Ateş Nedir? Nasıl Yanar, Nasıl Yakar?

Ateş, insanlık tarihinin en önemli unsurlarından biri olmuştur. Yapılan çalışmalar, türümüzün atalarının ve kuzenlerinin ateşe hükmedişi sayesinde çok farklı evrimsel patikalara girdiğini göstermektedir. Bir diğer deyişle, eğer ki ateşe hükmetmemiş olsaydık, belki de şu anda burada bizler bunları yazıyor, sizler de bunları okuyor olamazdınız.

Böylesine önemli bir araç, insanlık tarihinde birçok farklı anlama gelmiştir. Kimisi bu ilginç kimyasal süreci kutsallaştırarak tapınmış, kimisi oldukça sıradan ve bilimsel yaklaşmıştır. Kimisi ise özünde tarafsız olan bu aracı alıp, insanlık tarihinde çokça gördüğümüz gibi bir imha silahı haline getirmiştir. Ateşi ve genel olarak yanma tepkimelerini kullanan, akıl almaz patlayıcılar üretilmiş ve bunlarla milyonlarca insan yeryüzünden silinmiştir. Kimi zamansa, patlayıcılar olmaksızın ateş, insanları diri diri yakma ve katletme aracı olarak kullanılmış, masum birçok insanın, aydının, düşünürün, bilim insanının, kısaca gerici düşüncenin (ve genelde gücü ve kontrolü elinde bulunduranların) korktuğu ve çekindiği kim varsa onların acı içerisinde ölmelerine sebep olmuştur.

Tüm bu vahim ve insanlık açısından acınası durumlar bir yana, genel olaraksa ateş, insanlığın vazgeçilmez bir unsuru olarak her zaman hayatlarımızda yerini almıştır: Basit bir sigara yakmaktan tutun da, neredeyse istisnasız tüm besin maddelerimizi pişirmeye kadar... İşte bu yazımızda, ateşe, ateşin hayatımızdaki ve evrimimizdeki önemine değineceğiz. 

Ateş Nedir? Nasıl Yanar?

Ateşin oluşabilmesi için oksijene ihtiyaç olduğunu duymuşsunuzdur. Aslında bu, tam olarak doğru değildir. Eğer amacınız "yanan bir şeyler görmek" ise, flor veya karbondioksit ile de bir şeyleri yakabilirsiniz. Bir örneğini aşağıdan görmek mümkün:

Oksijen, çok özel bir tepkime için gereklidir: Oksijenli oksidasyon tepkimesi. Yani bir kimyasal maddenin elektron kaybetmesi... Aslında oksidasyon tepkimesi için illa oksijene gerek yoktur; ancak genellikle oksijen ile girilen tepkimelerde oksidasyon yaşandığı için bu tepkime, bu element ile özdeşleşmiştir.

Nikonites

Oksidasyon tepkimesi çok yavaş veya çok hızlı olabilir. Çok yavaş olduğu bir örnek, bir demirin paslanmasıdır. Açık havada bıraktığınız bir demir parçasının zamanla üzerinde turuncumsu kırmızı pas tabakası, aslında oksidasyon tepkimesinin sonucunda oluşur. Tıpkı ateşte olduğu gibi, bu kısım da henüz okside olmamış diğer metal kısımlara göre daha sıcaktır; ancak bu tepkime öylesine yavaş olur ki, aradaki sıcaklık farkı sadece 1 santigrat derece kadardır. Oksidasyon çok hızlı meydana geldiğindeyse... Ateş oluşur. 

En basit tanımıyla ateş; ışık ve bazı diğer yan ürünler çıkaran, dışarıya ısı veren (egzotermik), oksijenli ve hızlı bir yanma sürecinin adıdır. Bu durumda, ateş olan yanma türleriyle, paslanma veya biyolojik sindirim gibi ateş olmayan oksidasyon tepkimelerini ayırt edebilmemiz için bir terime ve olguya ihtiyacımız vardır. İşte bu, tutuşma sıcaklığıdır.

