Verbrennung (Chemie)

Eine Verbrennung ist eine exotherme Redoxreaktion, bei der ein brennbarer Brennstoff durch Sauerstoff oxidiert wird. Das Oxidationsmittel Sauerstoff wird bei der Verbrennung reduziert und erniedrigt durch Aufnahme von Elektronen und Bildung von Oxiden seinen Oxidationszustand. Ein Bestandteil des Brennstoffs, fungiert bei der Verbrennung als Reduktionsmittel und erhöht durch Bildung von Oxiden seinen Oxidationszustand. Verbrennungsreaktionen verlaufen exotherm, also unter Abgabe von Energie in Form von Wärme und, oder Licht.

Wenn der Brennstoff eine feste, flüssige oder gasförmige Verbindung ist, die Kohlenstoff enthält, kommt es bei der Verbrennung meist zur Bildung von Flammen (Feuer) und es bilden sich, je nach Art und Ausmaß der Zufuhr von Sauerstoff die gasförmigen Reaktionsprodukte Kohlenmonoxid und, oder Kohlendioxid. Die C-Atome des Brennstoffs erfahren bei der Verbrennung eine Erhöhung ihres Oxidationszustandes, die der Erniedrigung des Oxidationszustandes beim Oxidationsmittel Sauerstoff entspricht.

Auch einige Metalle wie z. B. Magnesium können unter Bildung von Flammen verbrennen. Bei nicht brennbaren Metallen kann eine Reaktion vom Typ Verbrennung aber auch ohne Flammenbildung und langsam verlaufen unter Bildung von nicht gasförmigen Reaktionsprodukten, wie z. B. beim Rosten von Eisen unter Bildung verschiedener Eisenoxide.

Auch bei Substanzen, die der menschliche Körper als Energiequelle d. h. als Brennstoff benutzt, wie z. B. Glucose oder Fette, finden in den Körperzellen schrittweise und langsam verlaufende Oxidationsreaktionen mit Sauerstoff als Oxidationsmittel statt, die einer Verbrennung ähnlich sind. Diese Reaktionen verlaufen bei passend niedriger Körpertemperatur und könnten als Kalte Verbrennungen bezeichnet werden. Wegen ihrer großen physiologischen Bedeutung haben diese Reaktionen aber die spezielle Bezeichnung katabolische Stoffwechselreaktionen. Aus chemischer Sicht handelt es sich bei diesen Reaktionen ebenfalls um Redoxreaktionen.[1]

Begriffe, Einteilung

Brennchemie

Die Flamme emittiert elektromagnetische Strahlung aus dem ultravioletten, sichtbaren und infraroten Strahlungsbereich. Es ist zu unterscheiden zwischen der Festkörperstrahlung und der Strahlung gasförmiger Moleküle. Als Festkörper ist der Festbrennstoff oder gebildeter Ruß (z. B. Feinstaub bei der Heizölverbrennung) zu betrachten. Der Festkörper emittiert Strahlung über dem gesamten Spektralband und das Spektrum entspricht näherungsweise dem eines schwarzen Strahlers. Die gasförmigen Moleküle und Atome werden durch die exotherme Reaktion der Verbrennung aufgeheizt und es werden höhere Energieniveaus der Teilchen besetzt, von denen die Teilchen wieder auf einen energetisch tiefer liegenden Zustand fallen. Die Energiedifferenz bei Einnahme des Grundzustandes wird als Photon emittiert, die die Flamme bilden. Bei Molekülen werden Vibrations- und Molekülbanden besetzt; bei Atomen wird ein Linienspektrum emittiert. Diese Gasstrahlung ist selektiv und abhängig von den Bestandteilen des Brenngases und einer Vielzahl von Gasverbindungen, die teilweise auch nur als Zwischenprodukt bis zur vollständigen Verbrennung existieren. Im Gegensatz zur Festkörperstrahlung ist die emittierte Strahlung nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt.
Bei einer „unvollständigen Verbrennung“ treten nach der Verbrennung brennbare Gase (beispielsweise Kohlenmonoxid, Stickoxide, Wasserstoff, Methan) oder fester Kohlenstoff auf,[2] indem nicht alle möglichen Bindungen zum Oxidationsmittel entstehen. Hierher gehören die Verbrennung von Kohlenstoff zu Kohlenmonoxid oder die Herstellung von Grillkohle, Schwelbrand, das Verkoken.
Langsame „kalte Oxidation“ lässt sich beim Verrosten von Metallen oder in Lebewesen bei der Oxidation von Nährstoffen, also deren „Verbrennung“ feststellen.

