火到底是什么？
在中文里火的含義很多，我們說(shuō)的火是化學(xué)反應的火，是整個(gè)火團，而火焰是火的可見(jiàn)部分?；疬@種現象，不是單純的物理現象也不是單純的化學(xué)現象。所以可能你去問(wèn)物理老師和化學(xué)老師，給到你的回答都是不同的，物理老師可能會(huì )告訴你火是等離子態(tài)物質(zhì)；化學(xué)老師會(huì )告訴你是化學(xué)反應的結果。要了解火焰這種現象，要從物理和化學(xué)兩個(gè)角度結合一起看。你問(wèn)任何一個(gè)老師，甚至任何一本物理或者化學(xué)課本，給到的回答，都可能是不全面的。記得筆者在中學(xué)時(shí)期，化學(xué)書(shū)上給到的解釋是：火、燃燒，是一種發(fā)光、發(fā)熱的現象，是能量的一種形式.。其實(shí)這個(gè)解釋是比較敷衍的，站在教科書(shū)的角度，因為考試不會(huì )考所以暫時(shí)只知道到這個(gè)程度即可，但是現實(shí)世界本身是中學(xué)教科書(shū)復雜得多的。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(zhì)除了固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)外的兩種狀態(tài)：激發(fā)態(tài)和等離子態(tài)；以及對應的兩種發(fā)光原理。
激發(fā)態(tài)：原子或分子吸收一定的能量后，電子被激發(fā)到較高能級但尚未電離的狀態(tài)。當原子或分子處在激發(fā)態(tài)時(shí)，電子云的分布會(huì )發(fā)生某些變化，分子的平衡核間距離略有增加，化學(xué)反應活性增大。所有光化學(xué)反應都是通過(guò)分子被提升到激發(fā)態(tài)后進(jìn)行的化學(xué)反應，因此光化學(xué)又稱(chēng)激發(fā)態(tài)化學(xué)。嚴格來(lái)說(shuō)激發(fā)態(tài)不是一種單獨的物質(zhì)狀態(tài)，激發(fā)態(tài)是可燃燒氣體的一種狀態(tài)，激發(fā)態(tài)的物質(zhì)看起來(lái)其實(shí)跟普通氣態(tài)一樣，只是電子的能量更大。物質(zhì)從激發(fā)態(tài)狀態(tài)變?yōu)槠胀鈶B(tài)，這個(gè)過(guò)程能量減少并發(fā)出光子，也就是電子躍遷導致發(fā)光，這是火焰中的第一種發(fā)光現象。
電子躍遷
等離子態(tài)：物質(zhì)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(tài)，此時(shí)，電子和離子帶的電荷相反，但數量相等，這種狀態(tài)稱(chēng)作等離子態(tài)。激發(fā)態(tài)的物質(zhì)在較高的溫度下，會(huì )變?yōu)榈入x子態(tài)。等離子態(tài)跟激發(fā)態(tài)有本質(zhì)的不同，等離子態(tài)是電子和原子核相互游離，而激發(fā)態(tài)電子仍然受原子核束縛在原子核周?chē)?。當等離子態(tài)中的的正負電荷重新結合，即等離子復合，形成原子，這個(gè)過(guò)程能量減少并發(fā)出光子。這是火焰的第二種發(fā)光現象。
等離子發(fā)光
明白了兩種發(fā)光現象之后，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(diǎn)只有49-51℃，沸點(diǎn)300-550℃，一般打火機或者火柴的火焰，就可以超過(guò)石蠟的沸點(diǎn)。我們點(diǎn)燃蠟燭的時(shí)候，首先石蠟溶解，而溶解的石蠟再在超過(guò)沸點(diǎn)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(jìn)入激發(fā)態(tài)，而我們看到的火焰，其實(shí)是一個(gè)激發(fā)態(tài)和普通氣態(tài)的不斷轉換的范圍。這個(gè)范圍中石蠟狀態(tài)非常不穩定，既有普通氣態(tài)石蠟分子變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)石蠟分子，也有激發(fā)態(tài)石蠟分子變?yōu)槠胀鈶B(tài)石蠟分子。由于整個(gè)范圍都有激發(fā)態(tài)變?yōu)槠胀鈶B(tài)，發(fā)出光子的過(guò)程，我們肉眼看到的就是這個(gè)范圍的發(fā)光，也就是火焰。這個(gè)范圍，就是火焰的范圍，或者說(shuō)火焰的體積，是激發(fā)態(tài)和普通氣態(tài)轉換非常激烈的范圍，這是第一種火焰。
