בעירה

בבעירה מהירה משתחררת אנרגיה רבה בצורת חום ואור, תופעה הידועה כאש

שריפת יערות ממחישה את יכולת ההתפשטות המהירה של אש

שריפת יערות

בעירה היא תהליך כימי בו חומר (יסוד או תרכובת) מגיב עם חומר מחמצן, ובמהלכו משתחררת אנרגיה.

החומר עמו מגיב המחמצן מכונה דלק. כל אחד מהאטומים בדלק יוצר תרכובת נפרדת עם החומר המחמצן. הבעירה הידועה ביותר היא זו שבה החומר המחמצן הוא חמצן (O₂). כל התרכובות האורגניות מסוגלות לבעור בנוכחות חמצן. כאמור, כל אחד מאטומי התרכובת האורגנית יוצר תרכובת עם חמצן: אטומי הפחמן יוצרים פחמן דו-חמצני (CO₂) או חד-חמצני (CO), ואילו אטומי המימן יוצרים מים (H₂O). לדוגמה, ניסוחה של תגובת הבעירה המלאה של פרופאן, מרכיב עיקרי בגז בישול, הוא:

$\ \mathrm {C_{3}H_{8(g)}+5O_{2(g)}\rightarrow 3CO_{2(g)}+4H_{2}O_{(g)}}$

כשתהליך הבעירה מתרחש במהירות, משתחררת אנרגיה בצורת חום ואור; השילוב של השניים מוכר לנו כאש, ותהליך בעירה זה מכונה שרפה. הפחמן הדו-חמצני והמים (בצורת אדים) מופיעים כגזים, אשר נפלטים בעת שרפה. הפחמן שלא הספיק להתרכב עם החמצן נותר בצורת פחם.

תהליך הבעירה הוא בהכרח תהליך אקסותרמי - תהליך המשחרר יותר אנרגיה מן האנרגיה המושקעת בהפעלתו. למרות זאת, לעיתים קרובות יש להשקיע אנרגיה התחלתית (המכונה אנרגיית שפעול) לשם התנעת התהליך. רוב הדלקים המוכרים לנו דורשים חימום מהיר לשם התחלת תהליך הבעירה. הצתת דלק, לדוגמה באמצעות מצת, גפרור או ניצוץ חשמלי (במנוע המכונית), מספקת את אנרגיית השפעול הדרושה לבעירה. לאחר שתהליך הבעירה החל, מזין התהליך את עצמו: האנרגיה הרבה המשתחררת גורמת למולקולות נוספות לבעור, עד שחומר הדלק, או החומר המחמצן, כַלים.

תהליך הבעירה אינו חייב לצרוך חמצן מן האוויר: החמצן יכול להיצרך ממקורות שונים, ואפילו מתוך המולקולה האורגנית עצמה העוברת תהליך בעירה, אם "כדאי" מבחינה אנרגטית לפרק את הקשרים הכימיים שבהם היה קשור החמצן קודם לכן.

את ההסבר לתהליך הבעירה גילה הכימאי הצרפתי אנטואן לבואזיה. במאה ה-18 האמינו אנשי המדע כי כשחומר בוער הוא פולט נוזל בלתי-נראה המכונה פלוגיסטון; לבואזיה הוכיח בניסוייו כי בעירה אינה אלא התרכבות של החומר הבוער עם החמצן שבאוויר.

שיטות רבות להפקת אנרגיה באופן מלאכותי מתבססות על בעירה של חומרים אורגניים שונים - החל בשריפת עץ באח לצורך חימום וכלה בשריפת דלק להנעת כלי רכב.

בעירה מלאה ובעירה חלקית

בבעירה מלאה, החומר הבוער מגיב עם חמצן ליצירת מספר מוגבל של תחמוצות יציבות. עבור פחמימן (תרכובת של פחמן ומימן), לדוגמה, תוצרי בעירה מלאה יהיו פחמן דו-חמצני ומים. אלה הן התחמוצות היציבות של אטומי הפחמן והמימן.

התוצרים לאו דווקא יהיו בעלי מספר החמצון הגבוה ביותר האפשרי, כלומר לאו דווקא יהיו בעלי היחס הגבוה ביותר בין אטומי חמצן לאטומי החומר הבוער. זאת עקב האנרגיה הגבוהה הדרושה ליצירת חלק מהחומרים. לדוגמה, אם כי החנקן שבאוויר עשוי להגיב עם חמצן ליצירת תחמוצות חנקן (חנקן חמצני וחנקן דו-חמצני), דרושה לכך טמפרטורה גבוהה כדי לספק את האנרגיה הדרושה לפירוק מולקולות החנקן, לפני שיוכלו להגיב עם חמצן.

בעירה חלקית תתרחש כאשר אין מספיק חמצן בתגובה כדי לחמצן באופן מלא את המגיבים, או כאשר הטמפרטורה נמוכה מדי. במקרה כזה מתקבלים מגוון תוצרים מחומצנים חלקית, כמו פחמן חד-חמצני עבור בעירה של פחמימן. בחומר זה היחס בין פחמן לחמצן הוא 1:1, במקום 1:2 (שני אטומי חמצן לכל אטום פחמן) עבור פחמן דו-חמצני. ניסוחה של תגובת בעירה חלקית כזו עבור פרופאן שהוזכר קודם הוא:

$\ \mathrm {C_{3}H_{8(g)}+3.5O_{2(g)}\rightarrow 3CO_{(g)}+4H_{2}O_{(g)}}$

בתנאים קיצוניים יותר של מחסור בחמצן, או בטמפרטורות נמוכות מדי, מתקבלת אש מפחמת - כלומר אש היוצרת חלקיקי פיח שחור, במקרה של פרופאן ניסוח בעירה חלקית כזו הוא:

$\ \mathrm {C_{3}H_{8(g)}+2O_{2(g)}\rightarrow 3C_{(s)}+4H_{2}O_{(g)}}$

בעירה ביולוגית

אין הכרח כי בעירה תתרחש במהירות. תהליך בעירה ביולוגי מתרחש בייצורים חיים רבים (כל היצורים האווירניים, ובהם האדם), והוא קרוי נשימה תאית. בתהליך זה מתרכב המזון שאנו צורכים (ובו גלוקוז, חומצות שומן ועוד) עם חמצן (שמקורו באוויר). האנרגיה אינה משתחררת בצורת אש, כמובן, אלא מנוצלת בתא לבניית מולקולות עתירות אנרגיה (בעיקר ATP), אשר מאוחר יותר מנוצלות להתנעת תהליכים ביולוגיים הדורשים אנרגיה. גם בנשימה התאית מודגם העיקרון של התרכבות כל אחד אטומי הדלק עם חמצן:

• אטומי הפחמן שבמזון מתרכבים עם חמצן ויוצרים פחמן דו-חמצני. תגובה זו מתרחשת כצעד מקדים למעגל קרבס ובמעגל קרבס עצמו. הפחמן הדו-חמצני נפלט (בבעלי חיים מפותחים) מהתא אל מחזור הדם, משם הוא מגיע אל הריאות ונפלט החוצה אל האוויר בתהליך הנשימה.
• אטומי המימן שבמזון מתרכבים עם חמצן ויוצרים מים. תגובה זו מתרחשת בסיומו של הזרחון החמצוני, השלב האחרון בנשימה התאית.

ראו גם

• שרפה

קישורים חיצוניים

• מאיר ברק, האם קיימת אש קרה?, במדור "שאל את המומחה" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 27 אפריל 2011