| Geschichtliches
Eine Verbrennung wird daher auch als "Oxidation" (Verbindung mit Sauerstoff) bezeichnet. Dieser bestimmte Teil der Luft wurde 1777 von dem schwedischen Wissenschaftler deutscher Herkunft Carl Wilhelm Scheele isoliert und in seinem Buch "Chemische Abhandlung von der Luft und dem Feuer" beschrieben. Er nannte ihn "Feuerluft", heute kennen wir ihn unter dem Namen "Sauerstoff" Voraussetzungen Damit eine Verbrennung "funktioniert", müssen bestimmte Stoffe vorhanden sein oder bestimmte Voraussetzungen erfüllt werden:
und, gegebenenfalls:
Wird einer dieser Punkte weggenommen, so kann die Verbrennung nicht mehr weiter verlaufen. Ist dann auch noch brennbares Material nachweisbar, haben wir "gelöscht". Sauerstoff Sauerstoff (chem. Zeichen: O )ist das häufigste chemische Element der Erdrinde. Es ist in der Luft zu 20,95 Vol.-% enthalten. Wasser z.B. besteht zu 88 Gew.-% aus Sauerstoff. Es ist ein farbloses, geruchloses und geschmackloses Gas. Sauerstoff selbst ist nicht brennbar, fördert aber die Verbrennung. Brennbarer Stoff Brennbare Stoffe sind feste, flüssige oder gasförmige Stoffe einschließlich Dämpfe, Nebel oder Stäube, die im Gemisch mit Sauerstoff und einer geeigneten Zündquelle zum Brennen angeregt werden können. Brennbare Stoffe können auf verschiedenste Art und Weise eingeteilt werden:
oder, die Bekannteste,
Brennbare
Stoffe, die nach dem Brandverhalten beurteilt werden, werden
in vier so genannte Brandklassen eingeteilt:
Mengenverhältnis Das Mengenverhältnis kann großen Einfluss darauf haben, wie eine Verbrennung abläuft. Ein großer Holzstück lässt sich nur schwer anzünden. Das gleiche Stück Holz aber zu Staub zermahlen lässt sich sehr gut zünden und kann in der Luft verteilt gar zu einer Explosion führen. Analog dazu kann ein voller Behälter, der z.B. mit Benzin gefüllt ist, nicht zur Explosion gebracht werden; während die berühmte Schnapsglasmenge Benzin im Luftgefüllten 200-Liter-Faß bei der Zündung den Zündenden im wahrsten Sinne des Wortes aus den Socken reißt.
Bei festen Stoffen verläuft die Verbrennung um so schneller, je größer das Verhältnis Oberfläche zu Masse ist. Durch eine große Oberfläche wird dem Sauerstoff die Möglichkeit gegeben, sich in kurzer Zeit mit sehr vielen Molekülen des brennbaren festen Stoffes zu verbinden. Ein Rechenbeispiel, um sich die Ausmaße klar zu machen, ist im Anhang A geschildert.
Dämpfe oder Gase im Gemisch mit Sauerstoff müssen nicht in jedem Mischverhältnis zündbar sein. Der so genannte Zündbereich (oder Explosionsbereich) ist die Konzentration, in der sich die brennbaren Gase, Nebel oder Dämpfe im Luftgemisch zünden lassen. Der Zündbereich ist von Stoff zu Stoff verschieden. Die niedrigste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch, etc., zünden lässt, nennt man untere Explosionsgrenze; darunter ist das Gemisch zu "mager". Die höchste Konzentration, in der sich ein Gas-Gemisch, etc., zünden lässt, bezeichnet man als obere Explosionsgrenze; darüber ist das Gemisch zu "fett". (oberer/unterer) Explosionsbereich am Beispiel von Kohlenmonoxid:
Beispiele
für Explosionsgrenzen von verschiedenen Stoffen:
Je größer der Explosionsbereich, desto gefährlicher ist natürlich auch der Umgang mit diesem Stoff. Acetylen ist quasi in jeder Konzentration explosibel.
