Häkä ja hiilen palaminen

Kun vappuna tuijotin avotakkaa, mielessä alkoi pyöriä, mitä hiilen palamisessa oikeasti tapahtuu. Miten häkä oikeastaan syntyy? Koska pellin oikeasti voi laittaa kiinni? Ja kuinka kiinni?

Verkosta löytyy oikeastaan kaksi koulukuntaa. Toiset eivät uskalla laittaa peltiä kiinni ennen kuin kaikki mahdollinen palava on palanut pois. Toiset laittavat pellin mahdollisimman pian kiinni, ettei lämpö mene karkuun. Kukaan ei tunnu oikeasti tietävän, miksi joskus tulee häkää – vaikka moni ihminen kuolee siihen joka vuosi.

Pikainen selvitys paljasti, että lähes kaikki, mitä olen mielestäni tiennyt häästä on väärin.

Tässä vaiheessa vakava varoitus on paikallaan: en oikeasti ole selvittänyt tätä asiaa perusteellisesti ja tulen itsekin opiskelemaan asiaa enemmän tulevaisuudessa. Älkää uskoko mitään, mitä seuraavassa kirjoitan. Häkä on tappavaa, älkää tehkö sillä kokeita.

Hiilen palaminen.

Käsittelen tässä vain hiilen palamista. Puu palaa hiileksi lähinnä kaasuuntumalla metaaniksi ja tuon metaanin palamisella, mutta tässä käsitellään vain sitä vaihetta, kun jäljellä on hehkuvia hiiliä.

Selväjärkisin kuvaus hiilen polttamisesta löytyi yllättäen Kiinan muinaista tekniikkaa käsittelevästä kirjasta [1]. Toisaalta, se ei ole yllättävää, koska hiilen poltto on tekniikka, joka kiinalaisilla on todella hallussa tuhansien vuosien takaa.

Ennen kuin käydään läpi kuvassa oleva hiilen palaminen, käydään läpi pari usein väärin ymmärrettyä faktaa:

  • Hiilien palamisessa syntyy häkää tai ainakin hiilidioksidia. Peltiä ei todellakaan kannata pistää täysin kiinni.
  • Itse asiassa peltiä ei saakaan kiinni. Määräysten mukaan pellissä on aina jätetty vähintään 3% auki kulmaa viistämällä tai poraamalla siihen reikä.[2] Tämä on ns. häkäpelti. Verkossa liikkuu tietoja, että ”pullotalokautena” olisi tehty paljon takkoja, joissa tuota reikää ei ole tehty.
  • Häkä on ilmaa kevyempää eli se on katon rajassa (minä olen pienenä oppinut, että häkä olisi ilmaa painavampaa ja pikemminkin lattialla)
  • Noin puolet puun lämpöenergiasta on hiilessä [1].

Tähän liittyy vielä fakta, jonka olen mielestäni ymmärtänyt oheisen kuvan avulla: häkää syntyy vaikka happea olisi yllin kyllin. Ratkaisevaa on, että hiilidioksidi ei pääse kertymään hehkuvien hiilien joukkoon.

Kuvasta näemme, että normaali hiilen palaminen tuottaa hiilidioksidia (”hehkumalla palaminen”). Koska happea on aina ilmassa kaksittain, palamisessa ei voi syntyä suoraan häkää! Häkä syntyy vasta vaiheessa kaksi: hehkuvat hiilet saavat hiilidioksidin pelkistymään eli menettämään yhden happiatomin yhtymällä vielä yhden hiilen kanssa, jolloin tuloksena on kaksi häkämolekyyliä. Tämä vaatii paljon energiaa, eli se ei tapahdu muuten kuin hehkuvien hiilien kanssa.

Häkämolekyylin vaarallisuuskin perustuu siihen, että se on epävakaa molekyyli ja se hyvin aktiivisesti yrittää yhdistyä muihin molekyyleihin. Siksi häkä katoaa luonnossa nopeasti, jos suinkin mahdollista. Takassa tämä tapahtuu kahdella tavalla. Ensimmäinen tapa on se, että häkä palaa sinisellä liekillä. Silloin häkämolekyyli yhtyy uudelleen happeen ja kaksi häkämolekyyliä muodostaa kaksi hiilidioksidimolekyyliä. Toinen tapa on se, että hehkuvassa hiilessä tapahtunut pelkistysreaktio tapahtuu uudelleen toisin päin, kun kaksi häkämolekyyliä törmää toisiinsa. Tällöin ilmassa olevasta häkäkaasusta syntyy kiinteä hiilimolekyyli. Tätä sanomme noeksi.

Noen muodostuminen tarkoittaa sitä, että lämpöä palaa takaisin hiileksi vääriin paikkoihin aiheuttaen ilmaan epäterveellisiä hiukkasia tai nokipalon vaaroja piipun sisäpinnalle. Siksi hään palaminen pitäisi tapahtua riittävässä hapessa. Sinisellä liekillä palaminen on ainoa toivottava vaihtoehto, jos häkää on muodostunut. Tämä on myös ainoa vaihtoehto, jossa häkään varastoitunut huomattava energiamäärä(*) saadaan käyttöön oikeassa paikassa.

Eli jos olen ymmärtänyt kaikki oikein, niin hiilen palamisessa

  • Hapen puute ei aiheuta häkää. Jos ilmassa ei ole happea, palamista ei tapahdu. Jos ilmassa on happea, aina syntyy ensin hiilidioksidia.
  • Häkää syntyy vain, jos hiilen hehkuessa ei ole tarpeeksi ilmavirtaa siirtämään hiilidioksidia mahdollisimman nopeasti pois hehkuvien hiilien läheisyydestä. Ilmavirta voi olla vaikka argon-kaasua, happea siinä ei tarvitse olla.
  • Sitten, jos hiilidioksidin tuuletus epäonnistuu, syntyy häkää ja vasta sitten hapen puute estää hään palamisen (sininen liekki), jolloin sitä pääsee ilmaan. Avotakassa tämä lienee melko epätodennäköistä, mutta voinee tapahtua esim. kiinni olevassa leivinuunissa.
  • Noki on merkki siitä, että häkä ei ole palanut riittävässä hapessa
Puun varsinaisessa palamisessa syntyy häkää hapenpuutteen seurauksena, mutta sitä en ole tässä tarkastellut.
Puunpolton hapensaanti kannattaa varmistaa aivan kuin ennenkin olet ajatellut. Tosin syy onkin suurelta osin toinen, kuin minkä ainakin itse olin aiemmin kuvitellut: hiilidioksidin pitäminen irti hehkuvista hiilistä.

(*) Jos kaksi moolia hiiltä muuttuu hiilidioksidiksi, se tuottaa 786 kJ energiaa. Hiilimonoksidiksi pelkistyminen vaatii kuitenkin energiaa niin paljon, että kahden hiilimoolin energiantuotto on vain 222 kJ, jos se tuottaa kaksi moolia häkää. Vasta sinisellä liekillä palaminen vapauttaa tuon erotuksen takaisin.

[1] Science and Civilisation in China, Volume 5, sivu 62
[2] http://www.pelastustoimi.fi/neuvontapalvelu/3378

PS. Kuvan saa minulta myös Inkscape-SVG-muodossa ja sitä saa käyttää vapaasti.

1 vastaus artikkeliin “Häkä ja hiilen palaminen”

  1. hei! voinko käyttää tätä kemiallisen reaktion esittelyssä?
    vaikka sanoitkin että ei oo totta

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista. Pakolliset kentät on merkitty *