Горение

Горение может быть определено как реакция, совершающаяся с выделением света и тепла.
Когда происходит реакция двух или более веществ, то результаты взаимодействия этих веществ не ограничиваются образованием нового вещества или новых веществ. Например, когда мы символически изображаем реакцию водорода с кислородом уравнением
2H₂ + O₂ = 2H₂O,
мы отмечаем еще не все, что при этом имело место, — произошло еще выделение энергии.
Экзотермические реакции
В тех случаях, когда мы сталкиваемся с так называемыми экзотермическими реакциями, получающиеся в результате таких реакций вещества обладают меньшей потенциальной энергией, чем вещества, участвовавшие в реакции; отсюда происходит выделение энергии в виде тепла, света и т. д. Это та самая энергия, которая получается при сжигании топлива. Топливо сжигается для получения этой энергии. Следовательно, мы можем написать:
2H₂ + O₂ = 2H₂O + энергия,
или C + O₂ = CO₂ + энергия.
Получение вещества из двух веществ, вступающих в экзотермическую реакцию, требует затраты энергии. Так, углерод угля первоначально вырабатывается в зеленом растении из углекислоты и воды под действием света и тепла солнечных лучей; эту же энергию мы получаем обратно при сжигании угля. Энергия может быть расходуема или получаема в виде электричества, — например, когда мы производим электролиз воды (или лучше воды, подкисленной раствором серной кислоты) для получения водорода и кислорода:
2H₂O + электрическая энергия = 2H₂ + O₂.
Энергия, израсходованная таким образом, может быть восстановлена (за вычетом потерь при производстве опыта) в результате воссоединения водорода и кислорода под действием электрической искры или небольшого пламени.
Эндотермические реакции
Реакции, требующие для своего протекания затраты энергии, известны под названием эндотермических реакций. Полученные в результате эндотермической реакции вещества обладают потенциальной энергией; эту энергию можно выделить.
Например, в предыдущем случае, когда вода была разложена на составные части, энергия, потребовавшаяся для разложения молекул воды, может быть восстановлена (путем соединения газов).
Далее, при электролизе раствора хлористого натрия получаются металлический натрий и хлор; энергия, затраченная на это, может быть возвращена при соединении натрия и хлора.
Во время химической реакции зачастую имеет место изменение и физического состояния вещества. Так, когда углерод сгорает в кислороде воздуха, он обращается в углекислоту — газ, т.е. атомы углерода, — твердого вещества, — «превращаются» в молекулы газа. С другой стороны, если углекислоту пропускать через известковое молоко, получается углекислый кальций — твердое вещество. Таким образом, углерод перешел из газообразного в твердое состояние. Такие изменения физического состояния вещества сопровождаются явлением переноса тепла.
Как в экзотермической, так и в эндотермической химических реакциях сама реакция происходит одинаково; поэтому, чтобы различить их, следует обратить внимание на то, поглощается энергия или выделяется. Так, случай сжигания углерода в кислороде рассматривается обычно (и правильно), как экзотермическая реакция. Определенное количество тепла требуется для расщепления молекул кислорода (также и углерода), прежде чем атомы углерода и кислорода соединятся. Соединение атомов кислорода и углерода носит ярко выраженный экзотермический характер, дает запас энергии гораздо больший, чем потребно для расщепления молекул, таким образом, мы имеем излишек теплоты. Рассмотрим внимательно действие натрия на воду при получении водорода; при этой реакции выделяется теплота и следовательно реакция экзотермична.
Энергия при этом может потребоваться:

1. для расщепления молекулы воды на атомы водорода и OH-группы;
2. для расщепления, точнее, для перегруппировки атомов твердого натрия и приведения его в состояние, при котором он может реагировать с другим веществом;
3. для плавления натрия;
4. для перевода водорода, находящегося в соединении в виде воды, в газ водород. Этот газ также, обладает потенциальной энергией и его можно заставить соединяться q кислородом, с выделением при этом тепла,— таким образом, он содержит больше потенциальной энергии, чем в том случае, когда он представляет собой соединение — воду.

С другой стороны, происходит выделение тепла:

1. при соединении свободных атомов водорода, при образовании газа водорода;
2. при соединении атомов натрия с OH-группой при образовании едкого натра (каустической соды);
3. при растворении каустической соды в воде (реакция с выделением тепла).

