火到底是什麼?

2019-02-19 09:01:56

火到底是什麼?

在中文裡火的含義很多,我們說的火是化學反應的火,是整個火團,而火焰是火的可見部分。火這種現象,不是單純的物理現象也不是單純的化學現象。所以可能你去問物理老師和化學老師,給到你的回答都是不同的,物理老師可能會告訴你火是等離子態物質;化學老師會告訴你是化學反應的結果。要了解火焰這種現象,要從物理和化學兩個角度結合一起看。你問任何一個老師,甚至任何一本物理或者化學課本,給到的回答,都可能是不全面的。記得筆者在中學時期,化學書上給到的解釋是:火、燃燒,是一種發光、發熱的現象,是能量的一種形式.。其實這個解釋是比較敷衍的,站在教科書的角度,因為考試不會考所以暫時只知道到這個程度即可,但是現實世界本身是中學教科書複雜得多的。要了解火,需要我們有一種探究的精神。

火示意圖

認識火,需要知道物質除了固態、液態、氣態外的兩種狀態:激發態和等離子態;以及對應的兩種發光原理。

激發態:原子或分子吸收一定的能量後,電子被激發到較高能級但尚未電離的狀態。當原子或分子處在激發態時,電子云的分布會發生某些變化,分子的平衡核間距離略有增加,化學反應活性增大。所有光化學反應都是通過分子被提升到激發態後進行的化學反應,因此光化學又稱激發態化學。嚴格來說激發態不是一種單獨的物質狀態,激發態是可燃燒氣體的一種狀態,激發態的物質看起來其實跟普通氣態一樣,只是電子的能量更大。物質從激發態狀態變為普通氣態,這個過程能量減少並發出光子,也就是電子躍遷導致發光,這是火焰中的第一種發光現象。

電子躍遷

等離子態:物質原子內的電子在脫離原子核的吸引而形成帶負電的自由電子和帶正電的離子共存的狀態,此時,電子和離子帶的電荷相反,但數量相等,這種狀態稱作等離子態。激發態的物質在較高的溫度下,會變為等離子態。等離子態跟激發態有本質的不同,等離子態是電子和原子核相互游離,而激發態電子仍然受原子核束縛在原子核周圍。當等離子態中的的正負電荷重新結合,即等離子複合,形成原子,這個過程能量減少並發出光子。這是火焰的第二種發光現象。

等離子發光

明白了兩種發光現象之後,我們再看看最基本的燃燒現象:蠟燭的燃燒。

我們都知道蠟燭是有一根棉芯和石蠟組成的,棉芯主要是固定蠟燭的作用,而蠟燭的燃燒物就是石蠟。石蠟的熔點只有49-51℃,沸點300-550℃,一般打火機或者火柴的火焰,就可以超過石蠟的沸點。我們點燃蠟燭的時候,首先石蠟溶解,而溶解的石蠟再在超過沸點的外界溫度的情況下氣化為石蠟氣體,外界火焰溫度讓石蠟氣體進入激發態,而我們看到的火焰,其實是一個激發態和普通氣態的不斷轉換的範圍。這個範圍中石蠟狀態非常不穩定,既有普通氣態石蠟分子變為激發態石蠟分子,也有激發態石蠟分子變為普通氣態石蠟分子。由於整個範圍都有激發態變為普通氣態,發出光子的過程,我們肉眼看到的就是這個範圍的發光,也就是火焰。這個範圍,就是火焰的範圍,或者說火焰的體積,是激發態和普通氣態轉換非常激烈的範圍,這是第一種火焰。

蠟燭

還有一種火焰,來自於上面說的第二種發光現象:等離子發光。處於激發態的氣體,在熱量的影響下,電子和原子分離,就會轉換為等離子態。等離子態的物質也跟激發態一樣,也會形成一個範圍,在這個範圍內,等離子非常不穩定,有些有氣體變為等離子,有些由等離子變為氣體。而由等離子變為氣體的過程會發光,這就是我們上面說的第二種發光現象,也就是第二種火焰。

太陽風充滿等離子

燃燒的過程,其實上面兩種火焰都可能會有。但是一般認為,低溫的火焰,大部分是電子躍遷發光,也就是第一種火焰;而高溫的火焰,是等離子複合發光,也就是第二種火焰。

火焰持續燃燒

持續燃燒:再看回石蠟的燃燒過程,為什麼外界的熱源撤離後,火焰還可以繼續燃燒呢?是因為石蠟和氧氣的化學反應,生成了二氧化碳和水,並生成很多的熱量,這些熱量讓周圍的石蠟氣體處於高溫狀態,從而保持著一個範圍的激發態或等離子態,也就是保持著火焰體積。也就是說只要有足夠的石蠟氣體,就會持續燃燒。

火焰的形狀

火焰的形狀:火焰燃燒是有方向的,從下部開始燃燒,到上面最猛烈,為什麼呢?火焰的方向,其實就是石蠟氣體的分布方向。我們都知道蠟燭火焰內部是高溫的石蠟氣體,外界的低溫空氣會擠壓高溫的石蠟氣體,而由於重力作用,這種擠壓的力是從下往上的,於是我們看到的火焰都是往上燒的。據說在太空失重環境下的火焰,是球形的。

激發態火焰的溫度和顏色:我們看到的蠟燭的火焰,往往在接近石蠟的部分,是藍色的,遠離石蠟的部分,是黃色的,為什麼呢?因為火底部的石蠟,由於火焰溫度的影響,不斷被氣化。剛剛氣化的石蠟需要吸收更多熱量才能升到激發態,而剛剛生成的石蠟氣體馬上受到氧氣的擠壓,氧氣和石蠟氣體的混合還不充分,導致溫度升高並不快,變為激發態也不多。

蠟燭的火焰和形狀

但是值得注意的是:火焰底部火焰是藍色,而對火焰顏色的研究發現,藍色的火焰溫度是比紅橙色火焰更高的。那為什麼蠟燭火焰的底部溫度還比較低呢?由於石蠟氣體是持續的純氣體生成,生成後石蠟氣體周邊和氧氣的接觸非常充分,導致燃燒也非常充分,所以火焰呈藍色;但是也只有周邊和氧氣接觸比較充分,所以其實這種情況下燃燒的量是不大的,所以溫度並不高。越往上部,空氣和石蠟氣體的接觸越充分,他們混合的氣體的範圍更大,混合更充分,所以我們看到的火焰範圍也越來越大,發生化學反應的量也越多,溫度就越高。

蠟燭的火焰就分析到此了,最後,火是什麼?火就是火團,是燃燒化學反應發生的整個場景。火焰是什麼?常見的火焰就是激發態物質或者等離子態物質活動發光的集中範圍。

燭光晚餐

充滿美好氛圍的燭光晚餐

有興趣還可以進一步思考一下其他火焰的發光,例如煙花、鬼火、木炭著火等。甚至還可以進一步演技一下其他發光現象,例如鐵水發光、白熾燈發光、太陽發光、LED發光等等。整個蠟燭火焰的分析,其實運用到了物理化學的多種知識,比學校教的要複雜很多。本文是指尖科技說筆者自己找了很多資料整理出來的,指尖科技說其實不想做科普,我們想要傳達給讀者的是一種對知識的思考方法。

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