Bränder och explosioner
Förbränning är en oerhört komplicerad process. Till en början kan det se väldigt enkelt ut när exempelvis naturgas (metan, CH4) brinner i luft och ger koldioxid och vatten:
I själva verket sker hundratals olika reaktioner och mängder med föreningar finns i en låga. Några av dessa, framförallt CH och C2, ger lågan dess blåa färg. I ett stearinljus bildas en stor mängd av större partiklar som, när de värms upp, ger så kallad svartkroppsstrålning som ger olika gula och röda färger beroende på temperatur:
Skillnaden mellan en förbränning och en explosion är hastigheten. En normal förbränning har ofta en hastighet på ett par millimeter per sekund. Om hastigheten istället är fler hundra meter per sekund kallas det deflagration och kännetecknas av ett vinande ljud. Exempel på deflagration är raketer. När hastigheten är över 1200 meter per sekund, så överförs inte energin i huvudsak genom värmestrålning längre, utan istället i form av en tryckvåg. Det blir en knall!
För att få andra färger på en låga kan man tillsätta olika metallsalter. När dessa upphettas ger de ifrån sig strålning med olika våglängd och därmed olika färg:
I vårt experiment lägger vi små mängder av kaliumbromid, kopparsulfat, kopparklorid, bariumnitrat, strontiumnitrat och natriumklorid i små urglas. Sedan häller vi på metanol och tänder eld, vilket ger en brinnande regnbåge:
Vanlig luft innehåller 21% syrgas och resten är inerta gaser, det vill säga gaser som inte reagerar så lätt, exempelvis kvävgas, koldioxid och argon. Det är bara syrgasen i luften som kan underhålla förbränning. Om man höjer andelen syrgas ökar förbränningshastigheten och branden kan bli explosionsartad. I vårt experiment tänder vi eld på en blandning av etanol och väteperoxid. Den brinner lugnt med en svag blå låga. När vi sedan tillsätter en katalysator, det vill säga en förening som skyndar på kemiska reaktioner, kommer väteperoxiden snabbt att brytas ner till syrgas och vatten. Nu blir branden mycket häftigare! Som katalysator använder vi kaliumpermanganat (KMnO4).
Det går även att fylla ett mätglas med ren syrgas. Diffusionen är så pass låg att gasen blir kvar i röret tillräckligt länge för vårt försök. Vad vi gör här är att elda stålull (använd inte tvålull!). En vanlig spik är nästan omöjlig att sätta eld på men om man finfördelar järn till tunna trådar, som i stålull, går det bra att tända eld. Stålullen brinner relativt långsamt i vanlig luft men desto snabbare i ren syrgas!
Om man bubblar gaser genom diskmedelslösning får man såpbubblor fyllda med gasen. Eftersom såpbubblrona hänger ihop bildas en "gasorm". I vårt experiment bubblar vi först igenom helium. Helium är 7 gånger lättare än luft och ormen stiger rakt upp. När den blivit tillräckligt lång har den så mycket lyftkraft att den lättar och svävar iväg. Nästa gas är metan. Metan är bara två gånger lättare än luft och stiger inte lika lätt. Metan är dock brandfarlig. Den varma gasen är ännu lättare och det blir ett brinnande moln som stiger uppåt. Slutligen vätgas! Vätgas är 14 gånger lättare än vad luft är och bildar explosiva blandningar med syre. Förbränningen är avsevärt snabbare och sker med en knall!
Vi gillar vätgas och har fler experiment med denna. En vätgasballong är till och med lättare än en heliumballong. Om vätgasen tänds på brinner den snabbt upp med en knall. Syremängden är dock inte optimal för att få en riktigt kraftig explosion utan det blir mer frågan om en snabb, explosionsartad brand.
Om man låter gaserna från en förbränning passera genom ett litet utgångshål får man en raket. En riktig raket har ett specialkonstruerat munstycke som kallas dysa. I detta försök har vi fyllt en flaska med vatten och sedan fyller vi på med vätgas till en fjärdedel. När det är dags att skjuta av raketen tömmer vi försiktigt ut vattnet och kvar har vi en perfekt blandning som ger deflagration (snabb förbränning). Vi riktar raketen, öppnar korken och tänder på. En enliters flaska skjuts ofta upp fem-sex meter!
Detta är vårt finalnummer! Här fyller vi en
upp-och-nervänd plåtburk med vätgas. Burken har ett
litet hål i botten och ett par små hål längs
toppen. Vi tänder eld på vätgasen i det lilla
hålet. Nu är det för lite syre inne i burken och det
enda som händer är att gasen som slinker ut brinner med en
nästan osynlig låga. Dock sugs det hela tiden in mer luft
och när blandningen är rätt så går
förbränningen över i deflagration och ljudet blir
vinande. Efter ytterligare några sekunder har
detonationsgränsen (59%) uppnåtts och blandningen
exploderar. Detta brukar ta 60 till 70 sekunder.