Все эти процессы практически протекают аналогично. Баланс выделенной энергии более, чем поглощенной при эндотермических процессах, таким образом, реакция в целом является выделяющей тепло.
Хотя в экзотермической реакции баланс теплоты, полученной в ее экзотермической части, значительно превосходит количество теплоты, потребное для ее эндотермической части, но при начале экзотермических процессов требуется некоторое (может быть, даже весьма незначительное) количество энергии, чтобы начать реакцию. Чтобы зажечь углерод в кислороде, углерод (вернее, маленькая частица его) должен быть нагрет до нужной температуры, — температуры (или точки) воспламенения.
В эндотермической реакции, где для баланса теплоты имеет место обратная картина, необходимо приложение теплоты не только до момента достижения температуры, необходимой для начала реакции, но и длительная подача тепла для продолжения реакции.
При слабо выраженной экзотермической реакции (например горение аммиака в воздухе) выделяемая теплота может оказаться недостаточной для нагревания газов, получающихся при реакции, до температуры воспламенения; таким образом, реакция не может продолжаться, если не будет непрерывно подаваться определенное количество тепла (меньшее, чем выделяется при реакции).
Ввиду того что поглощение и выделение теплоты при реакциях, вообще говоря, переплетены меж собой, обычно (и вполне правильно) названия «экзотермический» и «эндотермический» прилагаются соответственно окончательным балансам теплоты.
Энергия
Наиболее очевидно и показательно выделение энергии в виде тепла и света. Следует различать лучистую теплоту, — род энергии излучения, действующей например на наше тело, — от собственно теплоты и ее действий на вещества. Нагревание вещества сводится к приведению в движение или в состояние колебания молекул вещества или к усилению этого движения. Это движение может передаваться другим веществам,— таким образом, теплота может передаваться (теплопроводность). Явление передачи тепла длится до тех пор, пока оба тела или вещества не приобретут одинаковую температуру. Пока температура одного из тел недостаточна для того, чтобы превзойти определенный предел, нагретое тело нельзя на глаз отличить от не нагретого. Если же этот предел превзойден, часть энергии превращается в световую, и тело начинает светиться. Полученный таким образом свет является одной из форм энергии; можно посредством света вызвать химическую реакцию между двумя веществами, лучи горящего магния могут вызвать реакцию в смеси водорода и хлора, сопровождающуюся взрывом. Следовательно, свет обладает способностью дать достаточное количество энергии для того, чтобы вызвать реакцию, которая, будучи ярко выраженной экзотермической, будет длиться, не требуя энергии от внешнего источника.
Следует также отличать теплоту от температуры. Температура является мерилом состояния, создавшегося в теле благодаря принятию последним теплоты, именно, когда тело определенной температуры передает теплоту телу с более низкой температурой. Подобно тому, как необходимо иметь измеритель различной температуры, необходимо также иметь и измеритель количества тепла, выделяемого при реакции.
Измерение теплоты
За единицу теплоты удобнее всего принимать количество теплоты» потребное для того, чтобы определенное весовое количество воды нагреть до определенной температуры. Такого рода определение единицы тепла удобно потому, что вода является наиболее распространенной и легко получаемой жидкостью. В метрической системе мер за единицу теплоты принимается калория, которая определяется как количество теплоты, потребное для нагрева одного грамма воды на 1° Ц. В системе британских мер, где единицей теплоты служит «британская единица тепла» (В. Th. U.), единицей теплоты считается количество теплоты, потребное для нагревания 1 фунта воды на 1 ° Ф. В научных работах применяется обычно метрическая система. При оценке калорийности топлива применяется (в Англии) британская единица тепла (топливо при горении должно давать определенное количество В. Th. U. на 1 фунт). В метрической системе мер оценка топлива основана на количестве калорий, приходящихся на грамм топлива.
Общее количество теплоты, выделяемой при горении вещества, определяется при помощи специального аппарата — калориметра. В употреблении имеется много различных типов калориметров, но все они основаны на измерении разницы в температуре определенного количества воды, получающейся при сжигании известного количества вещества. В аппарате простейшего типа вещество сжигается в токе кислорода под стеклянным или металлическим колоколом, погруженным в известное количество воды; продукты горения, проходя пузырьками через воду, передают ей теплоту. Получаемое повышение температуры измеряется, и таким образом определяется калорийность.