Zündtemperatur Die Zündtemperatur ist die niedrigste Temperatur, bei der
Da die Zündtemperatur von verschiedenen Randbedingungen abhängt, lässt sich eine genaue Angabe der Zündtemperatur eines bestimmten Stoffes nur grob angeben. Beeinflusst wird die Zündtemperatur zu Beispiel von:
Beispiele
für Zündtemperaturen verschiedener Stoffe
Katalysator Katalysatoren beschleunigen oder ermöglichen eine Verbrennung, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Die Wirkungsweise eines Katalysators beruht darauf, dass er mit einer der Substanzen des Materials eine reaktionsfähige Zwischenverbindung bildet, die eine geringere Aktivierungsenergie besitzt als das ursprüngliche Material. Die Zwischenverbindung reagiert mit dem anderen Reaktionspartner dann so, dass der Katalysator im Lauf der Reaktion wieder freigesetzt wird.
Wichtige Begriffe Flammpunkt
(Brandklasse Der "Flammpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der sich unter festgelegten Bedingungen Dämpfe in solcher Menge entwickeln, dass über dem Flüssigkeitsspiegel ein durch Fremdentzündung entzündbares Dampf/Luft-Gemisch entsteht." (DIN 14011 Teil 1) Wird die Zündquelle weggenommen, so läuft die Verbrennung nicht mehr von alleine weiter: Die Flammen erlöschen. Brennpunkt
(Brandklasse Der Brennpunkt einer brennbaren Flüssigkeit ist die niedrigste Flüssigkeitstemperatur, bei der ein fremd gezündetes Dampf/Luft-Gemisch weiter brennt, selbst wenn die Zündquelle entfernt worden ist. Der Brennpunkt liegt grundsätzlich über dem Flammpunkt. Je niedriger der Flammpunkt ist, um so näher liegt auch der Brennpunkt am Flammpunkt. Beispiel:
Schematische Darstellung von Flammpunkt, Brennpunkt und Zündpunkt (Zündtemperatur):
Einteilung brennbarer Flüssigkeiten Bei Flüssigkeiten brennt nicht die Flüssigkeit selbst, sondern die über der Flüssigkeitsoberfläche vorhandenen Dämpfe, die mit dem Sauerstoff der Luft durchmischt entzündbar sind. Die "Verordnung über brennbare Flüssigkeiten" (VbF) teilt brennbare Flüssigkeiten in 2 Gefahrklassen ein. Die Kenntnis über diese Gefahrklassen ist sehr wichtig bei der Wahl der Löschmethode und der Abschätzung der Gefahr, die von dieser Flüssigkeit ausgeht.
Allgemein gilt:
Oxidationsgeschwindigkeit, Oxidationsarten und andere Gefahren Ein normaler Brand ist nicht die einzige Möglichkeit, wie sich ein Stoff mir dem Luftsauerstoff verbindet. Die meisten dieser Vorgänge laufen vor unseren Augen ab, ohne, dass wir sie in kurzer Zeit bemerken. Wichtig ist hierbei der Begriff der Oxidationsgeschwindigkeit, also die Geschwindigkeit, in der sich der Sauerstoff mit dem Stoff verbindet. Wie bereits am Anfang gesagt, entsteht bei einer Oxidation Energie in Form von Wärme. Ab einer gewissen Oxidationsgeschwindigkeit wird soviel Energie frei, dass dabei eine Lichterscheinung beobachtet werden kann, eben Flamme oder Glut. Oxidationen mit Lichterscheinung bezeichnet man als Brennen.