蠟燭
還有一種火焰，來(lái)自于上面說(shuō)的第二種發(fā)光現象：等離子發(fā)光。處于激發(fā)態(tài)的氣體，在熱量的影響下，電子和原子分離，就會(huì )轉換為等離子態(tài)。等離子態(tài)的物質(zhì)也跟激發(fā)態(tài)一樣，也會(huì )形成一個(gè)范圍，在這個(gè)范圍內，等離子非常不穩定，有些有氣體變?yōu)榈入x子，有些由等離子變?yōu)闅怏w。而由等離子變?yōu)闅怏w的過(guò)程會(huì )發(fā)光，這就是我們上面說(shuō)的第二種發(fā)光現象，也就是第二種火焰。
太陽(yáng)風(fēng)充滿(mǎn)等離子
燃燒的過(guò)程，其實(shí)上面兩種火焰都可能會(huì )有。但是一般認為，低溫的火焰，大部分是電子躍遷發(fā)光，也就是第一種火焰；而高溫的火焰，是等離子復合發(fā)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(guò)程，為什么外界的熱源撤離后，火焰還可以繼續燃燒呢？是因為石蠟和氧氣的化學(xué)反應，生成了二氧化碳和水，并生成很多的熱量，這些熱量讓周?chē)氖灇怏w處于高溫狀態(tài)，從而保持著(zhù)一個(gè)范圍的激發(fā)態(tài)或等離子態(tài)，也就是保持著(zhù)火焰體積。也就是說(shuō)只要有足夠的石蠟氣體，就會(huì )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(kāi)始燃燒，到上面最猛烈，為什么呢？火焰的方向，其實(shí)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(huì )擠壓高溫的石蠟氣體，而由于重力作用，這種擠壓的力是從下往上的，于是我們看到的火焰都是往上燒的。據說(shuō)在太空失重環(huán)境下的火焰，是球形的。
激發(fā)態(tài)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，為什么呢？因為火底部的石蠟，由于火焰溫度的影響，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(fā)態(tài)，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，導致溫度升高并不快，變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)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(fā)現，藍色的火焰溫度是比紅橙色火焰更高的。那為什么蠟燭火焰的底部溫度還比較低呢？由于石蠟氣體是持續的純氣體生成，生成后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(shí)這種情況下燃燒的量是不大的，所以溫度并不高。越往上部，空氣和石蠟氣體的接觸越充分，他們混合的氣體的范圍更大，混合更充分，所以我們看到的火焰范圍也越來(lái)越大，發(fā)生化學(xué)反應的量也越多，溫度就越高。
蠟燭的火焰就分析到此了，最后，火是什么？火就是火團，是燃燒化學(xué)反應發(fā)生的整個(gè)場(chǎng)景?；鹧媸鞘裁?？常見(jiàn)的火焰就是激發(fā)態(tài)物質(zhì)或者等離子態(tài)物質(zhì)活動(dòng)發(fā)光的集中范圍。
燭光晚餐
充滿(mǎn)美好氛圍的燭光晚餐
有興趣還可以進(jìn)一步思考一下其他火焰的發(fā)光，例如煙花、鬼火、木炭著(zhù)火等。甚至還可以進(jìn)一步演技一下其他發(fā)光現象，例如鐵水發(fā)光、白熾燈發(fā)光、太陽(yáng)發(fā)光、LED發(fā)光等等。整個(gè)蠟燭火焰的分析，其實(shí)運用到了物理化學(xué)的多種知識，比學(xué)校教的要復雜很多。本文是指尖科技說(shuō)筆者自己找了很多資料整理出來(lái)的，指尖科技說(shuō)其實(shí)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。
聯(lián)系客服
