При згорянні хімічна речовина швидко реагує з киснем, виробляючи тепло і світло. Типовими продуктами реакції горіння є CO2, H2O, N2 та оксиди будь-якого іншого елемента, що присутній у вихідній пробі.
Типовим прикладом горіння є окислення метану відповідно до процесу
Реакції горіння часто відбуваються через утворення вільних радикалів, електронно-збуджених молекул або іонів, які випромінюють флуоресценцію, надаючи забарвлення полум’ю, або також утворюючи дрібні тверді частинки (наприклад, вуглець), розжарення яких можна спостерігати.
Горіння є дуже важливим процесом у нашому житті, оскільки паливо використовується як джерело енергії, бензину, газу тощо у транспортних засобах, автомобілях, літаках або в будинках чи на виробництві. Хоча сьогодні процес горіння добре зрозумілий, цей процес був однією з найбільших загадок з найдавніших часів і до кінця 18 століття, коли Лавуазьє (1743 ? - 1794) зумів з'ясувати його хімічну природу.
Згідно з грецькою думкою, все, що може згоріти, містить те, що вони називали вогненною стихією. Саме німецький хімік і фізик Георг Ернест Шталь (1660-1734), підхопивши ідею Й. Й. Бехера, запропонував у 1702 р. Назву флогістон (від грецької phlogistos, що означає легкозаймистий) для характеристики принципу горючості.
Теорія згоряння Шталя стверджувала, що чим більше флогістону було у речовини, тим вона була горючою. Так, наприклад, папір горить, оскільки він містить флогістон, проте його попіл, позбавлений зазначеної речовини, не може згоріти. У цій схемі згоряння речовини означало втрату флогістону, який переносився в повітря. Чим більше флогістону було в речовини, тим краще воно горіло.
Теорія флогістону завойовувала своїх прихильників, і до середини 18 століття вона була широко прийнята хіміками, проте існували труднощі, які не могли пояснити як Шталь, так і його учні. При згорянні деревини з подальшою втратою флогістону утворюється попіл меншої ваги, ніж цей; Однак прожарювання - сьогодні можна сказати окислення - металів, що спричиняють утворення відповідного вапна, що Шталь так само трактував як втрату флогістону, - призвело до збільшення ваги. Чи існували тоді два типи флогістону: деревини та супутніх речовин, вага яких була позитивною, та металів, вага яких була від’ємною? Як ми побачимо пізніше, саме Лавуазьє, батько сучасної хімії, довів, що теорія флогістону не відповідає дійсності і що флогістон не існує.
Розвиток пневматичної хімії у 18 столітті дав можливість перевірити обґрунтованість теорії флогістону, досліджуючи гази, що утворюються при згорянні. Особливе значення мали експерименти Джозефа Прістлі, який спостерігав, що ртуть при нагріванні на повітрі утворює прожарену цегляно-червону забарвлення, сьогодні ми називали б її оксидом ртуті HgO. Прістлі нагрівав цей прожарений, концентруючи на ньому сонячні промені через лінзу, вихідну речовину, що отримується при нагріванні яскравих кульок ртуті та газу з особливими властивостями. Сам він перевірив, що свічка горить у згаданому газі живішим полум’ям з більшою пишністю і теплом, ніж в інших повітрях, і навіть спробував вдихнути її і виявив, що це викликало приємні відчуття. Яке пояснення дав Прістлі своєму експерименту? На жаль, Прістлі неправильно інтерпретував свої експерименти, використовуючи теорію флогістону, в яку він вірив.
Оскільки предмети легше горіли в цьому новому газі, вони повинні набагато легше випускати флогістон у свої пазухи, що могло бути лише через те, що в цьому повітрі не було жодної кількості флогістону, таким чином виявляючи велику спритність, щоб прийняти його. З цієї причини Прістлі назвав цей новий газ «повітрям, що випорожнився»? до декількох років потому Лавуазьє дав йому назву кисень. Помилка Прістлі полягала в припущенні, що нормальне повітря - це просто сполука, а не суміш, і звернутися до теорії флогістону для пояснення свого експерименту.
