Forbrenning

Forbrenning er en form for eksoterm kjemisk reaksjon mellom et drivstoff og et oksidasjonsmiddel, som blir satt igang med varme eller lys i form av en stråle eller flamme. Oksygen er vanlig oksidasjonsmiddel og reaksjonene gir mye energi i form av varme og lys. Drivstoffet kan være i flytende, fast eller gass. Det samme gjelder for oksidasjonsmiddelet. Den varmemengden man får ved forbrenning måles gjerne i joule (J) eller megajoule (MJ), tidligere ble varmemengden målt i kalorier (cal) eller kilokalorier (kcal).

Organiske forbindelser

Ved forbrenning av organisk materiale som olje, gass, kull m.m. går kjemisk energi i form av bindingsenergi i stoffene over til andre energiformer som varme og lys.

Fullstendig forbrenning

En fullstendig forbrenning skjer når det er tilstrekkelig med oksygen, og danner karbondioksid (CO₂) og vann (H₂O).
Fullstendig forbrenning av metan (CH₄):
CH₄ + 2O₂ → CO₂ + 2H₂O + varme

Ufullstendig forbrenning

En ufullstendig forbrenning skjer når det er begrenset tilgang på oksygen. Når en slik reaksjon skjer dannes det karbonmonoksid (CO). Det dannes også PAH, polyaromatiske hydrokarboner.
Ufullstendig forbrenning av metan:
CH₄ + 3/2O₂ → CO + 2H₂O + varme
Karbonmonoksid er en giftig gass fordi det binder seg til og blokkerer det siste enzymet i respirasjonskjeden, cytokrom oksidase.

Svært begrenset tilgang på oksygen

Ved svært begrenset oksygentilgang reagerer hydrogenet og danner vann, og en sotete flamme som inneholder elementært karbon dannes.
CH₄ + O₂ → C + 2H₂O + varme
På denne måten blir trekull laget ved å brenne tre i begrenset tilgang på oksygen. Når pipebranner oppstår kan en av årsakene være at trekullet blir antent.

Forbrenning av metaller

Korrosjon av jern og aluminium i luft er relativt langsomme reaksjoner. Noen ganger kan imidlertid reaksjoner mellom metaller og oksygen være hurtigere. Slike reaksjoner med oksygen kalles forbrenning.
Når man forbrenner magnesium, en reaksjon som skaper mye varme og et intenst lys.
2Mg(s) + O₂(g) → 2MgO(s) + varme
Dette benytter man seg av i fakler og blitspærer. Blitspærene inneholder en tynn magnesiumstråd i en atmosfære av rent oksygen. Tråden blir antent av at en liten elektrisk strøm sendes gjennom tråden slik at den varmes opp og setter igang forbrenningsreaksjonen.

Jern korroderer tregt, men hvis man tilfører varme og øker oksygentilgangen reagerer jern hurtig. Når man skjærer stål med en sveiseflamme tilfører man varme med en oksygen-acetylen-flamme. Når metallet er varmt nok, fjernes tilførselen av acetylen og bader stålet i rent oksygen. Store mengder varme utvikles i prosessen, noe som fører til at stålet smelter og sender ut stråler med gnister.

Forbrenning av ikke-metaller

To ikke-metaller som lett reagerer med oksygen er svovel og fosfor. Når svovel brenner får den en blå flamme og danner svoveldioksidgass. Denne gassen har en irriterende og vond lukt.
Ikke-metaller har lett for å danne syrer når de reagerer med oksygen og videre i vann.

Forbrenning av svovel

En viktig kilde til svoveldioksid i forurenset luft er tilstedeværelsen av organiske komponenter i kull og brensel produsert fra svovelholding råolje. Når slike forbindelser forbrenner oksideres svovel til SO₂. Et eksempel på dette er forbrenning av propylmerkaptan (C₃H₇SH).
C₃H₇SH + 6O₂ → 4H₂O + SO₂ + varme
Andre svovelholdige forbindelser reagerer på en tilsvarende måte og de samme produktene dannes.
2SO₂ + O₂ +2H₂O → 2H₂SO₄
SO2 reagerer med vann i atmosfæren og danner svovelsyre.

Forbrenning av fosfor

Når fosfor brenner ser man en veldig hvit flamme og en hvit sky med P₂O₅.
P₄ + 5O₂ → 2P₂O₅
P₂O₅ + 3H₂O → 2H₃PO₄
Når P₂0₅ reager med vann dannes fosforsyre.

NOx

Ikke alle ikke-metaller reager direkte med oksygen. Nitrogen er et godt eksempel på dette. Noe av dette forklarer hvorfor atmosfæren vår er stabil, som består av en blanding av oksygen og nitrogen. Forsøk på å antenne O₂ og N₂ lykkes vanligvis ikke. Reaksjonen er endoterm. Hvis luft varmes opp til høye temperaturer, som for eksempel i en bilmotor, dannes små mengder av oksidet NO. Når dette skjer slippes det ut i atmosfæren og skaper en kjedereaksjon som i store byer forårsaker smog. Dette er en sterkt forurenset tåke.
NOₓ som er en felles betegnelse på NO og NO₂.

Knallgassreaksjon

Eksempel på dette er når vann blir dannet i en knallgassreaksjon med oksygen og hydrogen. Denne typen reaksjon er vanlig som rakettdrivstoff.
2H₂(g) + O₂(g) → 2H₂O(g) + varme
Vann kan ikke antennes fordi det allerede er en «aske». Det skal store mengder med energi for å reversere denne reaksjonen.

Temperatur

Høye temperaturer oppnås ved forbrenninger. Høyeste temperatur måles i et punkt i flammen og kalles maksimal flammetemperatur.

Forbrenning i samfunnet

Av all energiforbruk på jorden består ca. 90% av forbrenningsreaksjoner. Gass og olje står for omtrent 55%. Forbrenning er viktig for vårt moderne samfunn og har en svært viktig rolle i mange forskjellige sammenhenger. Eksempel på dette er oppvarming, kraftproduksjon, transport og prosessindustri.

Forbrenningsteknologier

De vanligste teknologiene for forbrenning er; ristforbrenning, fluidisert sjikt-forbrenning, gassifisering og pyrolyse.