آتش‌ها چگونه و چرا می‌سوزند

راز آتش: از پرومته (پرومتیوس) تا پیرولیز

نیروی گرانش در سطح زمین شکل خاصی را به شعله‌های آتش می‌دهد (تصویر سمت راست). اما در فضا به علت نبود نیروی گرانش، شعله‌ی آتش مانند کره به نظر می‌رسد (تصویر سمت چپ).
بر اساس افسانه‌های یونانی، خدایان آتش را از مردم گرفتند. سپس قهرمانی به نام پرومتیوس آن را از خدایان دزدید. خدایان دزد را برای تنبیه به کوهی زنجیر کردند تا درآن جا عقابی از جگر او تغذیه کند. هر شب جگر او دو باره رشد می‌کرد. و هر روز عقاب دو باره باز می‌گشت. داستان پرومتیوس مانند دیگر افسانه‌ها، در باره‌ی منشأ آتش توضیح می‌داد. اما با این حال نتوانست کلید حل چرایی سوختن اجسام را پیدا کند، چیزی که تنها علم قادر به پاسخ گویی به آن است.
برخی از یونانیان باستان معتقد بودند که آتش عنصر اصلی جهان است – چیزی که موجب پیدایش عناصر دیگر مانند زمین، آب و هوا شد. (اتر یعنی ماده‌ای که گذشتگان فکر می‌کردند ستاره‌ها از آنها ساخته شده‌اند، بعدها توسط فیلسوف نامی، ارسطو، به فهرست عناصر اضافه شد.)
اکنون دانشمندان برای توصیف انواع اصلی مواد از واژه‌ی عنصر استفاده می‌کنند. آتش واجد این شرایط نمی‌باشد.
شعله‌ی رنگارنگ آتش از یک واکنش شیمیایی به نام احتراق منتج می‌شود. در طول فرایند احتراق، اتم‌ها خود را به طرزی غیر قابل تغییر می‌آرایند. به عبارت دیگر، وقتی چیزی می‌سوزد، دیگر نمی‌توان آن را به حالت قبل باز گرداند.
آتش هم چنین یاد آور اکسیژن است که در جهان ما انتشار دارد. هر شعله‌ای به سه جزء سازنده نیازمند است: اکسیژن، سوخت و گرما. در صورت فقدان حتی یکی از این عناصر آتش نخواهد سوخت. یافتن اکسیژن معمولاً آسانتر است زیرا این ماده جزء سازنده‌ی هوا است. ( چون در جو سیاره‌هایی مانند ناهید و مریخ، اکسیژن به مراتب کمتر است، آتش به سختی شروع به سوختن می‌کند.) نقش اکسیژن ترکیب با سوخت است.
منابع زیادی می‌توانند گرما را تأمین کنند. هنگامی که کبریتی را روشن می‌کنید، اصطکاک بین سر کبریت و سطحی که به آن کشیده می‌شود گرمای کافی برای مشتعل کردن سر پوشش ‌دار آن را آزاد می‌کند. در بهمن یا طوفان، رعد و برق باعث آزاد شدن گرما می‌شود.
سوخت چیزی است که می‌سوزد. تقریباً هر چیزی می‌تواند بسوزد، اما برخی از سوختها دارای نقطه‌ی اشتعال به مراتب بالاتری نسبت به بقیه هستند – نقطه‌ی اشتعال دمایی است که در آن چیزی آتش می‌گیرد.
مردم گرما را به صورت حرارت و نه اتم‌ها به وسیله‌ی پوست خود احساس می‌کنند. اتم‌ها به عنوان بلوک‌های ساختمانی تمام مواد به محض گرم شدن دست پاچه می‌شوند. آنها در ابتدا مرتعش می‌شوند. سپس، به محض این که بیشتر گرم شدند، با سرعت بیشتری شروع به رقصیدن می‌کنند. با اعمال گرمای بیشتر، رشته‌های پیوند دهنده‌ی اتم‌ها به یک دیگر، شکسته می‌شوند.
به عنوان مثال، چوب شامل مولکولهایی است که از اتم‌های متصل به هم کربن، هیدروژن و اکسیژن (و مقادیر کمتری از عناصر دیگر) تشکیل می‌شود. هنگامی که چوب به اندازه‌ی کافی گرم شود – مانند وقتی که صاعقه می‌زند یا کنده‌ای بر روی آتش در حال سوختن انداخته می‌شود – این پیوندها شکسته می‌شوند. این فرایند که پیرولیز نامیده می‌شود، اتم‌ها و انرژی را آزاد می‌کند.
اتم‌های غیر متصل یک گاز داغ، با اتم‌های اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شوند. این گاز داغ – و نه سوخت به تنهایی – نور آبی رنگ شبح واری را تولید می‌کنند که در پایه‌ی شعله دیده می‌شود.
اما اتم‌ها به مدت طولانی تنها نمی‌مانند، آنها طی فرایندی به نام اکسیداسیون به سرعت با اکسیژن موجود در هوا ترکیب می‌شوند. هنگامی که کربن با اکسیژن ترکیب می‌شود دی اکسید کربن را به وجود می‌آورد – دی اکسید کربن گازی بی رنگ است. وقتی هیدروژن با اکسیژن ترکیب می‌شود بخار آب را به وجود می‌آورد – حتی زمانی که چوب می‌سوزد.
آتش تنها زمانی می‌سوزد که تمام ترکیبات اتمی برای حفظ فرایند اکسیداسیون در یک واکنش زنجیره‌ای پایدار به اندازه‌ی کافی انرژی آزاد کنند. بیشتر اتم‌هایی که از سوخت آزاد می‌شوند با اکسیژن اطراف ترکیب می‌گردند. که باعث آزاد شدن انرژی بیشتر می‌شود و به نوبه‌ی خود منجر به آزاد شدن اتم‌های بیشتری می‌گردد. این باعث گرم شدن اکسیژن می‌شود – و به همین منوال.
رنگ‌های نارنجی و زرد در شعله زمانی دیده می‌شوند که اتم‌های کربن اضافی که به صورت آزاد شناورند گرم شده و شروع به سرخ شدن کنند. (هم چنین این اتم‌های کربن دوده‌های سیاه ضخیمی را به وجود می‌آورند که بر روی همبرگرهای کبابی یا در ته یک قابلمه که بر روی آتش قرار دارد تشکیل می‌شوند.)