Невідповідність теорії флогістону та численні відкриття, засновані на експериментах на газі, були правильно пояснені та об'єднані в нове глобальне бачення явища горіння завдяки роботі Антуана Лорана Лавуазьє. Немає сумнівів, що успіх Лавуазьє був обумовлений його великими інтелектуальними дарами, але особливо його майстерністю та строгістю експериментів, заснованими на точному вимірюванні експериментальних даних.
Завдяки внесенню Лавуазьє було встановлено, що вимірювання, що проводяться строго та систематично, а не враження від очей чи інших органів чуття, є правильним методом для пояснення хімічних змін. Використовуючи цю процедуру, Лавуазьє пояснив явище горіння, велику проблему хімії 18 століття.
Типовий експеримент, проведений Лавуазьє, полягав у нагріванні металів (наприклад, свинцю) у повітрі, але в закритому контейнері. Лавуазьє зауважив, що на поверхні металу утворюється шар прожарювання, поки в даний момент утворення згаданого прожарювання не припиниться.
На думку захисників теорії флогістону, процес формування "кальцинованого" це означало, що повітря поглинуло максимальну кількість флогістону з металу, який він міг утримати. Оскільки було відомо, що прожарений важить більше оригінального металу, Лавуазьє зважував експериментальне обладнання там, де проводив нагрівання металу, спостерігаючи, що вся ємність важила однаково до і після нагрівання.
Для Лавуазьє було ясно, що якби метал набрав вагу, а загальна вага не змінилася, повітря повинен був би втратити вагу, еквівалентну тій, яку набрав метал. Таким чином, він відкрив контейнер і зауважив, що повітря потрапляє в нього, оскільки втрата повітря в процесі прожарювання металу створює певний вакуум, нижчий тиск порівняно з атмосферним. Для Лавуазьє було ясно, що прожарювання металу полягає не в втраті його флогістону, а в виграші частини повітря, в якому він нагрівався.
У 1974 році Прістлі відвідав Париж і повідомив Лавуазьє про свої знахідки та експерименти. Лавуазьє своїми експериментами показав, що тлумачення Прістлі було неправильним. На відміну від Прістлі, який вважав, що атмосферне повітря є простою і елементарною речовиною, для Лавуазьє повітря представляло собою суміш двох газів у співвідношенні 1 до 4, одного дихаючого, який підтримує дихання і горіння, а іншого «мефітного»? нездатний підтримувати ці процеси, і який є не ким іншим, як азотом. Для Лавуазьє лише п’ята частина повітря була очищеним повітрям Прістлі. Тільки ця частина повітря поєднується з матеріалами в процесі горіння.
Ключовий експеримент Лавуазьє, представлений у 1777 р. У Французькій академії наук, полягав у першу чергу в ретельному нагріванні чистої ртуті на звичайному повітрі та утворенні прожареної ртуті - див. Рисунок 1, демонструючи, що ця прожарена ртуть - це просто поєднання ртуті з приблизно 1/12 його ваги повітря. У цьому процесі, за словами Лавуазьє, ртуть поглинула найкращу та найбільш дихаючу частину повітря, залишивши мефітичну або недихаючу частину. По-друге, і це була ключова частина експерименту - Лавуазьє відновлював повітря, `` поглинене '' ртуттю, нагріваючи прожарений, і повертав його до мефітного залишку, отримуючи практично вихідну кількість використовуваного повітря і з тією ж властивості спільного повітря.
Лавуазьє називав це живе повітря "дефлогізованим повітрям" від Прістлі, кисень, що походить від грецької, що означає виробника кислоти, оскільки Лавуазьє вважав, що цей елемент є необхідною сполукою всіх кислот, що пізніше було доведено неправдою.
У будь-якому випадку, незалежно від природи кислот, надзвичайним внеском Лавуазьє було однозначне встановлення того, що принцип горіння речовини полягає у хімічній реакції зазначеної речовини та кисню.
Бібліографія
Антуан Лоран де Лавуазьє. Елементарний трактат з хімії (Ред. Та перекладач Рамон Гаго Богоргуес). Огляд. Барселона 2007. Див. Особливо главу III роботи.