Dynamik der Verbrennung

In der Technik wird zumeist einer geregelte Verbrennung angestrebt, die gleitend an den Wärmebedarf angepasst wird. Diese wird als stabilisiertes Brennen bezeichnet. Als Führungsgröße wird z. B. die Temperatur eines Wärmeträgers oder der Dampfdruck einer siedenden Flüssigkeit genutzt und der Massenstrom des Brennstoffes und der Verbrennungsluft wird dem Wärmebedarf angepasst. Der Massenstrom wird in einem Rahmen geregelt, dass im Brennraum und Abgasweg durch die thermische Ausdehnung der Verbrennungsgase nur geringe Druckanstiege auftreten. Die technische Verbrennung wird so geregelt und überwacht, dass der Brennstoff mit der zugeführten Verbrennungsluft kontrolliert verbrennt.

Verbrennungen, bei denen sich ein größeres Volumen des Brennstoff-Luft-Gemisches gebildet hat und dann gezündet wird, zeichnet sich durch eine schnelle Ausbreitung der Verbrennung in dem mit Gemisch gefüllten Raum aus. In geschlossenen Räumen erfolgt in einem sehr kurzen Zeitintervall eine große Druck- und Temperaturerhöhung, die als Explosion bezeichnet wird. Der maximale Explosionsdruck von Kohlen- und Wasserstoffhaltigen Brennstoffen in geschlossenen Räumen mit ursprünglichem Umgebungsdruck (Volumendeflagration) beträgt 10 bar; die Flammengeschwindigkeit liegt im Bereich von 0,5 m/s (Kohlenwasserstoffe) bis 2,5 m/s /Wasserstoff).[3] Explosionen mit geringem Druckanstieg (atmosphärische Deflagration) werden als Verpuffung bezeichnet.

Bei Explosionen in geschlossenen Systeme unterscheidet man zwischen zwei Arten.

Deflagrationen sind Explosionen die sich mit Unterschallgeschwindigkeit fortpflanzen[4].
Detonationen sind Explosionen, die sich mit Überschallgeschwindigkeit ausbreitet, und sich eine Stoßwelle ausbildet. Bei der stabilen Detonation werden Geschwindigkeiten von ca. 2000 m/s erreicht. Die Zündung des Brennstoff-Luft-Gemisches erfolgt durch adiabatische Kompression. Explosionsdrücke können bei der Detonation deutlich höher liegen als bei der Deflagration.

Brennraum

Hinsichtlich des bei der Verbrennung eingenommenen Raums (siehe dazu Flamme#Charakterisierung) unterscheidet man

flächige Verbrennung an Grenzflächen der Reaktionsmittel in der Flammenfront einer Flamme, beispielsweise
- Kerze
volumetrische Verbrennung nach Vormischung gas- oder dampfförmiger Bestandteile, beispielsweise
- Raketentriebwerk
- Porenbrenner

Nutz- und Schadfeuer

Die Verbrennung in einem Feuer kann kontrolliert (Nutzfeuer), zum Beispiel in einem Ofen, einem Dampfkessel (Feuerung), als Lagerfeuer, oder unkontrolliert als Schadfeuer bei einem Brand erfolgen.

Brandlehre, Brandklassen

Verlauf

Bei der Verbrennung reagiert eine Substanz, der Brennstoff, chemisch mit Sauerstoff oder mit einem anderen Gas. Der Brennstoff selbst kann fest (beispielsweise Holz, Kohle), flüssig (Benzin, Ethanol), flüssig werdend (Wachs) oder gasförmig (Methangas, Erdgas) sein. Letztlich beginnt vor der eigentlichen Verbrennung ein Verdampfen oder Cracken, sodass die entstandenen Gase mit dem gasförmigen Luftsauerstoff reagieren.

Voraussetzungen für eine Verbrennung

Verbrennungsdreieck

Für eine Verbrennung ist in ausreichender Menge brennbares Material nötig, das mit dem Oxidationsmittel reagiert, meist ist dies der Sauerstoff (siehe Sauerstoffindex). Darüber hinaus ist das richtige Mengenverhältnis des brennbaren Stoffes mit der Umgebungsluft oder dem reaktiven Gas und eine geeignete Zündquelle nötig. Ein Katalysator kann die Aktivierungsenergie, die für den Start der chemischen Reaktion erforderlich ist, herabsetzen. Dadurch kann die Verbrennung beschleunigt oder die zur Zündung notwendige Energie herabgesetzt werden.

