ज्वलन

ज्वलन : ज्या रासायनिक विक्रियेत उष्णता व अनेकदा प्रकाशही निर्माण होतो तिला व्यापक अर्थाने ज्वलन म्हणतात. क्लोरीन वायूमध्ये अँटिमनीची पूड टाकली असता तिचे ज्वलन होऊन अँटिमनी क्लोराइड बनते, ही विक्रिया ज्वलनाचे एक उदाहरण आहे. तथापि प्रथम ज्यांचा अभ्यास झाला ती ज्वलने ज्वलनशील (जळू शकणाऱ्या) पदार्थांचा ऑक्सिजनाशी रासायनिक संयोग होऊन घडल्याची होती. व्यवहारात घरगुती कामासाठी (उदा., अन्न शिजविणे, पाणी तापविणे, घरे उबदार ठेवणे) त्याचप्रमाणे उद्योगधंद्यांत अनेक ठिकाणी आपण ज्वलनाचा उपयोग करून घेतो. आगीची आपत्ती ज्वलनामुळेच उद्‌भवते. ही सर्व ज्वलनेही त्याच प्रकारची आहेत. त्यामध्ये भाग घेणारा ऑक्सिजन कधी हवेमध्ये मिसळलेल्या स्थितीत, कधी एकटा, तर कधी एखाद्या रासायनिक पदार्थाचा घटक असून विघटनाने (रेणूचे भाग पडल्याने) मिळणारा असतो उदा., पोटॅशियम नायट्रेटापासून.

इतिहास : ज्वलन म्हणजे काय याचे स्पष्टीकरण करण्यासाठी सुचविलेली व प्रयोगावर आधारलेली पहिली कल्पना म्हणजे फ्लॉजिस्टॉन सिद्धांत होय. अठराव्या शतकाच्या आरंभी असा समज होता की, सर्व ज्वलनशील पदार्थांमध्ये एक ज्वलन-तत्त्व असते. त्याला स्टाल यांनी फ्लॉजिस्टॉन हे नाव दिले होते. पदार्थ जळतो तेव्हा ते बाहेर पडते. एखादी धातू (उदा., मॅग्नेशियम) हवेत तापविली असता जळते व तिचे भस्म बनते. या वस्तुस्थितीचे त्या काळी असे स्पष्टीकरण करीत की, ती जळताना तीमधील फ्लॉजिस्टॉन निघून जातो. याचा अर्थ भस्म म्हणजे ती धातू उणे फ्लॉजिस्टॉन किंवा भस्म अधिक फ्लॉजिस्टॉन म्हणजेच ती धातू. कोळसा सुलभतेने जळतो व तो जळाल्यावर फारसे काही शिल्लक राहत नाही, यावरून कार्बन (कोळशातील मूलद्रव्य) हा जवळजवळ शुद्ध फ्लॉजिस्टॉन आहे, असे समजले जाई.

धातूचे भस्म कोळशाबरोबर तापविले, तर मूळ धातू मिळते हा अनुभव होता याचा अर्थ, निघून गेलेला फ्लॉजिस्टॉन भस्मात परत समाविष्ट झाल्याने असे घडते, असा केला जाई. परंतु १७७४–८० च्या दरम्यान लव्हॉयझर या शास्त्रज्ञांनी बॉइल, हूक, मेयो, कॅव्हेंडिश व प्रीस्टली या संशोधकांनी केलेल्या प्रयोगांतून निष्पन्न झालेल्या ज्ञानात स्वतः प्रयोग करून भर घातली व असे निदर्शनास आणले की, ज्वलनास हवेची आवश्यकता असते आणि धातूच्या भस्माचे वजन घेतलेल्या धातूच्या वजनापेक्षा जास्त असते. इतकेच नव्हे तर प्रयोगासाठी घेतलेल्या धातूचे व हवेचे प्रारंभी वेगवेगळे वजन केले आणि प्रयोगानंतर बनलेल्या भस्माचे आणि हवेचे वजन काढले, तर भस्म व धातू यांच्या वजनांत जेवढा फरक येतो तितकाच फरक हवेच्या प्रारंभीच्या व नंतरच्या वजनात आढळतो. याचा अर्थ भस्म बनताना हवेतील काही घटक धातूशी संयोग पावतो. हा घटक म्हणजे ऑक्सिजन असेही त्यांनी दाखविल्यामुळे ज्वलन म्हणजे ज्वलनशील पदार्थाचा ऑक्सिजनाशी संयोग हे सिद्ध झाले आणि फ्लॉजिस्टॉन सिद्धांत असमाधानकारक म्हणून त्याज्य ठरला.