واژه‌های کلیدی

اتم: بخش اصلی یک عنصر شیمیایی است.

پیوند (در شیمی) : نیروهای جاذبه بین اتم‌ها که به اندازه‌ای قوی هستند که باعث می‌شوند عناصر متصل به هم به عنوان یک واحد عمل کنند. بعضی از نیروهای جاذبه ضعیف، و بعضی دیگر بسیار قوی هستند. در تمامی پیوندها اتم‌ها از طریق به اشتراک گذاشتن الکترون‌ها – یا در تلاش برای به اشتراک گذاشتن – به هم می‌پیوندند.
کربن: یک عنصر شیمیایی با عدد اتمی 6 است. این عنصر مبنای فیزیکی تمام موجودات زنده بر روی زمین است. کربن به وفور به صورت گرافیت و الماس موجود است. کربن بخش مهمی از ذغال سنگ، سنگ آهک و نفت است، این عنصر قادر است با خود پیوند شیمیایی برقرار کند و تعداد زیادی از مولکولهای شیمیایی، بیو لوژیکی و مهم تجاری را تشکیل دهد.
واکنش شیمیایی: فرایندی است که در آن مولکولها یا ساختار ذرات تشکیل دهنده‌ی مواد دچار تغییر می‌شوند که باعث تغییر در شکل فیزیکی آنها می‌گردد یعنی طی آن یک ماده‌ی شیمیایی به ماده‌ی شیمیایی دیگری تبدیل می‌شود.
آب و هوا: شرایط آب و هوایی حاکم بر یک منطقه به طور کلی یا در طول یک دوره‌ی طولانی.
سوزاندن: سوزاندن به وسیله‌ی آتش انجام می‌شود. فرایند سوختن را احتراق می‌نامند.
عنصر: بیش از صد ماده در جهان وجود دارند که به هر یک از آنها که قابل تجزیه به مواد ساده‌تر از خود نیستند عنصر گفته می‌شود.
آتش: سوختن برخی از سوختها شعله‌ای را به وجود می‌آورد که نور و گرما آزاد می‌کند.
سوخت: هر ماده‌ای که در طول یک واکنش هسته‌ای یا شیمیایی کنترل شده انرژی آزاد می‌کند. سوخت‌های فسیلی (ذغال سنگ، گاز طبیعی، و نفت) انواع رایج سوخت‌ها هستند که انرژی خود را از طریق واکنش‌های شیمیایی که در هنگام گرم شدن (معمولاً در نقطه‌ی اشتعال) اتفاق می‌افتد آزاد می‌کنند.
مولکول: گروهی از اتمها که از نظر الکتریکی خنثی بوده و نمایانگر کمترین مقدار ممکن از یک ترکیب شیمیایی هستند. مولکولها می‌توانند از اتم‌های یکسان یا متفاوت تشکیل شوند. به عنوان مثال، اکسیژن در هوا از دو اتم اکسیژن (O2) تشکیل می‌شود، اما آب از دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن تشکیل می‌شود (H2O).
اکسیژن: گازی است که در حدود 21 درصد حجم هوا را تشکیل می‌دهد. تمام حیوانات و بسیاری از میکرو ارگانیسم‌ها برای انجام متا بولیسم خود به اکسیژن نیاز دارند.
پیرولیز: یک تغییر شیمیایی که به وسیله‌ی گرما و اغلب به علت آتش ایجاد می‌شود.