Zünden

Die Einleitung des Brennvorgangs, das Zünden (Zuführen der Aktivierungsenergie), wird unterschiedlich bezeichnet. Während allgemein Verbrennungen entzündet werden, können insbesondere Feuer und Deflagrationen angezündet, Detonationen können gezündet werden (Zünder). Dämpfe und Gase entflammen.

Anbrennvorgang und Vollbrand

Sobald eine kleine Brennstoffmenge reagiert hat, bringt die dabei freigesetzte Wärme als Aktivierungsenergie weiteren Brennstoff zum Reagieren. Die Verbrennung ist in diesem Sinne eine thermische Kettenreaktion. Das bei der Verbrennung freigesetzte Licht wird von den glühenden Masseteilchen emittiert. Außerdem erhöht sich typischerweise die Temperatur sehr stark, was zur Heizung oder Verrichtung von Arbeit genutzt werden kann.

Zurzeit werden in Anlagen zur Wärmeerzeugung meist Kohlenwasserstoffe mit dem Sauerstoff der Luft zur Reaktion gebracht. Es entsteht dabei Abgas, das neben Luftstickstoff hauptsächlich Kohlenstoffdioxid (CO₂) und Wasser (H₂O) enthält. Je nach Art der Verbrennungsführung können verschiedene weitere Stoffe im Abgas enthalten sein, häufigste Anteile sind Kohlenmonoxid (CO), Stickoxide (NO_x) und unverbrannte Kohlenwasserstoffe. Bei fetter Verbrennung (Kraftstoffüberschuss) von Kohlenwasserstoffen kann Ruß entstehen.

Chemie der Verbrennung

Luftzahl

Für die Verbrennung an Luft wird die sogenannte Luftzahl benötigt. Diese ist ein Verhältniswert aus den Anteilen der Umgebungsluft, also Sauerstoff zu Stickstoff und Argon:

c_{\mathrm {O_{2}} }=21\,\%;c_{\mathrm {N_{2}} }=78\,\%;c_{\mathrm {Ar} }=1\,\%\rightarrow {\frac {79}{21}}=3{,}76\,{\frac {\mathrm {molN_{2}Ar} }{\mathrm {molO_{2}} }}

Sauerstoffbedarf

Bezogen auf 1 mol Brennstoff erhält man den zur vollständigen Verbrennung erforderlichen Anteil Sauerstoff $\nu _{\mathrm {O_{2}} }$ über:

\mathrm {C_{a}H_{b}O_{c}N_{d}F_{e}Cl_{f}Br_{g}J_{h}P_{i}S_{j}} +\nu _{O_{2}}(O_{2}+3{,}76\,\mathrm {N_{2}} )\Rightarrow

\mathrm {aCO_{2}+jSO_{2}+{\frac {i}{4}}P_{4}O_{10}+eHF+fHCl+gHBr+hHJ+{\frac {b-(e+f+g+h)}{2}}H_{2}O+\left({\frac {d}{2}}+3{,}76\,\nu _{O_{2}}\right)N_{2}}

Löst man obige Gleichung nach $\nu _{O_{2}}$ auf, so erhält man:

\nu _{O_{2}}=C+S+{\frac {5}{4}}P+{\frac {\mathrm {H-(F+Cl+Br+J)} }{4}}-{\frac {O}{2}}

beziehungsweise

\nu _{O_{2}}=a+j+{\frac {5}{4}}i+{\frac {b-(e+f+g+h)}{4}}-{\frac {c}{2}}

, wobei die Kleinbuchstaben die Anzahl der im Brandstoff enthaltenen Elemente angeben.

Stöchiometrische Konzentrationen

Die für die vollständige Verbrennung rechnerisch nötige Konzentration von Brennstoff erhält man über

\mathrm {c_{\text{stöch}}={\frac {100}{1+(1+3{,}76)\times \nu _{O_{2}}}}\,[{\text{Vol.-}}\%]}

beziehungsweise

\mathrm {c_{\text{stöch}}={\frac {{\text{Vol.-}}\%\times M\times 10^{-2}}{0{,}02405}}} \,[\mathrm {g/m} ^{3}]

Beispiel

Als Beispiel sei hier die vollständige Verbrennung von 1-Propanol ( $C_{3}H_{8}O$ , Molmasse 60,1 g·mol⁻¹) genannt:

\nu _{O_{2}}=3C+0S+{\frac {0}{4}}0P+{\frac {\mathrm {8H-(0F+0Cl+0Br+0J)} }{4}}-{\frac {1O}{2}}

\nu _{O_{2}}=3+0+0+{\frac {8-(0+0+0+0)}{4}}-{\frac {1}{2}}=3+2-0{,}5=4{,}5

Somit sind zur vollständigen Verbrennung von 1 mol Propanol 4,5 mol Sauerstoff nötig. Weiterhin lässt sich die stöchiometrische Konzentration, die für die Verbrennung nötig ist, berechnen:

\mathrm {c_{\text{stöch}}={\frac {100}{1+(1+3{,}76)\times 4{,}5}}=4{,}46\,{\text{Vol.-}}\%}

beziehungsweise

\mathrm {c_{\text{stöch}}={\frac {4{,}46\times 60{,}1\times 10^{-2}}{0{,}02405}}} =111{,}45\,\mathrm {g/m} ^{3}

Verbrennungsrechnung und Abgaszusammensetzung

Verbrennungsrechnungen mit den entsprechenden Abgaszusammensetzungen sind mit einem Rechenalgorithmus nach Werner Boie für den Anwendungsbereich Wärmetechnik besonders effizient möglich.[5]

Physik der Verbrennung

Beim brennbaren Material kann es nur zur Oxidation kommen, wenn ein einzelnes Atom oder Molekül des Brennstoffs mit Sauerstoff in direkten Kontakt kommt. Daher sind für die Verbrennungsgeschwindigkeit (Abbrandgeschwindigkeit) die Verfügbarkeit von Sauerstoff und sein inniger Kontakt mit dem Brennmaterial maßgeblich. Einige Löschverfahren beruhen darauf, die Sauerstoffzufuhr zu unterbrechen (Löschdecke, Schaum, CO₂-Löschanlage).

Die Versorgung mit Sauerstoff kann man durch stete Zufuhr von Frischluft erreichen, indem man in ein Holzfeuer bläst. Für Holzfeuer ist der Kamin dabei ein ideales Hilfsmittel. In dem sich verengenden Kaminrohr steigen die erwärmten Abgase schnell auf und erzeugen einen steten Unterdruck um das Feuer. Dieser saugt permanent frische Luft heran. Eine extreme Ausprägung sind Feuersturm und Waldbrände, die durch Winde, wie den Mistral, angefacht werden.

Um innigen Kontakt herzustellen, kann die Oberfläche des Brennstoffs vergrößert werden, das Vergasen des Brennstoffs in ein Gas ist eine geeignete Möglichkeit. Bei der Kerze schmilzt das Wachs am Boden des Dochts, steigt als Flüssigkeit auf und verdampft an der heißen Spitze. Das verdampfte Wachs verbrennt. Ein anschauliches Beispiel ist die Mehlstaubexplosion. Wird etwas Mehl in eine Kerzenflamme geblasen, wird das ansonsten unbrennbare Mehl durch die Zerstäubung brennbar und reagiert heftig. Beim Ottomotor erfolgt im Vergaser eine Verdampfung und im Dieselmotor wird der Brennstoff zerstäubt. Flüssiger Dieselkraftstoff lässt sich bei Raumtemperatur kaum entflammen. Durch die Einspritzanlage und eine schlagartige Verdichtung mit der daraus resultierenden Erhitzung im Verbrennungsraum zündet Diesel selbst und verbrennt.

Über allen Flüssigkeiten steht in Abhängigkeit von der Stoffeigenschaft spezifischer Dampfdruck und den Umgebungsfaktoren Druck und Temperatur eine Dampfwolke. Handelt es sich um eine brennbare Flüssigkeit ist diese Dampfschicht in einem bestimmten Bereich (zwischen unterer und oberer Explosionsgrenze) entzündlich. Die kurzkettigen Kohlenwasserstoffe, das Benzin, haben einen hohen spezifischen Dampfdruck, sind leicht flüchtig, bilden also schon bei niedrigen Temperaturen eine brennbare Dampfschicht über der Oberfläche aus. Der längerkettige Diesel zündet schwerer, da der Dampfdruck geringer ist.

