Горением называют физико-химический процесс, для которого характерны три признака: химическое превращение, выделение тепла, излучение света. По этим признакам горение можно отличить от других явлений. Например, «горение» электрической лампочки накаливания нельзя назвать горением, хотя при этом выделяется тепло и свет. В этом явлении нет одного из признаков горения – химического процесса. Свечение нити лампочки – это накаливание ее при пропускании электрического тока до определенной температуры с переходом части тепловой энергии в световую.

Горение в большинстве случаев – сложный химический процесс. Он состоит из элементарных химических реакций окислительно-восстановительного типа, приводящих к перераспределению валентных электронов между атомами взаимодействующих молекул. Окислителями могут быть самые различные вещества: хлор, бром, сера, кислород, кислородосодержащие вещества и т.п. Однако чаще всего приходится иметь дело с горением в атмосфере воздуха, при этом окислителем является кислород. Известно, что воздух представляет собой смесь газов, основными компонентами которой являются азот (78 %), кислород (21 %) и аргон (0,9 %). Аргон, содержащийся в воздухе, является инертным газом и в процессе горения участия не принимает.

Для многих расчетов (определения объема воздуха, необходимого для сгорания одной массовой или объемной единицы вещества, нахождения объема продуктов сгорания, температуры горения и т.п.) необходимо составлять уравнения реакций горения веществ в воздухе. При составлении этих уравнений поступают следующим образом: горючее вещество и участвующий в горении воздух пишут в левой части, после знака равенства пишут образующиеся продукты горения. Например, необходимо составить уравнение реакции горения метана в воздухе. Сначала записывают левую часть уравнения реакции: химическую формулу метана плюс химические формулы веществ, входящих в состав воздуха. Для простоты расчета принимают, что воздух состоит из 21 % кислорода и 79 % азота, т.е. на один объем кислорода в воздухе приходится 79/21=3,76 объема азота, или на каждую молекулу кислорода приходится 3,76 молекулы азота. Таким образом, состав воздуха может быть представлен так: О₂+3,76N₂. Тогда левая часть уравнения будет иметь вид:

СН₄ + О₂ + 3,76N₂ = .

Какие будут получаться продукты»? Ориентироваться необходимо на состав горючего вещества. Углерод горючего всегда при полном сгорании превращается в диок

сид углерода (СО₂), водород – в воду (Н₂О). Так как в данном горючем веществе нет других элементов, то в продуктах сгорания будет диоксид углерода и вода. Азот воздуха (3,76N₂) в процессе горения участия не принимает, он целиком перейдет в продукты сгорания. Таким образом, правая часть уравнения реакции горения метана будет иметь следующий вид:

= СО₂ + Н₂О + 3,76N₂.

Написав левую и правую части, необходимо найти коэффициенты перед формулами. Известно, что суммарная масса веществ, вступивших в реакцию, должна быть равна массе всех веществ, получившихся в результате реакции.

Уравнение реакции будет иметь вид

СН₄ + 2О₂ + 2 ´ 3,76N₂ = СО₂ + 2Н₂О + 2 ´ 3,76N₂.

Учитывая, что расчет ведут обычно на 1 моль или 1 м³ горючего вещества, в уравнении реакции коэффициент перед горючим веществом не ставят. Поэтому в некоторых уравнениях реакций горения могут появиться перед кислородом или другим веществом дробные коэффициенты, например, уравнение реакции горения ацетилена в воздухе будет иметь вид

С₂Н₂ + 2,5О₂ + 2,5´3,76N₂ = 2СО₂ + Н₂О + 2,5´3,76N₂.

Если в состав горючего вещества, кроме углерода и водорода, входит азот, то он выделяется при горении в свободном виде N₂, например при горении пиридина (С₂Н₅ N).. Хлор, входящий в состав горючего вещества, выделяется в виде хлористого водорода (НСl). Сера, входящая в состав горючего вещества, выделяется в виде SO₂.

Содержащийся в горючем веществе кислород выделяется в виде соединений с другими элементами горючего, например СО₂ или Н₂О, в свободном виде он не выделяется. При горении веществ, богатых кислородом, как правило, требуется меньше воздуха. Сгорание веществ может происходить также за счет кислорода, находящегося в составе других веществ, способных его легко отдавать. Такими веществами являются азотная кислота НNО₃, бертолетова соль КСlО₃, селитра КNО₃, NаNО₃, NН₄ NО₃, перманганат калия КМnО₄, пероксид бария ВаО₂ и др. Смеси перечисленных выше окислителей с горючими веществами взаимодействуют с большой скоростью, часто со взрывом. Примером таких смесей может служить черный порох, сигнальные осветительные составы и т.п.

Чтобы возникло горение, необходимы определенные условия: наличие горючего вещества, окислителя (кислорода) и источника зажигания. Горючее вещество и окислитель должны быть нагреты до определенной температуры источником тепла (источником зажигания): пламенем, искрой, накаленным телом или теплом, выделяемым при какой-либо химической реакции или механической работе. В установившемся процессе горения постоянным источником воспламенения является зона горения, т.е. область, где происходит реакция, выделяется тепло и свет. Для протекания процесса горения вещество и окислитель должны находиться в определенном количественном соот-ношении.

Сгорание веществ может быть полным и неполным. При полном сгорании образуются продукты, не способные к дальнейшему горению (СО₂, Н₂О, НСl), при неполном – получающиеся продукты способны к дальнейшему горению (СО, Н₂S, НСN, NН₃, альдегиды и т.д.).

В условиях пожара при горении органических веществ на воздухе чаще всего полного сгорания не происходит. Признаком неполного сгорания является наличие дыма, содержащего несгоревшие частицы углерода. Однако как бы ни проходил процесс горения, в основе его лежит химическое взаимодействие между горючим веществом и окислителем.

Современная теория окисления – восстановления основана на следующих положениях. Сущность окисления состоит в отдаче окисляющимся веществом (восстановителем) валентных электронов окислителю, который, принимая электроны, восстанавливается. Сущность восстановления состоит в присоединении восстанавливающимся веществом (окислителем) электронов восстановителя, который, отдавая электроны, окисляется. В результате передачи электронов изменяется структура внешнего (валентного) электронного уровня атома. Каждый атом при этом переходит в наиболее устойчивое в данных условиях состояние.

В химических процессах электроны могут полностью переходить из электронной оболочки атомов одного вида в оболочку атомов другого вида. Так, при горении металлического натрия в хлоре атомы натрия отдают по одному электрону атомам хлора. При этом на внешнем электронном уровне атома натрия оказывается восемь электронов (устойчивая структура), а атом, лишившийся одного электрона, превращается в положительно заряженный ион. У атома хлора, получившего один электрон, внешний уровень заполняется восемью электронами, но атом превращается в отрицательно заряженный ион. В результате действия кулоновских электростатических сил происходит сближение разноименно заряженных ионов и образуется молекула хлорида натрия (ионная связь).

Na⁺ + Cl^-Na⁺Cl^-.

В других процессах электроны внешних оболочек двух различных атомов как бы поступают в общее пользование, стягивая тем самым атомы и молекулы (ковалентная связь):

• •• •

Н• + •Сl : Н :Сl :

• • • •

И, наконец, один атом может отдавать в общее пользование свою пару электронов:

• • • •

:О + :Са :О: Са

• • • •

Но во всех случаях атомы стремятся приобрести устойчивые внешние электронные структуры.

Процесс горения – весьма активный процесс, протекающий с выделением значительного количества энергии (в виде тепла и света). Следовательно, в этом процессе происходит такое превращение веществ, при котором из менее устойчивых веществ получаются более устойчивые.