Nuo cheminių reakcijų žvakės liepsnoje iki ugnies plykstelėjimo kosminėje stotyje – kuo įdomi ši karšta tema?

Nuo to laiko, kai priešistoriniai mūsų protėviai trindami kelias šakeles užkurdavo laužą, žmonija itin artimai susigyveno su ugnimi. Jos pažabojimas nulėmė, kokie mes esame dabar: ką valgome, kaip šildomės ir net kokias civilizacijas sukūrėme.

Senovės Graikijoje ugnis laikyta vienu iš egzistencijos pamatą sudarančių pradinių elementų – į jų sąrašą taip pat pateko vanduo, oras ir žemė. Bet kas iš tiesų yra ugnis? Galima sakyti, kad tai dalelių sąveika, kurios metu susidaro karšta švytinti plazma. Iš esmės uždegdami degtuką mes įžiebiame grandinę cheminių reakcijų, kurių metu išskiriama šviesa, šiluma, dujos ir vanduo kaip šalutiniai produktai. Kiekvieną šokančios liepsnos blyksnį ir sumirgėjimą sukelia skirtingose kaitinimo stadijose esantys, energiją išlaisvinantys atomai. Receptas ugniai sukurti yra gana paprastas: tereikia šiek tiek deguonies, lašelio kuro, daug šilumos – ir ją sėkmingai „pagaminote“.

Dega net po vandeniu

Kai kurios medžiagos dega taip įnirtingai, kad jų užgesinti negali net vanduo. Metalų perdirbimo gamyklose ir net bombų gamyboje naudojamas termitas – tai žmonių sukurtas padegamasis mišinys, kurį sudaro smulkintas aliuminis ir metalo, dažniausiai geležies, oksidas. Degdamas toks metalų mišinys gali siekti grėsmingai aukštą – apie 2400 ⁰C temperatūrą – ir į visas puses spjaudytis išsilydžiusia geležimi.

2015 metais populiariame „YouTube“ kanale, pavadintame „TheBackyardScientist“, įkeltame vaizdo įraše galima pamatyti eksperimentą, kuriuo siekta išsiaiškinti, ar liepsnojantį termitą pavyktų užgesinti panardinus jį į vandenį. Kaip ir buvo galima tikėtis, degimo reakcijos negalėjo sustabdyti net ir vanduo: termitas po vandeniu liepsnojo tol, kol ugnis nebeturėjo kuro.

Ugniai įžiebti reikia visų trijų komponentų, tačiau kuru gali tapti beveik bet kas. Anglis ir vandenilis yra du degiausi elementai Žemėje, tad kuo daugiau kuras jų turi, tuo ugnis geriau „pasisotina“. Taip yra todėl, kad anglis ir vandenilis linkę jungtis su ore esančiu deguonimi. Kad užsiliepsnotų, iš pradžių išlaisvinęs šiluminę energiją, pavyzdžiui, kibirkšties pavidalu, kuro šaltinis (toks kaip mediena) turi pasiekti savo degimo temperatūrą. Pasiekus reikiamą kaitrą kuro išskiriamos lakiosios dujos, pavyzdžiui, anglies ar vandenilio, pradeda grandininę oksidacijos reakciją, vadinamą degimu. Šios sparčios oksidacijos metu sutraukomi kuro šaltinį sudarantys cheminiai ryšiai ir transformuojami į šalutinius degimo produktus: anglies dioksidą ir vandenį. Vykstant šiai molekules plėšančiai reakcijai energija išspinduliuojama šilumos ir šviesos pavidalu.

Tačiau ne kiekviena liepsna dega vienodai karštai. Ugnies temperatūra gali būti įvairiausia – ji priklauso nuo cheminės kuro sudėties ir deguonies kiekio. Pavyzdžiui, mediena gali degti maždaug 1100 ⁰C temperatūroje, o etanolis gali pasiekti maždaug 1920 ⁰C kaitrą. Pagrindinė šio skirtumo priežastis – didesnis etanolyje esantis anglies ir vandenilio kiekis. Kitas svarbus veiksnys, nuo kurio priklauso, ar objektas užsidegs, yra jo dydis. Storesni ir didesnio tankio kuro šaltiniai, tokie kaip medžių kamienai, užsiliepsnoti reikiamą temperatūrą pasiekia daug lėčiau nei smulkesnis kuras.

Vis dėlto ugnis kurui nėra išranki, o tai gali turėti tragiškų pasekmių. Dėl šios cheminės reakcijos pobūdžio liepsnos gali siautėti ir naikinti viską kelyje, kol kuro šaltinis nebus visiškai sunaudotas arba pašalintas kuris nors kitas degimo reakcijos komponentas. Vienas ryškiausių nesuvaldomos ugnies galios pavyzdžių yra neseniai Australijoje siautėję krūmynų gaisrai.

Gesintuvų rūšys

F putų

* Kietos medžiagos (mediena ir popierius)
* Kepimo aliejai

Kadangi degantį aliejų gesinant vandeniu gali kilti sprogimas ir dar didesnis gaisras, virtuvėje naudojamiems riebalams ir aliejams gesinti skirtas specialus F klasės putų gesintuvas. Šis gesintuvas paskleidžia kalio druskų miglą, kuri, reaguodama su degančiais aliejais, suformuoja muilingą plėvelę, ugnį ribojančią nuo deguonies.

Vandens

* Kietos medžiagos (mediena ir popierius)

Gesintuvas tinkamas tik kietoms degioms medžiagoms, tokioms kaip mediena ar tekstilė (A klasės gaisrai), gesinti. Vanduo iš degimo reakcijos šalina kaitros komponentą, taip atvėsindamas medžiagas ir neleisdamas ugniai įsižiebti vėl. Vandens gesintuvas niekada neturėtų būti naudojamas gesinant elektros ar degančių riebalų ir aliejų sukeltus gaisrus.

Anglies dioksido

* Degūs skysčiai
* Elektros įranga

Degant elektros įrangai ar instaliacijai, susijusiai su srove (E klasės gaisras), gesinimas skysčiais liepsnas gali pakurstyti ir situaciją dar labiau pabloginti. Tokiems atvejams skirtas anglies dioksido (angliarūgštės) dujų gesintuvas, liepsnas atkertantis nuo deguonies. Gesintuvas taip pat naudojamas gesinant benziną, spiritą ar kitus degius skysčius (B klasės gaisras).

Miltelinis

* Kietos medžiagos (mediena ir popierius)
* Degūs skysčiai
* Dujų gaisrai
* Elektros įranga

Miltelinis gesintuvas yra universaliausias – jis purškia natrio ar kalio hidrokarbonato arba monoamonio fosfato mišinį, kuriuo užkloja ir nuslopina įvairių klasių gaisrų liepsnas.

Putų

* Kietos medžiagos (mediena ir popierius)
* Degūs skysčiai

Padengdamas degaus skysčio ar kietos medžiagos paviršių nepralaidžiu sluoksniu, putų gesintuvas sulaiko degius garus ir neleidžia įžiebti juos supančio deguonies, taip uždusindamas ugnį.

Liepsnojanti vaivorykštė

Besikeičiančios liepsnos spalvos eksperimentą galbūt teko matyti mokykloje per chemijos pamoką. Kaitinami skirtingi cheminiai elementai šviesos energijos pavidalu išspinduliuoja įvairias spalvas. Tai lemia elemento