有人问我:“火”到底是什么
来源:    点击:   发布时间:2018-10-17 19:10:14

有人说,火是气体,而且是温度很高的气体。


人类对火的好奇和崇拜有很久历史,每个文化都有火神这种东西,甚至在现代科学刚刚诞生后,还出现过燃素说理论。这个理论作为化学领域的主流理论流行了大约200年,到1890年才彻底被证伪。因为拉瓦锡准确测量了氧气的质量,确定了这种物质存在,燃素说最终走向灭亡。

燃素说认为火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体。这种火的微粒既能同其他元素结合而形成化合物,也能以游离方式存在。大量游离的火微粒聚集在一起就形成明显的火焰,它弥散于大气之中便给人以热的感觉,由这种火微粒构成的火的元素就是“燃素”。物质在加热时,燃素并不能自动分解出来。而须外加空气将其中燃素吸取出来,燃烧才能实现;上好的空气是具有吸收燃素的性质的。


其实,火是一种现象。在化学反应和分子输运两大要素的作用下,反应区域源源不断地消耗着自由基(燃料和氧化剂),同时放出热量维持反应温度。反应物被大量消耗但同时也通过输运过程获得补充。这么一个自维持的系统称之为火。

通常,我们所看到的部分,是高温环境中离子跃迁放出的光。比如本生灯火焰(Bunsen flame),火焰面只是亮蓝色薄薄的一层,是化学反应最剧烈的地方,这个区域以外的地方其实并没有“烧”起来。比如中间浅蓝色三角部分,这只是由于氢气的自由基在高温下跃迁发射出蓝色可见光。





化学反应可以在不同的场所发生,一般来说反应物分得越散,越开,反应就越强。在空气里,想充分反应则不大容易,因为反应物大都是些固体,没有充分混合,但是初始条件会引爆反应发生。

比如划火柴时,最终火柴头的硫燃烧,但最初是靠划火柴那个摩擦生热,先让火柴头上的氯酸钾分解产生大量热点燃火柴盒上的红磷,红磷再点燃火柴头的。像家里天然气的灶台也是这样,你在空气中随意混合甲烷是不会燃烧的,必须有个电打火的装置,点燃最初一点点甲烷和氧气,后续的发热才能维持更多的甲烷和氧气参与进来燃烧。


以天然气燃烧为例,已经烧起来的时候,火焰外围的温度大约800摄氏度,这时候不论是附近的氧气,还是甲烷,氧元子,碳元子,氢原子的电子都处于一种激发态,温度高就会让电子更活跃。但火焰毕竟也有一个边界,边界之外是低温的,所以原子处于激发态后总有机会遇到给他降温的因素,只要一降温,不少电子就从蹦蹦跳跳变成懒得动换,这个状态转变就放出一份光,这份光是什么颜色取决于从刚刚那个激发态降落到低一些的状态上,能量差值的大小。有些差值对应的能量很弱,我们眼睛看不到,有些比较强,我们可以看到,还有些更强,我们也看不到。在反应物充足的地方反映更剧烈,所以发热更多,温度更高。


一团火焰哪里具备这样的条件呢?那就是火焰的外沿,火焰的内部因为接触不到比外焰更丰富的氧气,所以反应没有那么剧烈,温度就低很多。所以火的本质就是一个发生剧烈反应的区域,这里原子中的电子不断从激发态降落到低能级,放出光。

但实际上光甲烷的燃烧就是一个非常复杂的过程,有专门的科学家做详细的分析。比如研究化学发光机制的科学家们,甲烷在氧气中燃烧有300多个步骤,我们中学学到的配平好的公式,CH4+2O2=CO2+2H2O,只是这300个步骤里初始态和终止态中间错综复杂的过程我们都当做一个黑箱子了。如果按照科学家的水平去分析,那可能要几本书才能写清楚,发光就涉及到是什么东西发了什么波长的光,带电的OH,带电的甲基,带电的碳是其中发光大户,可以测量他们分别在309nm,431nm,516和563nm对发光的贡献最大。


其实,火究竟是什么,每个人心里都有自己的答案。但毋庸置疑的是,清楚的认知火是什么,是每一个阻燃材料人首要和重要的事情。