoffatome vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren. Die instabile Verbindung zerfällt explosionsartig schon bei leichten Erschütterungen; die gasförmigen Oxidationsprodukte bilden blitzartig ein Vielfaches des ursprünglichen Volumens und dadurch extrem hohen Druck, worauf die Wirkung dieses Sprengstoffs und aller anderen beruht.

Auch die Treibsätze von Raketentriebwerk|Feststoffraketen bringen den Sauerstoff selbst mit, weil es ihn im Vakuum des Weltalls nicht gibt.


Siehe auch:



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