Täydellinen ja epätäydellinen palaminen

Tämä on Michaelin uusi retkikeitin. Käytetäänpä sitä kokeeseen! Aukaise kaasuventtiili, jotta kaasu virtaa tankista polttimoon. Liekkiä ei vielä ole. Ota lämmön lähde, kuten sytytetty tulitikku, ja sytytä poltin.

Liekki ilmestyy! Mutta, jos laitat kuvun keittimen päälle, liekki ei saa ilmaa ja sammuu. Vielä yksi asia: ota kupu pois, katkaise kaasuvirta ja yritä sytyttää se uudestaan tulitikulla. Se ei syty! Tuli tarvitsee kolmea asiaa: kuumuutta liekin syttymiseksi ja ylläpitämiseksi, polttoainetta ja happea ilmasta.

Jos jokin niistä puuttuu, tuli sammuu. Miksi? Tulessa on kyse kemiallisesta reaktiosta, palamisesta. Kuten kaikkiin kemiallisiin reaktioihin, myös palamiseen tarvitaan reagoivia lähtöaineita — reaktantteja, Siihen tarvitaan oikeat olosuhteet, ja tuloksena on uusia aineita – tuotteita. Kokeessamme reaktanttina toimii polttoaine, tässä tapauksessa metaani.

Kun lämpöä on riittävästi, metaani saavuttaa syttymispisteen ja alkaa reagoida ilman hapen kanssa. Palaminen on nopea hapettumisreaktio ja siinä syntyy tuotteita, joissa on paljon happea, kuten oksideja. Jos happea on riittävästi reaktioon, metaanin palamistuotteita ovat hiilidioksidi ja vesi. Tämän reaktion reaktioyhtälö menee näin: yksi metaanimolekyyli, jossa on yksi hiiliatomi ja neljä vetyatomia, ja kaksi happimolekyyliä, joista kumpikin sisältää kaksi happiatomia, reagoivat tuottaen yhden hiilidioksidimolekyylin jossa on yksi hiiliatomi ja kaksi happiatomia, sekä kaksi vesimolekyyliä, joissa molemmissa on kaksi vetyatomia ja yksi happiatomi. Tämä on esimerkki täydellisestä palamisesta, joka tapahtuu, kun happea on riittävästi.

Mitä, jos happea ei ole tarpeeksi, kuten kävi, kun retkikeitin peitettiin? Kun happea on liian vähän, jotta kukin metaanimolekyyli voisi reagoida kahden happimolekyylin kanssa, ei voida tuottaa sekä hiilidioksidia että vettä. Seurauksena on epätäydellinen palaminen. Oletetaanpa, että happea on juuri tarpeeksi, jotta kukin metaanimolekyyli voi reagoida kolmen happiatomin kanssa, eli puolitoista happimolekyyliä. Reaktioyhtälössä ei voi olla puolikasta molekyyliä, joten tuplataan molempien lähtöaineiden määrä: kaksi metaanimolekyyliä reagoi kolmen happimolekyylin kanssa.

Eli kaksi hiiliatomia, kahdeksan vetyatomia ja kuusi happiatomia, jotka voivat yhdistyä uudelleen. Neljä happiatomia yhdistyvät kukin kahden vetyatomin kanssa muodostaen neljä vesimolekyyliä. Jäljelle jää kaksi hiiliatomia ja kaksi happiatomia. Kumpikin hiiliatomi yhdistyy yhden happiatomin kanssa muodostaen kaksi hiilimonoksidimolekyyliä. Entä, jos happimolekyylejä on vain yksi kullekin metaanimolekyylille?

Silloin vety kuitenkin yhdistyy hapen kanssa muodostaen vesimolekyylejä, mutta happea ei ole tarpeeksi, jotta hiiliatomi voisi yhdistyä ja syntyisi oksidia! Sekin on epätäydellistä palamista. Tuotteet ovat vesi ja hiili, joka ilmenee nokena. Sekä täydelliset että epätäydelliset palamisreaktiot tuottavat energiaa lämmön ja valon muodossa: täydellinen palaminen tuottaa sitä enemmän. Reaktiossa tuotettu energia pitää palamista yllä.

Palaminen on kemiallinen reaktio jonka kuumuus käynnistää ja jonka aikana aine — polttoaine — reagoi hapen kanssa. Se on korkeassa lämpötilassa tapahtuva nopea reaktio, josta vapautuu energiaa valon ja lämmön muodossa. Polttoaine palaa täydellisesti, jos happea on tarpeeksi. Polttoaine palaa epätäydellisesti, jos happea ei ole tarpeeksi.