In einigen chemischen Verbindungen sind das „Oxidationsmittel“ (Sauerstoff) und das zu oxidierende „Material“ in demselben Molekül enthalten, so in vielen Sprengstoffen. Nitroglyzerin mit der Summenformel C₃H₅N₃O₉ enthält pro Molekül neun Sauerstoffatome (in drei Nitrat- und Salpetersäureester-Gruppen) und damit mehr als genug, um die im Molekül enthaltenen Kohlen- und Wasserstoffatome vollständig zu Kohlendioxid und Wasser zu oxidieren. Die Verbindung ist instabil und zerfällt explosionsartig schon bei leichten Erschütterungen. Die gasförmigen Oxidationsprodukte nehmen ein Vielfaches des ursprünglichen Volumens ein und erzeugen einen sehr hohen Druck, der die Sprengwirkung verursacht. Auch in den Treibmitteln von Raketentriebwerken ist Sauerstoff in verschiedenen Trägersubstanzen als Oxidationsmittel vorhanden, da dies im Vakuum des Weltalls erforderlich ist.

Materialkunde

Die Verbrennung von Holz beginnt mit einer Erhitzung von außen. Bei nassem Holz unterbricht die Temperaturerhöhung bei etwa 100 °C die weitere Erhitzung des Holzes vor Erreichen der Zündtemperatur. Ist das Wasser weitestgehend verdampft, steigt die Temperatur und die Verbrennung der entweichenden Gase beginnt. Holz kann ungefähr das eigene Gewicht an Wasser speichern und für den Verdampfungsvorgang ist die latente Wärme nötig; so ist feuchtes oder nasses Holz kaum zu entzünden. Trockenes Holz zündet leichter und beginnt ab etwa 150 °C zu verkohlen. Dies ist eine Pyrolyse des Holzes durch hitzebedingte chemische Zersetzung. Es entstehen gasförmige Stoffe, die sich nach der Vermischung mit Luft entzünden. Die verbleibende Holzkohle besteht aus dem entgasten Holz und besteht im wesentlich aus Kohlenstoff, der zuletzt abbrennt.

Siehe auch

Literatur

J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble: Verbrennung. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-42128-9.
Rodewald: Brandlehre. 6. Auflage, W. Kohlhammer, Stuttgart 2007, ISBN 978-3-17-019129-7.
M. Lackner, F. Winter, A. K. Agarwal: Handbook of Combustion. Wiley-VCH, Weinheim 2010, ISBN 978-3-527-32449-1.
Drysdale: An Introduction to Fire Dynamics. Second Edition, John Wiley & Sons, Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chichester West Sussex 1998, ISBN 978-0-471-97291-4.

Weblinks

Wikibooks: Anorganische Chemie für Schüler/ Erforschen des Verbrennungsvorgangs – Lern- und Lehrmaterialien

Kurzer, populärwissenschaftlicher Artikel über die Grundlagen von Verbrennungsprozessen und ihre Erforschung

Einzelnachweise

Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Chemie. Die zentrale Wissenschaft. Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1, S. 103 f.
Gerhard Hausladen: Skript Heiztechnik. Universität-Gesamthochschule Kassel, Februar 1998, (PDF; 2,2 MB), online auf delta-q.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.
Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT) der Universität Magdeburg: Verbrennung gasförmiger Brennstoffe. Vorlesungsskript (Memento vom 18. Dezember 2018 im Internet Archive)
EN 1127-1 Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik, 2011
Bernd Glück: Zustands- und Stoffwerte, Verbrennungsrechnung. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1991, ISBN 3-345-00487-9, online auf BerndGlueck.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.

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[1] Theodore L. Brown, H. Eugene LeMay, Bruce E. Bursten: Chemie. Die zentrale Wissenschaft. Pearson Studium, 2007, ISBN 978-3-8273-7191-1, S. 103 f.

[2] Gerhard Hausladen: Skript Heiztechnik. Universität-Gesamthochschule Kassel, Februar 1998, (PDF; 2,2 MB), online auf delta-q.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.

[3] Institut für Strömungstechnik und Thermodynamik (ISUT) der Universität Magdeburg: Verbrennung gasförmiger Brennstoffe. Vorlesungsskript (Memento vom 18. Dezember 2018 im Internet Archive)

[4] EN 1127-1 Explosionsfähige Atmosphären - Explosionsschutz - Teil 1: Grundlagen und Methodik, 2011

[5] Bernd Glück: Zustands- und Stoffwerte, Verbrennungsrechnung. 2., überarbeitete und erweiterte Auflage, Verlag für Bauwesen, Berlin 1991, ISBN 3-345-00487-9, online auf BerndGlueck.de, abgerufen am 22. Dezember 2016.