ज्वलनास आवश्यक गोष्टी : ज्वलन होण्यासाठी तीन गोष्टींची आवश्यकता असते : (१) ज्वलनशील पदार्थ, (२) ज्वलन साहाय्यक पदार्थ व (३) प्रज्वलन तापमान.

काहीपदार्थसुलभतेने जळतात व काही जळत नाहीत हे आपण पाहतोच. ज्वलनशील पदार्थांपैकीज्यांचा उपयोग घरगुती वा औद्योगिक उपयोगासाठी लागणारी उष्णता व प्रकाशउत्पन्न करण्यासाठी करतात त्यांना इंधने म्हणतात. ती घनुरूप, द्रवरूप किंवावायुरूप असतात.लाकूड, लोणारी कोळसा, दगडी कोळसा ही घनरूप इंधनांची उदाहरणे होत. द्रवरूप इंधनांतकेरोसीन व पेट्रोल यांचा समावेश होतो. कोल गॅस, नैसर्गिक वायू (खनिज इंधनवायू), पाणवायू (तप्त दगडी कोळशावरून वाफ जाऊ दिल्यास मिळणारा ज्वलनशीलवायू) इ. ज्वलनशील वायू हे वायुरूप इंधनांचे प्रकार होत [⟶इंधन].

ज्वलनशील पदार्थ वायुरूप असेल, ज्वलनाच्या तापमानाला तो बाष्परूप बनत असेल किंवा त्याचे अपघटन होऊन (रेणूचे तुकडे पडून) ज्वलनशील वायुरूप पदार्थ बनत असतील, तर ⇨ज्योत  निर्माण होते. इतरत्र ज्योतीशिवाय ज्वलन घडून येते उदा. कोळशाचे निखारे.

लाकूड किंवा लोणारी कोळसा अथवा दगडी कोळसा जळू लागतो तेव्हा प्रथम फडफडणारी ज्योत दिसते. इंधनातील घटकांचे अपघटन होऊन बनलेल्या ज्वलनशील बाष्पांमुळे ती बनलेली असते. त्यानंतर ही इंधने ज्योतीशिवाय जळतात. ज्वलनाने उत्पन्न झालेली उष्णता पुरेशी असेल, तर ज्वलन चालू राहते परंतु जर ती सभोवारच्या हवेत किंवा एखाद्या थंड पृष्ठभागाकडे प्रारणाच्या (तरंगरूपी ऊर्जेच्या) रूपाने त्वरेने उत्सर्जित होत असेल तर ज्वलन थांबते.

ज्वलनासाठी हवेचा वा ऑक्सिजनाचा (ज्वलनसाहाय्यक म्हणून ) पुरवठा भरपूर असावा लागतो. ऑक्सिजन दुसऱ्या एखाद्या संयुगाच्या अपघटनाने मिळत असला तरी चालते. उदा., मॅग्नेशियम धातू कार्बन डाय-ऑक्साइड वायूत जळू शकते, कारण उष्णतेने कार्बन डाय-ऑक्साइडाचे अपघटन होते आणि निर्माण झालेला ऑक्सिजन मॅग्नेशियमाशी संयोग पावतो.

इंधनाच्या थरांतून हवेचा प्रवाह वाहत असेल, तर थरांच्या अंतर्भागात कित्येकदा ज्वलन पूर्ण होत नाही व त्यामुळे कार्बन मोनॉक्साइड तयार होतो. नंतर त्याला पुरेशी हवा मिळाली, तर पृष्ठभागावर त्याचे ज्वलन होऊन कार्बन डाय-ऑक्साइड बनतो. कित्येकदा असे होत नाही आणि त्यामुळे कार्बन मोनॉक्साइड साठतो. तो विषारी असल्यामुळे धोका संभवतो.

इंधनाचा पृष्ठभाग व ऑक्सिजन अथवा हवा यांचा संबंध जितका जास्त येईल तितके ज्वलन जास्त त्वरेने घडून येते आणि जास्त उच्च तापमान मिळते. औद्योगिक भट्ट्यांमध्ये अशा तऱ्हेची योजना केलेली असते [⟶ भट्टी].