Video Blocks

Genel olarak tutuşma sıcaklığı, bir kimyasalın ısı ve ışık yayarak yanması için ulaşması gereken sıcaklıktır. Daha teknik tabiriyle ise yanma tepkimesinin başladığı sıcaklık olarak tanımlanabilir. Örneğin bir kibrit oldukça kolay yanar, çünkü kibritin yanan kısmı olan "baş" bölgesinde bulunan kimyasalların tutuşma sıcaklığı ortalama olarak 180 santigrat derece civarındadır. Kibriti, pürüzlü bir yüzeye hızla sürttüğünüzde, sürtünme sebebiyle bu kimyasalların sıcaklığı 180 dereceye eriştiği anda kibrit alev alarak yanar. Bir başka örnek olarak odun için bu sıcaklık 150 derece civarındadır; bu yüzden yakacak olarak sıklıkla odun kullanılır.

Duman

Peki, ateş olmayan yerden duman çıkmaz derler. Peki ateş olan yerden neden duman çıkar? Genellikle gri veya siyah olarak gözüken ve duman dediğimiz gazlar, aslında tam olarak yanmamış veya yanamamış maddenin ufak katı parçacıklar, sıvı veya gaz halinde havaya karışmasının bir sonucudur. Duman, genellikle yanma tepkimesi için yeterli oksijen bulunmadığında oluşur ve çoğu zaman zehirli içeriktedir. Oksijenin bol bulunduğu durumlarda, yanıcı maddenin tamamı yanar ve sadece su ve karbondioksit üretilir. Su da, karbondioksit de renksizdir, dolayısıyla iyi bir yanma tepkimesinde duman görülmez. Evlerimizde genelde kullandığımız kömürler de, işte bu şekilde saf yanma tepkimesi verebilmesi için çıkarılan işlenmemiş kömürlerin fırınlarda 540 santigrat derece civarında pişirilmesi sonucu elde edilen kömürlerdir. Kömür ne kadar kaliteli işlendiyse, o kadar az duman çıkaracaktır, çünkü o kadar iyi yanacaktır.

Kül ve Yanık

Yanma tepkimesi sona erdiğinde, yaktığımız unsurdan geriye siyah artıklar kalır. Buna kül, yanık veya kavruk gibi isimler veriyoruz. Aslında bunlar farklı kavramlardır: Kül, yanan cismin içerisinde bulunan ve kolay kolay yanamayacak düzeyde yüksek tutuşma sıcaklığına sahip olan, kalsiyum ve potasyum gibi minerallerdir. Yanık ise, yanmamış olsa da buharlaşabilecek olan hidrokarbonların tamamen buharlaşması sonrası geriye kalan, neredeyse tamamen saf karbona verilen bir isimdir. Aşağıda, tipik bir yanma tepkimesinin kimyasal denklemi görülmektedir:

En solda odunun kabaca kimyasal denklemini görüyoruz. Odunu ısıttığımızda, belli bir sıcaklıktan sonra yanma tepkimesi başlıyor ve sonunda yanmış kömür ve formaldehit oluşuyor. Ancak tepkimenin bu kadar basit olmadığından bahsetmiştik. Örneğin oluşan formaldehit, anında havadaki oksijenle tepkimeye girer ve şöyle bir süreç başlar:

Görüldüğü gibi formaldehitin oksijenle tepkimesi sonucu su, karbondioksit, karbonmonoksit, karbon ve azot açığa çıkar. Bunlar da, ortama göre daha ileri tepkimelere girebilir, daha karmaşık süreçleri başlatabilirler. Ancak şimdilik bu kadar temel bilgi yeterli olacaktır. Bu noktada bir önceki tepkimeye dönecek olursak: sadece formaldehit değil, yanmış odun da oksijen ile tepkimeye girebilir. Ancak bu tepkime, yukarıdaki formaldehit tepkimesine göre son derece yavaştır. İşte tam olarak bu sebeple mangal yaparken kullanılan kömür çok daha uzun süre sıcak kalır ve yanar. Formaldehit ise hızla tepkimeye girerek ortamdan uzaklaşır, farklı ürünlere dönüşür.

Ateş ve Isı...

