Täydellinen palaminen on kemiallinen reaktio, jossa tietyn aineen kaikki hiiliatomit kulutetaan kokonaan. “Palaminen” ymmärretään yleensä synonyymiksi “polttamiselle”, vaikka kemiallinen määritelmä on yleensä paljon laajempi kuin pelkkä liekin tai tulen polttaminen. Tulipalot ovat varmasti palamisen muoto, ja ne voivat johtaa puun ja muiden aineiden täydelliseen palamiseen. On kuitenkin myös monia muita mahdollisuuksia. Tieteellisestä näkökulmasta tällainen reaktio tapahtuu aina, kun happea, lämpöä ja kaikenlaista hiiltä sisältävää polttoainetta on läsnä yhdessä. Hiiliatomit sitoutuvat happiatomeihin siten, että ne muodostavat täsmälleen parin, ja lämpö käynnistää muutoksen – yleensä hiilidioksidiksi ja veteen, mutta tämä voi riippua alkuaineiden kemiallisesta koostumuksesta.
Jos ilmakehässä ei ole tarpeeksi happea vastaamaan jokaista hiiliatomia, palaminen on yleensä epätäydellistä, mikä tarkoittaa, että muuntaminen muuttaa osan materiaalista kaasuksi, mutta ei kaikkea. Reaktioon tarvittava lämmön määrä kummassakin tapauksessa riippuu yleensä polttoaineesta, koska lämpötilan on oltava kyseisen materiaalin palamiskynnyksen yläpuolella tai sen yläpuolella, jotta reaktio tapahtuu lainkaan.
Palamisen ymmärtäminen yleensä
Monia materiaaleja ja kaikkea elämää ylläpitävää pidetään hiilipohjaisina. Hiili on alkuaine, joka on lähes kaikkialla, aivan kuten happi. Jokaisella hiiltä sisältävällä yhdisteellä on syttymislämpötila, joka on lämpötila, jossa se palaa. Eri yhdisteillä on erilaiset kynnysarvot, mutta lämpö on aina ensimmäinen vaatimus. Joskus tämä lämpö voi olla todella vähäistä, kuten kitkan aiheuttama, kun tulitikku osuu karkeaan pintaan; monissa tapauksissa sen on kuitenkin oltava paljon korkeampi.
Kun materiaali altistuu syttymislämpötilaa korkeammalle lämmölle, hiiliatomit alkavat järjestyä uudelleen. Ne sopivat yhteen ilmakehän hapen kanssa ja atomitasolla tapahtuu pieni reaktio, joka ulkopuolelta katsottuna voi usein olla melko dramaattinen. Joskus koko asia palaa liekkeihin, tai se saattaa nopeasti näyttää sulavan tai liukenevan; se voi nousta savuun ja aiheuttaa joskus melua kuin paukkua tai poppia. Paljon riippuu mukana olevista aineista ja siitä, mitä muuta polttoyhdiste sisältää yksinkertaisen hiilen lisäksi. Nämä toissijaiset elementit ovat yleensä mukana oletusarvoisesti.
Mikä tekee palamisesta “täydellisen”
Kun tutkijat puhuvat ”täydellisestä” palamisesta, he yleensä keskustelevat tapahtumasta, jossa reaktio kuluttaa kaiken. Jotta tämä tapahtuisi, yhdisteen jokaiselle hiiliatomille on oltava riittävästi happea, jotta se löytää ilmatilan tai parin. Useimmiten tämä ei ole ongelma; ilmakehä sisältää yleensä paljon happea. Yleensä on vain pulaa, kun reaktio tapahtuu jossain epätavallisemmassa paikassa; maan alla luolissa, esimerkiksi erittäin korkealla, tai laboratoriossa, jossa olosuhteita hallitaan keinotekoisesti.
Vaillinaiset vaihtoehdot
Hiilen ja hapen täydellistä suhdetta kutsutaan myös stökiometriseksi tai ylimääräisen ilman palamiseksi. Palaminen voi silti tapahtua, kun suhde on epätasapainossa, mutta näissä olosuhteissa on yleensä jotain jäänyttä – toisin sanoen koko yhdiste ei muutu kaasuksi tai muuta muotoaan. Useimmissa tapauksissa tätä kutsutaan epätäydelliseksi palamiseksi. Prosessi on sama loppuun asti; hiili ja happi sopivat yhteen niin pitkälle kuin pystyvät, ja jätä loput enemmän tai vähemmän koskemattomiksi.
Propaani mallina
Propaanin poltto toimii esimerkkinä kotitalouskäytössä yleisesti poltetusta hiilivedystä. Yleensä propaani palaa, kun ilmaseoksen kaasu on 2.2–9.6 prosenttia. Tätä aluetta kutsutaan propaanin “syttymisrajoiksi”. Oikein toimiva propaanilaite, joka tuottaa ihanteellisen palovamman, antaa yleensä sinisen liekin.
Propaanin epätäydellinen palaminen tapahtuu, kun sekoitussuhde on korkeampi tai pienempi kuin ihanteellinen suhde, mutta tapahtuu silti syttyvyyden rajoissa. Jos propaanin ja ilman suhde on pienempi kuin ihanteellinen suhde, tapahtuu ”vähärasvainen palovamma”, mistä on osoituksena liekit, jotka näyttävät nousevan pois polttimesta tai sammuvat. Vaihtoehtoisesti “runsas palovamma” tapahtuu, kun propaanin ja ilman suhde on suurempi kuin ihanteellinen suhde, ja se voidaan tunnistaa suuremmista liekkeistä, jotka ovat keltaisia eikä sinisiä. Propaanin tai muiden hiilivetyjen epätäydellinen palaminen johtaa tyypillisesti hiilimonoksidin vapautumiseen, mikä on erittäin vakava ympäristö- ja terveysriski ihmisille ja useimmille eläimille. Hiilimonoksidi on hajuton, eikä sitä voida havaita ilman erityisiä antureita, mutta se on usein tappavaa, jos sitä hengitetään pitkään.