火究竟是什麼物質?火是固態、液態還是氣態?

2023-05-29     魅力科學君

原標題:火究竟是什麼物質?火是固態、液態還是氣態?

在人類文明的發展歷程中,對火的掌控,無疑是一個極為重要的里程碑,直到現在,我們的日常生活仍然與火息息相關,以至於幾乎每一天,我們都會使用到火。在使用火的同時,我們也有不少的疑問,比如說火究竟是什麼物質?火是固態、液態還是氣態?下面我們就來討論一下這個話題。

實際上,我們將火稱為物質是不適當的,相對來講,我們更應該將其視為一種可燃物與助燃物發生劇烈的氧化反應、並釋放出光和熱的現象。

在此前提下,討論火是什麼形態的物質,就顯得沒有什麼意義。不過我們還是可以討論一下,火焰中的物質到底是什麼形態。對於這個問題,我們不妨拿常見的火柴來作為一個具體例子來進行探討。

火柴的結構可分為火柴頭和火柴杆,火柴頭和火柴盒的側面含有氯酸鉀、硫、磷類、二氧化錳等物質,當我們用火柴頭在火柴盒的側面輕輕擦劃的時候,摩擦產生的少量熱量,就可以使火柴頭上的物質發生劇烈的化學反應,這會釋放出大量的熱量,進而使火柴杆達到燃點。

火柴杆通常都是木質的,主要由木質素、纖維素、半纖維素等高分子結構組成,這些結構的主要元素為碳(C)、氧(O)、氫(H),當遇到高溫時,構成火柴杆的部分物質會發生裂解,並釋放出大量的小分子物質。

這些物質通常都表現為氣體,但也有少量的固體顆粒,接下來,它們會與空氣中的氧氣發生劇烈的氧化反應——燃燒,這會釋放出大量的熱量,這會導致火柴杆中更多的物質持續裂解,然後被點燃,進而形成明顯的火焰,並生成二氧化碳、水蒸氣和其他副產物。

在地球上,重力會使較熱的氣體上升,並使較冷的氣體下沉,這就使得火柴上的火焰形狀在無風的情況下會是一個錐形或尖頂形。

這種火焰通常會分為三層,第一層被稱為「焰心」,其中主要是沒有發生燃燒的氣體物質,所以相對很暗,最外層被稱為「外焰」,由於這一層中的物質燃燒最為充分,因此這裡的溫度最高,其顏色也相對較減(通常為藍色),而「焰心」和「外焰」之間的中間層,則被稱為「內焰」,其中主要是未完全燃燒的高溫氣體,並因為被燒熱而發出明亮的光線(通常為橙黃色)。

由此可見,這種火焰之中的物質其實是一種混合物,其中絕大多數都是氣態物質,也包含少量的固態物質顆粒,其發光發熱的原理可以簡單地解釋為,構成物質的電子受高溫激發之後躍遷到更高的能級,而這種狀態的電子是不穩定的,它們很快就會躍遷到更低的能級,同時以電磁波的形式向外釋放能量。

實際上,常見物質的燃燒的情況也與火柴類似,只不過是燃燒產生的火焰規模有大有小而已。

但值得一提的是,有一種常見的說法認為,火焰中的物質既不是固態和液態,也不是氣態,而是等離子態,然而這種說法是非常片面的,這是因為產生等離子體物質需要很強的電場或者很高的溫度,而常見物質的燃燒,並不存在電場,其溫度也無法維持等離子體物質穩定地存在。

常見物質的燃燒(如木頭、蠟、紙張等),其溫度通常都只有幾百℃,最高也就1000℃出頭,這遠低於離子體物質穩定存在的理論閾值,儘管在燃燒過程中會產生少量游離的離子和電子,但由於溫度不夠高,它們在很短的時間內就會迅速結合在一起。

所以在常見物質燃燒的火焰中,絕大部分物質是氣態物質,還混有少量的固體顆粒,相對來講,等離子體物質卻是非常少的,其所占的比例基本上可以忽略不計,而只有在一些特殊物質的燃燒產生的高溫火焰中,等離子體物質才可以大量地產生並穩定地存在(比如說氧炔燃燒的溫度可以達到3000℃以上)。

文章來源: https://twgreatdaily.com/184f411067ed2deff4a6a6695fbb99f9.html