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 bildet bei der Verbrennung das Reduktionsmittel und erhöht durch Bildung von Oxiden seinen Oxidationszustand.

Bei den Reaktionsschritten wird Energie freigesetzt, die als Strahlung (Flammenbildung) und innere Energie (Wärme im Abgas) abgeführt wird.

Im Gegensatz zur Explosion wird die kontrollierte exotherme Oxidation eines Brennstoffes als Verbrennung bezeichnet. Eine Explosion ist gekennzeichnet durch eine schnelle Reaktion größerer Brennstoffmengen. In geschlossenen Räumen können durch den kurzzeitig auftretenden Temperaturanstieg erhebliche Explosionsdrücke auftreten, die zerstörerische Auswirkungen haben können; siehe auch Deflagration und Detonation.

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.

Begriffe, Einteilung

Chemie der Verbrennung

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 Spektralbereich. Dieses Spektrum entspricht näherungsweise dem eines schwarzen Strahlers. Den gasförmigen Molekülen und Atomen werden durch die exotherme Reaktion der Verbrennung Energie zugeführt, und es werden durch Stoßprozesse höhere Energieniveaus der Teilchen eingenommen. Wenn das Elektron wieder einen energetisch tiefer liegenden Zustand einnimmt, wird die Energiedifferenz als Strahlung emittiert und ein Photon ausgesandt. Diese Leuchterscheinung bildet die Flamme. Bei Molekülen werden Vibrations- und Molekülbanden besetzt; bei Atomen wird ein Linienspektrum emittiert. Diese Gasstrahlung ist selektiv und abhängig von den Bestandteilen des Brenngases. Das besteht aus einer Vielzahl von Radikalen, die teilweise auch nur als Zwischenprodukt bis zur vollständigen Verbrennung existieren. Im Gegensatz zur Festkörperstrahlung ist die emittierte Gasstrahlung nicht gleichmäßig über das Spektrum verteilt. Das Spektrum einer Flamme ist abhängig von der Teilchenzusammensetzung in der Flamme. So ist die Strahlung einer Wasserstoffflamme insbesondere im sichtbaren Bereich sehr schwach, da die Radikalen (H₂, OH^-, H, H⁺) im sichtbaren Wellenlängenbereich kaum elektronische Übergänge besitzen.

Langsame „kalte Oxidation“ lässt sich beim Verrosten von Metallen oder in Lebewesen bei der Oxidation von Nährstoffen, also deren „Verbrennung“ feststellen.

Quellen

• J. Warnatz, U. Maas, R. W. Dibble: Verbrennung. Springer, Berlin 2001, ISBN 3-540-42128-9.