प्रज्वलन तापमान : शेगडीतील कोळसे पेटण्यासाठी जळत्या केरोसिनाच्या बोळ्याने त्यांना प्रथम आपण तापवितो गॅस पेटावा म्हणून त्याला आगकाडी लावतो. याचे कारण ज्वलनशील पदार्थाचे ज्वलन सुरू होण्यासाठी त्याचे तापमान विशिष्ट अंशापर्यंत नेण्याची आवश्यकता असते. या तापमानाला त्याचे प्रज्वलन तापमान म्हणतात. हे तापमानमूल्य ऑक्सिजनामध्ये व हवेमध्ये वेगवेगळे असते.

कोष्टक क्र. १. काही ज्वलनक्षम पदार्थांची प्रज्वलन तापमाने.
पदार्थ	प्रज्वलन तापमान (° से)
ॲसिटिलीन एथिलीन हायड्रोजन कार्बन मोनॉक्साइड (ओला) मिथेन केरोसीन बेंझिन	४२९ ५४३ ५८५ ६५१ ७०० २९५ ७४०

ज्वलनशील पदार्थांच्या हवेतील ऑक्सिजनाशी नेहमीच्या तापमानास देखील संयोग होत असतो, परंतु त्याची गती फार मंद असते. त्यामुळे फारच थोडी उष्णता उत्पन्न होते व तीही सभोवारच्या वातावरणात उत्सर्जित होत असल्यामुळे तापमान प्रज्वलन तापमानाइतके चढत नाही परंतु योग्य काळजी घेतली नसेल, तर आग लागण्याचा धोका संभवतो. उदा., जवसाचे तेल ज्यात वापरलेले आहे अशा रंगाने किंवा वंगणाच्या तेलाने भिजलेल्या चिंध्या अर्धवट बंद केराच्या डब्यात दीर्घकाल राहू दिल्या, तर अकस्मात पेटतात. याचे कारण जवसाचे किंवा वंगणाचे तेल हवेतील ऑक्सिजनाशी संयोग पावते त्यामुळे जी उष्णता बाहेर पडते ती प्रथम थोडी असली, तरी कापूस उष्णतेचा मंदवाहक असल्यामुळे आणि डबाही पूर्णपणे उघडा नसल्यामुळे साठत राहते व त्यामुळे तापमान चढू लागते. ते प्रज्वलन तापमानाइतके झाले की, ज्वलन सुरू होते, म्हणजेच आग लागते. अशा आकस्मित ज्वलनास स्वयंज्वलन म्हणतात.

ज्वलनाधार : घनरूप किंवा द्रवरूप इंधन हवेमध्ये किंवा ऑक्सिजनामध्ये जळते. येथे हवा किंवा ऑक्सिजन ह्यांना ज्वलनाधार म्हणतात. कोल गॅस हवेत जळतो तेव्हाही हवा हाच ज्वलनाधार होय, परंतु योग्य तऱ्हेने योजना केली, तर कोलगॅसमध्ये हवाही जळू शकते. अशा ठिकाणी कोलगॅस हा ज्वलनाधार होतो. अशीच स्थिती हायड्रोजन व ऑक्सिजन यांच्या ज्वलनाची आहे. जळणारा पदार्थ व ज्वलनाधार या संज्ञा परस्परावलंबी आहेत. पदार्थ जळताना त्याच्या सभोवार ज्याचे आवरण असते, तो वायू ज्वलनाधार होय.

कोणतेही ज्वलन चालू रहावयास इंधन, ज्वलन साहाय्यक व प्रज्वलन तापमान या तीनही गोष्टी एकत्र अस्तित्वात असणे आवश्यक असते. यांपैकी एकही जरी नाहीशी झाली, तरी ज्वलन थांबते. आग विझविण्याच्या तंत्रांत या तत्त्वाचा उपयोग करून घेतात [ ⟶ आगनिवारण].