Interessant für uns sind natürlich nur Oxidationen mit Lichterscheinung. Arten solcher Oxidation sind: Explosion Eine Explosion ist eine sehr schnelle Verbrennung, die eine Temperatur- oder Druckerhöhung oder beides gleichzeitig bewirkt. Nach der Ausbreitungsgeschwindigkeit und Druckerhöhung unterscheidet man zwischen Verpuffung, Deflagration und Detonation. Verpuffung Eine Verpuffung ist eine Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter 1m/s und einem geringen Druckanstieg unter 1 bar. Deflagration Eine Deflagration ist eine gedämmte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit unter der Schallgrenze (bis 330m/s) und einem Druckanstieg bis zu 1-14 bar. Detonation Eine Detonation ist eine aufs äußerste gesteigerte Explosion mit einer Flammenausbreitungsgeschwindigkeit von bis zu einigen km/s und einem Druckanstieg von mehr als 10 bar. Sie tritt meist auf, wenn der brennbare Stoff mit reinem Sauerstoff gemischt vorliegt, wie zum Beipiel bei der Knallgasreaktion (Wasserstoff-Sauerstoff-Gemisch) oder bei Sprengstoffen
Flash-Over Der Flash-Over (deutsch: "Feuerübersprung"), mittlerweile als "Backdraft" schon zu Hollywoodehren gekommen, stellt eine besondere Gefahr für die Einsatzkräfte dar. In einen verschlossenen Raum sei der Sauerstoff aufgebraucht. Durch starke Wärmeentwicklung bei der Entstehungsphase eines Brandes werden brennbare Stoffe in einem Raum thermisch aufbereitet. Es entstehen Brandgase, die ein explosives Gemisch bilden und ihre Zündtemperaturen erreichen. Wird nun dem Gemisch Sauerstoff hinzugefügt (z.B. durch das Öffnen der Zimmertür), so sind alles Voraussetzungen für eine Oxidation vorhanden. Es kommt zu einem schlagartigen Durchzünden und einer Brandübertragung (Stichflamme!). Abhilfe: Deckung suchen! (Wenn irgend möglich, beim Öffnen der Türe mit Sprühstrahl gegen die Decke spritzen. Dadurch wird das explosive Gemisch, welches zur Decke gestiegen ist, unter die Zündtemperatur abgekühlt. Wie die zeitliche Abfolge eine solche Aktion zulässt, ist natürlich fraglich.) Anschauungsbeispiel Oberfläche/Masse Laut Verbrennungstheorie lässt sich die Verbrennungsgeschwindigkeit eines festen Stoffes erhöhen, indem der brennbare feste Stoff zerkleinert oder feinst zerteilt wird. Dadurch wird die Oberfläche (bei gleich bleibender Masse) des brennbaren Stoffes größer, und der Sauerstoff kann schneller mit dem brennbaren Stoff in Kontakt treten. Das Verhältnis Oberfläche/Masse wächst also beim Zerteilen. Das folgende Modell soll das Anwachsen des Verhältnisses verdeutlichen: Man
stelle sich einen Würfel mit einer Kantenlänge von 1 m vor, der
aus einen Material wie Holz besteht Die Fläche jeder Seite beträgt 1 m *1 m = 1 m². Da ein Würfel 6 Seiten besitzt, beträgt seine Gesamtfläche 6*1m² = 6m² Wenn
ich den Würfel in gleicher Richtung zu zwei Seitenebenen, also parallel
zu zwei Kanten, durchschneide, so erhöhe ich die Gesamtfläche meines
ursprünglichen Materials um 2 m² 1. Will man den großen Würfel in 8 kleinere Würfel (Kantenlänge: 50 cm) zerteilen, so sind 3 Schnitte, nämlich 1 horizontaler und 2 vertikale Schnitte notwendig. Die Gesamtfläche erhöht sich also:
2. Man zerteile den großen Würfel in Knobelwürfel von 2 cm Kantenlänge.
3. Man zerteile den großen Würfel zu groben Mehl (in Würfelchen von 0.1 mm Kantenlänge).
4. Man zerteile den großen Würfel zu Staubpartikeln durchschnittlicher Größe (Kantenlänge: 0,0005 mm).
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