Geschichte des Verbrennungsstudiums

Verbrennung, Feuer und Flamme wurden von frühester Zeit an beobachtet und spekuliert. Jede Zivilisation hatte ihre eigene Erklärung dafür. Die Griechen interpretierten Verbrennung in Bezug auf philosophische Lehren, von denen eine war, dass ein bestimmtes “brennbares Prinzip” in allen brennbaren Körpern enthalten war und dieses Prinzip entkam, wenn der Körper verbrannt wurde, um mit Luft zu reagieren. Eine Verallgemeinerung des Konzepts lieferte die im 17. Zunächst als rein metaphysische Eigenschaft behandelt, wurde Phlogiston später als materielle Substanz mit Gewicht und manchmal negativem Gewicht konzipiert. Die Unzulänglichkeit der Phlogiston-Theorie wurde erst im späten 18.Jahrhundert deutlich, als sie sich als unfähig erwies, eine Vielzahl neuer Fakten über die Verbrennung zu erklären, die zum ersten Mal als Ergebnis zunehmender Genauigkeit in Laborexperimenten beobachtet wurden.

Der englische Naturphilosoph Sir Francis Bacon beobachtete 1620, dass eine Kerzenflamme ungefähr zur gleichen Zeit eine Struktur hat, als Robert Fludd, ein englischer Mystiker, ein Experiment zur Verbrennung in einem geschlossenen Behälter beschrieb, in dem er feststellte, dass dadurch eine Luftmenge verbraucht wurde. Ein deutscher Physiker, Otto von Guericke, demonstrierte mit einer Luftpumpe, die er 1650 erfunden hatte, dass eine Kerze in einem Behälter, aus dem die Luft gepumpt worden war, nicht brennen würde. Robert Hooke, ein englischer Wissenschaftler, schlug 1665 vor, dass Luft eine aktive Komponente habe, die sich beim Erhitzen mit brennbaren Substanzen verbinde und zu Flammen führe. Eine andere Idee schrieb die hohe Temperatur der Flamme der schnellen Bewegung von aktiven Luftpartikeln zu, und es wurde gelernt, dass Schwefel, der mit Salpeter gemischt ist, in Abwesenheit von Luft brennen kann (Salpeter ist eine Verbindung von Sauerstoff, die Sauerstoff an den Schwefel abgibt).

Die erste Näherung der wahren Natur der Verbrennung wurde vom französischen Chemiker Antoine-Laurent Lavoisier postuliert: er entdeckte 1772, dass die Produkte von verbranntem Schwefel oder Phosphor — in der Tat ihre Asche — die ursprünglichen Substanzen überwogen, und er postulierte, dass das erhöhte Gewicht auf ihre Kombination mit Luft zurückzuführen sei. Interessanterweise war bereits bekannt, dass Metalle, die durch Hitze in metallische Asche umgewandelt wurden, weniger wogen als die metallische Asche, aber die Theorie war, dass Phlogiston in Metallen in bestimmten Fällen ein negatives Gewicht hatte und beim Entweichen während der Verbrennung die Asche des Metalls zurückließ schwerer als es mit dem Phlogiston darin gewesen war. Später kam Lavoisier zu dem Schluss, dass die “feste” Luft, die sich mit dem Schwefel verbunden hatte, identisch mit einem Gas war, das der englische Chemiker Joseph Priestley beim Erhitzen der metallischen Asche von Quecksilber erhalten hatte; das heißt, die “Asche”, die beim Verbrennen von Quecksilber erhalten wurde, konnte dazu gebracht werden, das Gas freizusetzen, mit dem sich das Metall verbunden hatte. Dieses Gas war auch identisch mit dem, das der schwedische Chemiker Carl Wilhelm Scheele als aktive Luftfraktion beschrieb, die die Verbrennung aufrechterhielt. Lavoisier nannte das Gas “Sauerstoff.”