Tabii ki burada bahsedilmesi gereken bir diğer ürün de ısıdır. Yanma tepkimeleri sırasında yüksek miktarda ısı açığa çıkar ve bu sebeple etraftaki ortamın sıcaklığı giderek artar. Birkaç tipik yanma tepkimesi sırasında oluşan ateşin etrafındaki sıcaklığa göz atalım:

• Kaynak Ateşi (Oksihidrojen alevi): 2000 derece ve üzeri
• Bunsen Ocağı: 1300-1600 derece
• Pürmüz Lambası: 1300 derece
• Mum: 1000 derece
• Sigara: İçe çekilmediği zamanlarda ortalama 500 derece, içe çekildiği zamanlarda 700 derece

Bu sıcaklıkların ne kadar yüksek olduğu ve basit bir sigara alevinin bile oldukça can yakıcı olmasının sebebi sanıyoruz ki şimdi daha anlaşılır olmuştur.

Peki, bu "ateş" dediğimiz şeyin etrafındaki "alev" nedir? Yani ateşi nasıl "görebiliyoruz"? Eğer bir tepkime ise, neden göze görünür haldedir?

Alev Nedir?

Alev, yanma tepkimesine giren gazlar ve katıların karışımının yaydığı görünür, kızılötesi ve bazen de morötesi ışınımın tamamıdır. Alevin içereceği elektromanyetik dalgaların aralığı (görünür ışık mı olacağı, kızıl ötesi mi olacağı, mor ötesi mi olacağı, vs.), yanan cismin kimyasal yapısına bağlıdır. Alevin en tipik rengi, bilindiği gibi sarımsı beyaz olan ve akkor olarak isimlendirdiğimizı ışık yayılımından kaynaklanır. Özellikle alevin içerisinden çıkan, is (kurum) adı verilen ufak katı parçacıkları akkor olarak etrafa saçılabilir. Ancak normalde alevin yaydığı ışığın kesintisiz bir spektrumu (dalga aralığı) vardır. Örneğin bir gazın tam yanması sonucunda oluşan alev genelde soluk mavi olmaktadır. Bu durumun en güzel örneği mumdur:

YouTube

Bunun haricindeyse, yanma bölgesinden uzaklaştıkça alevin rengi değişebilir. Bu değişim, termodinamik ve ısı biliminde siyah cisim ışıması olarak bilinen ışımanın sıcaklığına bağlıdır. Örneğin bir orman yangınında, yere en yakın bölgelerde alev beyaz veya açık sarı renktedir. Bu renk, organik bir maddenin yayacağı en "sıcak" renktir. Bu bölgeden uzaklaştıkça, renk önce turunculaşır, sonrasında daha da soğuyarak kırmızılaşır. En üst bölgedeyse, neredeyse hiç yanmamış parçacıklar siyah bir duman olarak göğe karışır. Dolayısıyla alevin rengi, incelenen bölgenin sıcaklığına bağlıdır. Aşağıda bir orman yangını görülmektedir:

Fox News

Yangının en "ürkütücü" tarafı, kendi kendine varlığını sürdüren nitelikte olmasıdır. Yani bir defa yanma tepkimesi gerçekleştiğinde, ateşin sıcaklığı cismi sürekli olarak tutuşma sıcaklığının üzerinde tutar. Bu sebeple ortamda yanacak malzeme (yakıt) ve oksijen bulunduğu müddetçe yanma sürecektir, yani yeterli enerji daima bulunacaktır. İşte bu sebeple yakıt-oksijen-enerji üçlemesine kimyasal bilimlerde yanma üçgeni adı verilir.

Eğer bir yanma durdurulmak isteniyorsa, bu yanma üçgeninin bir unsuru ortamdan uzaklaştırılmalıdır. Yani bir yanmanın durması için, yakıt kaynağı ortadan kaldırılmalı veya yanma bölgesi tamamen kaplanarak oksijenle bağı kesilmeli veya su gibi soğutucu unsurlar eklenerek enerji düşürülmelidir. Bir diğer yöntem de tepkimeyi yavaşlatıcı kimyasallar kullanmak olabilir.

Orman yangınlarının ekolojik etkileri, ormanlarda görülen yangın adaptasyonları ve doğal yangınların orman sağlığı için önemi hakkında daha fazla bilgiyi buradaki yazımızdan alabilirsiniz.