ज्वलन क्रियेची यंत्रणा: वायूचे रेणू अत्यंत गतिमान असून सतत एकमेकावर आपटत असतात. नेहमीच्या तापमानास इंधन व ऑक्सिजन यांचे मिश्रण केले असता त्यांच्या रेणूंच्या जरी टकरी होत असतात, तरी त्यापासून उच्च ऊर्जा निर्माण होत नाही व त्यामुळे ज्वलन होत नाही. परंतु तापमान वाढले म्हणजे त्यांच्यामध्ये उच्च ऊर्जेच्या टकरी वारंवार होऊ लागतात व त्यामुळे या रेणूंपासून अणू आणि मूलके (रासायनिक विक्रियांत कायम राहणारा व अणूप्रमाणे वागणारा अणूंचा समुच्चय) निर्माण होतात. अशा अणूंची किंवा मूलकांची इंधनाच्या रेणूंशी विक्रिया होते व त्याला ऑक्सिजनाच्या रेणूशी संयोग पावण्याची पात्रता येते. या क्रियेमध्ये पुन्हा अणू आणि मुक्त रूपात असणारी मूलके तयार होतात आणि ही विक्रिया-शृंखला चालू राहते व त्यामुळेच ज्वलनक्रिया होत राहते.

इंधनात कार्बन व हायड्रोजन किंवा कार्बन, हायड्रोजन व ऑक्सिजन यांपासून बनलेल्या संयुगांचा भरणा असतो. ज्वलन होताना त्यांचे अपघटन होऊन हायड्रोजनापासून पाणी व हवेचा पुरवठा भरपूर असेल, तर कार्बनापासून कार्बन डाय-ऑक्साइड निर्माण होतो. हवेचा पुरवठा अपुरा असेल, तर कार्बनापासून कार्बन मोनॉक्साइड हे संयुग बनते. हेही ज्वलनशील असल्यामुळे याचे ज्वलन झाले म्हणजे कार्बन डाय-ऑक्साइड निर्माण होतो.

अंतर्ज्वलन एंजिन व त्यातील ठोके : इंधनाच्या ज्वलनापासून यांत्रिक शक्ती मिळविण्याच्या योजनांत ⇨ अंतर्ज्वलन-एंजिन  महत्त्वाचे आहे. अशा एंजिनामध्ये इंधन व हवा यांचे संपीडित ( दाब देऊन बनविलेले ) मिश्रण ज्वलनकोठीमध्ये घेऊन त्यामध्ये स्पार्क प्लगाच्या (विजेच्या योगाने ठिणगी पडेल अशी योजना असलेल्या उपकरणाच्या) योगाने ठिणगी पाडून ज्वलन घडवून आणतात. ठिणगी पडल्यावर तिच्या सान्निध्यातील मिश्रण प्रथम पेटते आणि एक गोलाकार ज्योत निर्माण होते. या ज्योतीच्या पृष्ठाचा संपर्क क्रमाक्रमाने सभोवारच्या न जळालेल्या इंधन मिश्रणाशी येऊन तेही जळू लागते, अशा तऱ्हेने ज्योतीचे प्रसारण ज्वलनकोठीच्या सीमांपर्यंत घडते. ज्वलन झाले म्हणजे उत्पन्न झालेल्या पदार्थांचे घनफळ जास्त असल्यामुळे न जळालेल्या मिश्रणावरील दाब वाढतो व त्याचे मूळचे घनफळ कमी होते. त्यामुळे त्याचे तापमान वाढते आणि ज्योत तेथपर्यंत पोहोचण्यापूर्वीच त्याचे स्वयंज्वलन होऊन विस्फोट होऊ शकतो. असे झाले तर एंजिनात ठोका पडल्यासारखा आवाज होतो, त्याचे तापमान वाढते, त्याच्या भागांवर अनिष्ट ताण पडतो व एंजिनाची कार्यक्षमता कमी होते, म्हणून अशी आपत्ती टाळावी लागते. इंधनामध्ये काही प्रमाणात टेट्राएथिल लेड हे संयुग मिसळल्याने हा कार्यभाग साधतो.

⇨ वायू टरबाइन  हा अंतर्ज्वलन एंजिनाचा एक विशेष प्रकार आहे. यामध्ये ज्वलनकोठीमध्ये इंधन व हवा यांचे मिश्रण घेऊन ज्वलन घडवून आणतात व त्यामुळे निर्माण झालेल्या उच्च दाबाच्या वायूंचा झोत पाती बसविलेल्या चाकाच्या पात्यांवर सोडतात. त्यामुळे परिभ्रमी गती निर्माण होते.