Lavoisiers Theorie, dass Verbrennung eine Reaktion zwischen der brennenden Substanz und dem in der Atmosphäre nur begrenzt vorhandenen Gassauerstoff war, basierte auf wissenschaftlichen Prinzipien, von denen das wichtigste das Gesetz der Erhaltung der Materie war (nach Einsteins Relativitätstheorie) von Materie und Energie): Die Gesamtmenge an Materie im Universum ist konstant. Sogar antike Philosophen hatten dieses Gesetz erraten, und es wurde im 17. Lavoisier klärte auch den Begriff des “Elements” in eine moderne Verallgemeinerung, dass es sich um eine Substanz handelte, die nicht abgebaut werden konnte, und auch dies unterstützte seine Theorie. Bald darauf waren Studien von Gasen durch den englischen Chemiker John Dalton und die erste Tabelle von Atomgewichten, die Dalton zusammenstellte, sowie viele neue Gase, die von anderen Wissenschaftlern entdeckt wurden, wichtig, um nicht nur Lavoisiers Theorie der Verbrennung, sondern sein ganzes neues System der Chemie auf der Grundlage genauer Messungen zu unterstützen. Die Entdeckungen von Stickstoff und Wasserstoff in der zweiten Hälfte des 18.Jahrhunderts, die zu den früheren Entdeckungen von Kohlendioxid und Kohlenmonoxid hinzukamen, und die Entdeckung, dass die Zusammensetzung der Luft bemerkenswert konstant ist, obwohl sie eine Mischung ist, stützten Lavoisiers Theorie. Die richtige Erklärung der Verbrennung, vielleicht die älteste anerkannte chemische Reaktion, wird in der Regel gesagt, ein Eckpfeiler in der Entwicklung der modernen Wissenschaft gewesen zu sein.

Von 1815 bis 1819 experimentierte der englische Chemiker Sir Humphry Davy mit der Verbrennung, einschließlich Messungen der Flammentemperaturen, Untersuchungen der Wirkung verdünnter Gase auf Flammen und Verdünnung mit verschiedenen Gasen; Er entdeckte auch die katalytische Verbrennung — die Oxidation von Brennstoffen auf einer katalytischen Oberfläche, begleitet von der Freisetzung von Wärme, jedoch ohne Flamme.

Trotz dieser Entdeckungen fehlte der materialistischen Verbrennungstheorie ein klares Energiekonzept und damit die entscheidende Rolle, die Energieberlegungen bei einer genauen Erklärung der Verbrennung spielen. Es waren die Experimente des in Amerika geborenen englischen Chemikers Sir Benjamin Thompson mit Wärme im Jahr 1798, die Beweise für das Konzept der Wärme als Bewegung von Partikeln enthüllten. Die Entwicklung einer kinetischen Theorie von Gasen, basierend auf der Prämisse, dass Wärme aus der Bewegung von Molekülen und Atomen resultiert, der Thermodynamik und der Thermochemie, alles im 19.

Die Untersuchung der Verbrennungsgeschwindigkeiten, Experimente zur Reihenfolge der Ereignisse bei der Verbrennung von Gasgemischen und die Untersuchung des Abbaus von Gasmolekülen durch Wärme (thermische Dissoziation) spielten in der letzten Hälfte des 19.Jahrhunderts eine wichtige Rolle bei der Verfeinerung der Theorien über den Verbrennungsmechanismus. Untersuchungen des von Flammen emittierten Lichts führten zu seiner Analyse im Spektroskop, einem Gerät, das eine Mischung von Lichtwellen in die Komponentenwellen trennt, und zur Spektralanalyse im Allgemeinen, einschließlich Theorien atomarer und molekularer Spektren, was wiederum zu einem Verständnis der Natur von Flammen beitrug. Der Bunsenbrenner war auch für die Untersuchung der Flammenstruktur von Bedeutung. Der Fortschritt in der Industrie war ein starker Anreiz bei der Suche nach Klärung von Flammenphänomenen. Explosionsgefahren in Kohlebergwerken hatten bereits 1815 auf die Flammenausbreitung aufmerksam gemacht, als Davy seine Sicherheitslampe erfand. 1881 wurde die Detonation entdeckt, was zu Beginn des 20.Jahrhunderts zu einer Detonationstheorie führte, die auf der Annahme beruht, dass sich ein Gas unter bestimmten Bedingungen wie eine Flüssigkeit verhält. Nach den 1930er Jahren wurde die chemische Kinetik zu einem unverzichtbaren Bestandteil der Flammenausbreitungstheorie.