Chemie v krbu - jak vznikají saze?

Venku je zima. Svádí k zapálení dřeva v kamnech nebo krbu. A zatímco polena praskají žárem, na skle se usazují všudypřítomné saze. (délka blogu 5 min.)

Proč se vlastně na skle objevují saze?

Tak bezvadně čistý jako na úvodním obrázku nezůstane krb moc dlouho. Na vině je - jak jinak, chemie. Proč vlastně při hoření dřeva vznikají černé saze, vždyť plamen je sám o sobě světlý, nažloutlý?

V kamnech nebo krbu probíhají podobné procesy, jaké probíhají při hoření svíčky. Také ona v určitých podmínkách “čadí” a vytváří saze. Jako děti jsme toho využívali ke zhotovení sklíček, kterými se dalo pozorovat zatmění Slunce. (Dnešní děti to samozřejmě už neznají. Nemají to zapotřebí. Slunce mohou pozorovat přes nepotištěné CÉDéčko.)

Sklo, které se dostane do blízkosti plamene svíčky, se začne okamžitě pokrývat slabou vrstvičkou černých sazí. Na první pohled to odporuje známým faktům. Už děti ve škole se přece učí, že při hoření dřeva má vznikat CO2 a voda! Příslušná chemická reakce vypadá následovně:

CxHy + (x+y/4) O2 = x CO2 + y/2 H20 + energie

CxHy (tj. uhlovodík, například materiál dřeva) reaguje při hoření s atmosférickým kyslíkem (x+y/4) O2. Vznikne určité množství vody a CO2.

Odkud se tedy bere ona podivná černá látka, které říkáme saze? Vysvětlení je poměrně jednoduché. Souhrnné chemické vzorce jsou jedna věc - a realita života věc druhá. Než se z hořícího materiálu stane konečný produkt, projde několika různými (a na lokálních podmínkách silně závislými) mezistupni chemických reakcí. Při nich se pak mohou tvořit sloučeniny, které končí jako saze na skle kamen nebo krbu.

Hoření dřeva

Procesy, které doprovázejí hoření dřeva, začínají tím, že se uhlovodíky, ze kterých se materiál skládá, nejprve převedou do plynné fáze: CxHy + energie = CxHy (plyn)

Z materiálu se pak odštěpí vodík a vzniknou tak dva radikály:

CxHy + energie = CxH(y-1) + H

Jak už naznačuje jejich název, jsou radikály velice čilé látky a rády reagují se svým okolím.

Následuje další přeměna. V okolním vzduchu se nachází nemalé množství kyslíku. Ten pak velice rád reaguje s volným vodíkovým radikálem. Vznikne tak některý z dalších radikálů - skupina OH, peroxidový radikál OOH nebo dokonce molekula vody

H2O: H + 1 O2 = OH

Takovým způsobem může uhlovodík postupně přijít o všechny své vodíkové atomy. Může se také stát, že z něj nakonec zbudou jen osamělé … atomy uhlíku. Ty pak bezcílně poletují v horké plynné fázi a hledají partnera, se kterým by se spojily a vytvořily například molekulu CO2. Někdy se stane, že k tomu nemají dostatek času - když se například předtím dostaly do styku s chladným sklem, které dělí plameny v krbu od obytné místnosti.

I když si jsou molekuly uhlíku vědomy své povinnosti (vytvořit s kyslíkem molekulu CO2), neodolají - a na chladné skleněné desce (ke smůle majitele krbu, který pak musí sklo pracně čistit) s velkou radostí kondenzují.

Na skle se pak tvoří vrstvička černé hmoty, která se skládá z částeček velkých kolem 10 - 100 nm (nanometrů = miliontin milimetru) - sazí.

Saze dávají mimochodem také barvu plamenům, které pozorujeme při hoření dřeva. Plameny, které jsou zbarvené žhnoucími částečkami uhlíku, jsou typicky nažloutlé.

Sklony k čazení a tvorbě sazí

Čím složitější je hořící uhlovodík, tím větší má sklon k tvorbě sazí. To se vysvětluje vyšším množstvím uhlíkových atomů v molekule. Když se vám tedy vznítí v kuchyni olej na pánvi, neobejde se to bez špíny, která se usadí v celé místnosti. Oleje mají relativně dlouhé a komplikované molekuly, ve kterých se to uhlíkovými atomy jen hemží.

Nejraději tvoří saze nenasycené molekuly, ve kterých se uhlíkové atomy vzájemně pojí dvojnými nebo dokonce trojnými vazbami. Uhlík má schopnost se svými chemickými partnery vytvářet dohromady čtyři vazby. Pokud se propojí několikanásobnou vazbou se svým uhlíkových sousedem, nezbude už tolik příležitostí pro vodíkové sousedy. Takové molekuly mají tím pádem relativně málo vodíkových atomů, které by se daly odštěpit. Ke stavu, kdy se odštěpil veškerý vodík a kdy zůstaly jen osamělé uhlíkové atomy, dojde relativně rychle.

Ten, kdo někdy zažil olej, hořící na pánvičce, nejspíš nebude moc udiven - k nenasyceným molekulám patří i výše zmiňované kuchyňské oleje.

Všechno zlé je k něčemu dobré

Saze se ovšem neusazují jen na skle kamen nebo krbu. Berou zavděk každou chladnou plochou, se kterou přijdou do styku. Usazují se také v komínech. A protože jsou samy hořlavé, mohou se vznítit stejně jako olej na pánvi. Komíny, ve kterých se saze neodvolatelně usazují, je nutné udržovat v čistotě - i když slovo “čisté” tu asi popisuje poněkud jiný stav, než na jaký jsme běžně zvyklí. Čistý je komín tehdy, když je vymetený.

Saze tedy mají také svou pozitivní stránku.

Dávají práci - kominíkům. A ti jak známo … nosí štěstí.