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火究竟是什么物质?火是固态、液态还是气态?

 魅力科学君 2023-05-29 发布于四川

在人类文明的发展历程中,对火的掌控,无疑是一个极为重要的里程碑,直到现在,我们的日常生活仍然与火息息相关,以至于几乎每一天,我们都会使用到火。在使用火的同时,我们也有不少的疑问,比如说火究竟是什么物质?火是固态、液态还是气态?下面我们就来讨论一下这个话题。

实际上,我们将火称为物质是不适当的,相对来讲,我们更应该将其视为一种可燃物与助燃物发生剧烈的氧化反应、并释放出光和热的现象。

在此前提下,讨论火是什么形态的物质,就显得没有什么意义。不过我们还是可以讨论一下,火焰中的物质到底是什么形态。对于这个问题,我们不妨拿常见的火柴来作为一个具体例子来进行探讨。

火柴的结构可分为火柴头和火柴杆,火柴头和火柴盒的侧面含有氯酸钾、硫、磷类、二氧化锰等物质,当我们用火柴头在火柴盒的侧面轻轻擦划的时候,摩擦产生的少量热量,就可以使火柴头上的物质发生剧烈的化学反应,这会释放出大量的热量,进而使火柴杆达到燃点。

火柴杆通常都是木质的,主要由木质素、纤维素、半纤维素等高分子结构组成,这些结构的主要元素为碳(C)、氧(O)、氢(H),当遇到高温时,构成火柴杆的部分物质会发生裂解,并释放出大量的小分子物质。

这些物质通常都表现为气体,但也有少量的固体颗粒,接下来,它们会与空气中的氧气发生剧烈的氧化反应——燃烧,这会释放出大量的热量,这会导致火柴杆中更多的物质持续裂解,然后被点燃,进而形成明显的火焰,并生成二氧化碳、水蒸气和其他副产物。

在地球上,重力会使较热的气体上升,并使较冷的气体下沉,这就使得火柴上的火焰形状在无风的情况下会是一个锥形或尖顶形。

这种火焰通常会分为三层,第一层被称为“焰心”,其中主要是没有发生燃烧的气体物质,所以相对很暗,最外层被称为“外焰”,由于这一层中的物质燃烧最为充分,因此这里的温度最高,其颜色也相对较减(通常为蓝色),而“焰心”和“外焰”之间的中间层,则被称为“内焰”,其中主要是未完全燃烧的高温气体,并因为被烧热而发出明亮的光线(通常为橙黄色)。

由此可见,这种火焰之中的物质其实是一种混合物,其中绝大多数都是气态物质,也包含少量的固态物质颗粒,其发光发热的原理可以简单地解释为,构成物质的电子受高温激发之后跃迁到更高的能级,而这种状态的电子是不稳定的,它们很快就会跃迁到更低的能级,同时以电磁波的形式向外释放能量。

实际上,常见物质的燃烧的情况也与火柴类似,只不过是燃烧产生的火焰规模有大有小而已。

但值得一提的是,有一种常见的说法认为,火焰中的物质既不是固态和液态,也不是气态,而是等离子态,然而这种说法是非常片面的,这是因为产生等离子体物质需要很强的电场或者很高的温度,而常见物质的燃烧,并不存在电场,其温度也无法维持等离子体物质稳定地存在。

常见物质的燃烧(如木头、蜡、纸张等),其温度通常都只有几百℃,最高也就1000℃出头,这远低于离子体物质稳定存在的理论阈值,尽管在燃烧过程中会产生少量游离的离子和电子,但由于温度不够高,它们在很短的时间内就会迅速结合在一起。

所以在常见物质燃烧的火焰中,绝大部分物质是气态物质,还混有少量的固体颗粒,相对来讲,等离子体物质却是非常少的,其所占的比例基本上可以忽略不计,而只有在一些特殊物质的燃烧产生的高温火焰中,等离子体物质才可以大量地产生并稳定地存在(比如说氧炔燃烧的温度可以达到3000℃以上)。

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