2. Что же такое горение топлива?

 

Поясним это на примере горения угля. Известно, что углерод соединяется с кислородом воздуха, образуя двуокись углерода:

 

$C+O_2\to C{O}_2+Q$.

 

Рассмотрим строение атомов кислорода и углерода (рис. \(2\)).

 

 

В центре каждого из них находится ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра вращаются электроны — отрицательно заряженные частицы. Именно потому, что ядро и электроны имеют противоположные заряды, ядро притягивает электроны, которые в нормальных условиях не могут оторваться от него.

Однако не все электроны ядро «удерживает» с одинаковой силой. И не только потому, что некоторые электроны находятся на более далёком расстоянии от него и в связи с этим действующая на них сила притяжения меньше, но и потому, что электроны расположены особым образом.

Дело в том, что электроны движутся вокруг ядра не хаотично, а образуют что-то вроде следующих друг за другом слоёв-оболочек, расположенных всё дальше от ядра. На каждой оболочке может находиться только строго определённое число электронов. Если последняя, самая дальняя оболочка не заполнена до конца, то атом стремится «поймать» электроны извне. Если же за пределами последней оболочки находится только один или несколько электронов, атом легко теряет их, потому что он относительно слабо с ними связан.

У атома кислорода на последней электронной оболочке имеется как раз два свободных места, а у атома углерода на последней оболочке находятся четыре слабо связанных с ним электрона (рис. \(3.1\)).

 

 

Итак, если атомы кислорода «соприкасаются» с атомами углерода, то кислород стремится «отнять» у углерода слабо связанные электроны. Поскольку каждый атом кислорода может «поймать» только два электрона, нужны, таким образом, два атома кислорода, которые могут забрать четыре электрона у одного атома углерода.

Переход электронов от атома углерода к атому кислорода ведёт к образованию двух атомов кислорода с отрицательным зарядом (теперь они имеют на два отрицательных заряда больше, чем электрически нейтральный атом) и одного атома углерода с положительным зарядом (потеряв отрицательные заряды, атом остаётся с неуравновешенным положительным зарядом ядра).

 

 

Атом углерода притягивает оба атома кислорода (рис. \(3.2\)). Образуется состоящая из сравнительно сильно связанных атомов молекула двуокиси углерода — ${\mathit{CO}}_2$.

Чтобы снова получить отдельно атомы кислорода и углерода, надо разбить эту молекулу. Для этого потребовалось бы определённое количество энергии. Именно эта энергия и выделилась при соединении кислорода с углеродом в виде электромагнитного излучения — света и инфракрасных лучей (потому-то огонь светит и греет), частично превратилась в энергию движения молекул воздуха и газов, образовавшихся при сгорании.

 

Атомы, из которых состоят предметы, находящиеся поблизости от огня (например, стены печи), поглощают электромагнитное излучение. В результате этого, а также под воздействием ударов нагретых, быстро движущихся молекул газа атомы сами начинают колебаться интенсивнее. А тепло — ведь это не что иное, как неупорядоченное колебание атомов в твёрдых телах и движение атомов в газах. Чем выше энергия этого движения, тем выше температура.

 

Потому что внешние электроны в атомах углерода связаны со всем атомом сравнительно слабо, однако достаточно для того, чтобы атом не мог самопроизвольно потерять их. Нужна, таким образом, высокая температура, чтобы возбудить быстрое движение атомов кислорода в воздухе, которые, приобретя достаточную скорость, могут при столкновении с атомами углерода оторвать от них слабосвязанные внешние электроны.

Таблица \(1\). Температура самовоспламенения некоторых видов топлива

 

 

Значит, для того чтобы уголь загорелся, надо сначала сильно нагреть его, а затем реакция будет протекать самостоятельно, под влиянием температуры, образующейся в результате горения.

 

Реакция горения — это процесс, в котором участвуют только электроны, находящиеся на поверхности атома. Количество энергии, которую можно получить при химических реакциях, определяется силой связи электронов в атоме и силой связи атомов в молекуле (в нашем случае — в молекуле двуокиси углерода). Эти силы очень малы по сравнению с силами, связывающими частицы ядра. Вот почему химические реакции могут дать так мало энергии, по сравнению с ядерными реакциями.