Ex.CE.L Unternehmensberatung und Arbeitsschutz
Ingenieur- und Sachverständigenbüro
Dipl.-Ing. (mult.) Mario Kräft

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Chemische Grundlagen der Verbrennung

Einleitung

Fast alle brennbaren Stoffe, inklusive der technisch nutzbaren Brenngase, stellen chemische Verbindungen der Elemente Wasserstoff und Kohlenstoff dar. Spricht man nun vom Verbrennen dieser Stoffe, so meint man damit im allgemeinen die schnelle chemische Vereinigung dieser Reaktionsausgangsstoffe (Edukte) mit dem, in der Atmosphärenluft zu 21 %Vol. vorhandenen Luftsauerstoff zu den Reaktionsendstoffen (-produkten) Kohlenstoffdioxid (auch: Kohlendioxid, chemisches Symbol: CO2) und Wasser (chemisches Symbol: H2O), unter Freisetzung von Wärmeenergie und mit Feuererscheinungen. Da mit dieser Reaktion eine Freisetzung von Wärmeenergie einhergeht, spricht man auch von einer exothermen Reaktion.

Die Oxidation

Die Oxidation ist die Elektronenabgabe aus Atomen oder Molekülen unter Erhöhung der positiven Ladung des oxidierten Elements. Die Umkehrung dieses Vorganges also die Elektronenaufnahme nennt man Reduktion. [1, 3]

Zur Verdeutlichung der eben angeführten Definition, wird versucht, diese Reaktionsvorgänge am einfachen Beispiel der Wasserstoffoxidation und der Sauerstoffreduktion zu erläutern:

Atombau Wasserstoff und Sauerstoff - Modelldarstellung 

 

Wasserstoff animiertes Atommodell

Wasserstoffatom

Sauerstoff - animiertes Atommodell

Sauerstoffatom

Bild: H2- und O2-Atombau dreidimensional

 

Da sich in der Atomhülle der Atome generell die gleiche Anzahl negativer Ladungsträger (Elektronen), wie positiver Ladungsträger (Protonen) im Atomkern aufhalten, sind die Atome im elektrisch neutralen Zustand.

Die Ionenbildung

Werden den Atomen aus Ihrer äußeren Elektronenschale (Valenz-)Elektronen entrissen, so ändert sich der elektrische Ladungszustand des Atoms, und es bildet sich ein positiv geladenes Ion.

Wasserstoffionenbildung als stoechiometrische Summenformel

So wird das Wasserstoffatom durch Entzug seines Elektrons zum elektrisch positiv geladenen Wasserstoffion.

Im Gegensatz hierzu, kann aus dem Sauerstoffatom, durch Aufnahme von Elektronen in seine 2. Schale, ein zweifach negativ geladenes Sauerstoffion entstehen.

Die Molekülbildung 

Um einen möglichst energiearmen Zustand zu erreichen,, der dem eines Edelgases nahe kommt, sind Atome bestrebt, durch Elektronenaustausch mit anderen Atomen eine so genannte »Edelgaskonfiguration«, das heißt, eine Sättigung ihrer Valenz- oder Außenschale zu erreichen. Dieser sehr stabile Zustand ist zum Beispiel dann erreicht, wenn sich auf der ersten Schale, vergleichbar dem Heliumatom, zwei Valenzelektronen befinden oder auf der äußersten Schale, wie beim Neonatom, und allen anderen Edelgasen (Argon, Krypton, Xenon, Radon), mindestens acht Elektronen befinden. 

So muss bei der Wasserstoffoxidation ein Sauerstoffatom zwei Wasserstoffatomen jeweils ein Elektron entreißen, was die Bildung zweier positiv geladenen Wasserstoffionen und das Entstehen eines negativ geladenen Sauerstoffions zur Folge hat. Da sich die elektrisch entgegengesetzt geladenen Ionen anziehen, ist mit dieser Reaktion die Bildung eines stabilen Wassermöleküls verbunden.

Bildung des Wassers durch Nutzung der gemeinsamen Valenzelektronen zwischen den beiden Wasserstoffatomen und dem Sauerstoffatom 

 

Bild: Bildung des Wassermoleküls durch gemeinsame Nutzung der Elektronen

 

Andere, langsamer als Verbrennungsreaktionen verlaufende Formen der Oxidationsreaktionen (also ohne Feuererscheinung), sind beispielsweise die Gärung, die aeroben Fäulnisprozesse oder die aufgrund der technischen Bedeutsamkeit als der Korrosionsprozess »Rosten« bezeichnete Oxidationsreaktion der Eisenwerkstoffe.

Die Verbrennung stellt also einen Sonderfall der Oxidationsreaktionen dar, deren Reaktionsgeschwindigkeit so groß ist, dass sie mit Feuererscheinungen einhergehen.

Es sind aber auch sehr schnelle Oxidationsreaktionen ohne die Beteiligung von Sauerstoff, wie zum Beispiel die Salzsäuresynthese aus den Edukten Wasserstoff und Chlor, die explosionsartigen Verlauf zeigt, bekannt, so dass sich die Frage nach einer präziseren Definition der Verbrennung stellt.

Es konnte nachgewiesen werden, dass sich der Energiegewinn aus dieser Reaktion (sichtbar als Feuererscheinung) rein durch den Elektronenaustausch zwischen den Reaktionspartnern ergibt, ebenso wie dies bei den unter Sauerstoffeinfluss ablaufenden Oxidationsreaktionen der Fall ist, so dass der Begriff der Oxidation auch auf andere exotherme Reaktionen erweitert werden muss, bei denen kein Sauerstoff beteiligt ist.

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