В точных работах обыкновенно применяется «калориметрическая бомба». В аппарате этого типа колокол заменяется стальным сосудом (поплавком), рассчитанным на высокое давление. Кислород поступает в «бомбу» под давлением в несколько сотен фунтов на кв. дюйм; вещество, заблаговременно помещенное в бомбу, сгорает под таким давлением кислорода. Зажигание производится посредством накаленной электрическим током платиновой проволоки или тщательно взвешенной железной проволоки, калорические данные которой точно известны. Вода впускается в бомбу после сожжения вещества и, — когда вода достаточно перемешается, — определяется ее температура.
При определении калорийности жидкого топлива топливом напитывается тщательно взвешенный кусок фильтровальной бумаги, калорийность которого точно известна: последняя вычитается из полученной для топлива цифры калорийности; для производства опыта может применяться и какой-нибудь иной твердый инертный материал.
Так как различные части аппарата обладают различной удельной теплотой по отношению к воде, следует определить водяной эквивалент аппарата, т. е. его теплоемкость сравнить с водой. Это делается путем сжигания чистого вещества (например тростникового сахара или нафталина), калорийность которого известна или может быть высчитана. Таким образом, если калориметр заключает в себе 2 л воды и водяной эквивалент его равен 350 г, то при вычислениях надо брать 2 350 см³.
Результат, показанный калориметром, дает общую калорийность, но для практических целей необходимо учесть скрытую теплоту пара, которая не теряется в калориметре (благодаря тому, что пары оказываются сгущенными), а в повседневном использовании топлива пропадает. Процентное содержание водорода в топливе должно быть известно или определено, а отсюда определяется и количество выделяющихся при горении паров.
В калориметрах для определения теплотворной способности газа сжигаемый газ измеряется точным прибором (газометром), а затем точно измеряется и то количество воды, которому передается теплота от сгоревшего газа. Калорийность определяется путем измерения температуры входящей и выходящей воды. Здесь опять приходится учитывать скрытую теплоту пара. Зная количество сожженного газа и пропущенной через аппарат воды, можно вычислить калорийность газа.
Температура может (правда, весьма приближенно) определяться, например, по цвету свечения накаленного тела (красное свечение, белое и т. д.). Для измерения относительно малых температур с большим удобством используется расширение жидкостей (ртуть или спирт в обыкновенных термометрах). Для высоких температур употребляется особый прибор, называемый пирометром. В одном из таких пирометров, предназначенном для измерения температур приблизительно до 550°, применяется платиновое сопротивление; изменение сопротивления платиновой проволоки, происходящее в результате изменения температуры, измеряется гальванометром, включенным в схему. Для измерения еще более высоких температур применяются термопары (из проволок различных металлов), один конец которых помещается в печь или иное место, температуру которого требуется измерить. Ток, протекающий в цепи термопары, измеряется, и температура находится вычислением. Более полное описание этих приборов можно получить в специальной литературе, руководствах по физике или каталогах фирм, производящих подобного рода аппаратуру.
Количество теплоты или иной формы энергии, поглощаемой или выделяемой при реакции, постоянно. Если металл окисляется (образуется окисел металла), то количество выделяемой энергии будет неизменным, независимо от времени, потребного на полную реакцию. Температура же, полученная при этом, будет меняться в зависимости от продолжительности реакции. Реакция может происходить с такой быстротой, что сразу же станет заметно выделение тепла и света, но может протекать и настолько медленно, что тепло будет рассеиваться прежде, чем обнаружится заметное изменение температуры. Количество выделенной энергии однако в каждом случае постоянно. Теплота, выделенная при реакции, будет иметь стремление уменьшиться за счет выделения световой или электрической (в отдельных случаях) энергии.
Это можно продемонстрировать на примере, путем сжигания таких веществ, как фосфор или углерод, в воздухе и в кислороде. В последнем случае реакция будет происходить более энергично, чем в предыдущем, и температура поднимется выше, но, если окислы образуются одни и те же, общее количество выделенной теплоты будет при опыте с кислородом несколько меньше. Общее же количество выделенной энергии будет одинаково.