उष्णतामूल्य : एखादे इंधन उष्णता निर्मितीसाठी कितपत कार्यक्षम आहे हे त्याच्या उष्णतामूल्यावरून ठरविता येते. १ ग्रॅम घनरूप किंवा द्रवरूप इंधन जाळले असता जितक्या कॅलरी उष्णता निर्माण होईल तितके त्या इंधनाचे उष्णातामूल्य किंवा कॅलरीमूल्य होय. ही संख्या जेथे फार मोठी असते तेथे सोयीसाठी किलोकॅलरीमध्ये व्यक्त करतात (१ किकॅ. = १,००० कॅलरी).

वायुरूप इंधनांचे उष्णतामूल्य १ घ. मी. (समुद्रसपाटीस असणाऱ्या वातावरण दाबास) इंधनापासून मिळणाऱ्या कॅलरींच्या संख्येने दर्शवितात.

काही सामान्य इंधनांची उष्णतामूल्ये पुढीलप्रमाणे आहेत : लाकूड सु. ३,५५० कॅ./ग्रॅ., लोणारी कोळसा सु. ७,००० कॅ./ग्रॅ., केरोसीन ११,००० कॅ./ग्रॅ. किंवा ११ किकॅ./ग्रॅ., नैसर्गिक वायू ९,००० कॅ./ग्रॅ. किंवा ९ किकॅ./ग्रॅ. [ ⟶ इंधन].

ज्वालाग्राहित्वाच्या मर्यादा : ज्वलनशील वायुरूप पदार्थ पेटण्यासाठी त्यांचे हवेशी अथवा ऑक्सिजनाशी झालेले मिश्रण काही ठराविक मर्यादांमध्ये असावे लागते. या मर्यादांना त्यांच्या ज्वालाग्राहित्वाच्या मर्यादा म्हणतात. हवा व ऑक्सिजन यांकरीता हे आकडे वेगवेगळे असतात.

प्राण्यांच्या शरीराचे तापमान ठराविक मर्यादेत असावे लागते. त्याकरिता लागणारी उष्णता त्यांच्या शरीरांमध्ये अन्नातील घटकांचे ज्वलन होऊन–त्यांचा हवेतील ऑक्सिजनाशी संयोग होऊन–मिळते. या ज्वलनाने निर्माण झालेला कार्बन डाय-ऑक्साइड आणि पाणी उच्छ्‌वासावाटे व घामाच्या द्वारे बाहेर टाकले जाते [⟶ तापमान, प्राण्यांच्या शरीराचे].

उत्प्रेरकी ज्वलन : पॅलॅडियम किंवा स्पंजरूप प्लॅटिनम धातूच्या पृष्ठभागावर शोषण होऊन हायड्रोजनाचे ज्वलन होते आणि पाणी बनते. येथे हायड्रोजनाचे रेणू धातूच्या अंतर्भागात प्रवेश करतात, तेथे त्यांचे अणू बनतात व ते पृष्ठभागावर शोषल्या गेलेल्या ऑक्सिजनाशी संयोग पावतात. या विक्रियेत जी उष्णता निर्माण होते तीमुळे स्पंजरूप प्लॅटिनम इतके तापते की, ते पेट घेते. ही विक्रिया या धातूंच्या ⇨उत्प्रेरणाने घडून येते.

इंधनांच्या ज्वलनाने औद्योगिक कामाकरिता लागणारी उष्णता कमीत कमी खर्चात व हवी त्याप्रकारे मिळावी म्हणून निरनिराळ्या प्रकारांच्या भट्ट्या बांधतात. त्यांमध्ये आवश्यकतेप्रमाणे उच्च तापमान मिळावे म्हणून त्वरीत ज्वलन होण्याची किंवा तापवावयाची वस्तू व ज्योत यांचा प्रत्यक्ष संबंध येण्यासाठी किंवा अप्रत्यक्ष तापन करण्यासाठी अवश्य त्या योजना केलेल्या असतात [ ⟶ भट्टी].

पहा : ऑक्सिडीभवन.

संदर्भ :

1. Partington, J. R. General and Inorganic Chemistry, New York, 1966

2. Timm, I. A. General Chemistry, Toronto, 1966.

3. Williams, F.  A. Combustion Theory, London, 1965.

दीक्षित, व. चिं. केळकर, गो. रा.

“