人类最伟大的成就就是发现并学会了使用火。从古代人们用天然的火来烹调食物、驱赶野兽,到现代社会用火来驱动汽车和飞机,甚至火箭飞上太空,都还在用火!

火虽然这么常用,但是吃瓜群众有个挥之不去的毛病。火是一种神奇的现象。灰烬在一阵风中消失,而汽油却连灰烬都没有。质量守恒呢?所有这些物质都去了哪里?

从燃素到氧化反应

17世纪的炼金术士也想知道这种神奇的燃烧到底发生了什么。炼金界的大佬们都认同德国医生贝歇尔的燃素说,燃烧就是易燃元素释放燃素!的确,这是非常有道理的,因为当时能找到的物质,经过燃烧之后,变得更轻了,有的甚至消失了。真是有道理,我无语了!

18世纪,有一位不信邪的法国著名化学家拉瓦锡。是的,他已经从炼金术发展到了化学!他在1784年重做波义尔的金属燃烧实验时,发现燃烧后的金属化合物比原来重,这让燃素的支持者有些恐慌,甚至搬出了金属中有负质量的说法燃烧反应!

当然后来拉瓦锡用无可辩驳的事实证明,燃烧大部分是一个氧化过程,我们的呼吸也是一个氧化过程。当然,并非所有的燃烧都是氧化。例如,镁可以在氮气中燃烧。当然这是一个比较广泛的烧录。

此外,俄国科学家罗蒙索夫在1756年的实验中发现了质量守恒定律。在孤立系统中的任何化学反应和低能热力学过程中,反应物或起始原料的总质量必须相等到产品的质量

这是维基百科对质量守恒的定义,比较严谨。“在孤立系统中的任何化学反应和低能量热力学过程中”,低能量是至关重要的,下面将进行简要说明。

木头、煤炭、汽油燃烧后去了哪里?

现在我们知道燃烧大部分是一个氧化过程,所以在回答燃烧后去哪儿这个问题之前,我们必须先了解一下这些物质的成分!

木材的成分:主要是纤维素、半纤维素和木质素、水和少量矿物盐砷等元素

汽油:主要是C5-C12脂肪烃和环烷烃,还有一定量的芳香烃和硫化物。

木材中的纤维素、半纤维素和木质素的成分是碳(44%)氢(6%)氧(42.5%)氮(小于0.5%)和矿物质(小于1%)。燃烧加热时会发生裂解反应,不同温度生成的产物不同:

200℃主要形态为二氧化碳和水蒸气、甲酸、乙酸和各种可燃气体,还有少量的在200-280℃时产生水蒸气和一氧化碳,在280-500℃时产生易燃蒸气和颗粒物;500℃以上,主要是碳。

完全燃烧时大部分是二氧化碳和水蒸气,未完全燃烧时会产生一氧化碳,所以冬天千万不要在家里生火炉。一氧化碳中毒!二氧化碳和水蒸气都随风飘散,剩下的就是由各种不可燃矿物组成的灰烬。

木材中的灰分比例大多不超过1%,植被中的灰分含量略高约2%!燃烧一吨木头只留下10公斤左右的灰烬,在燃烧过程中还有一些飞灰随风飘散!

  • 煤的燃烧过程

煤的燃烧过程比较复杂,但可以简单分为几个阶段:

  • 水分蒸发阶段:在加热过程中,煤首先会蒸发水分

  • 挥发物燃烧阶段:煤继续加热会释放出挥发物,包括氮气、氢气、甲烷、一氧化碳、二氧化碳、硫化氢等气体,以及一些复杂的有机化合物。

  • 焦炭燃烧阶段:煤中的挥发物被烧尽,剩下的物质就是焦炭。煤燃烧的主要热量在这个阶段释放出来。

    反应过程大致如下:

    挥发物+O2→CO2+H2OC+O2→CO2S+O2→SOX(SO2)

    完全燃烧反应N+O2→NOX

    挥发物→CMHNC→CO不完全燃烧反应N→NH3

    所以二氧化碳、水蒸气、硫化物、氮氧化物、氮氢化合物等,以及煤中不能燃烧或燃烧后形成的固体是粉煤灰,包括硅、铝、铁、钛、钙、镁、硫、钾、钠等元素的氧化物和盐类,所以粉煤灰也是一种可以利用的资源,比如作为外加剂使用用于水泥、砂浆和混凝土。可以生产石膏和陶瓷颗粒以及农业和环境用途。

    灰分不是衡量煤炭质量的唯一标准,但却是一个非常重要的指标,因为煤的灰分与煤的热值密切相关,而煤炭产品的灰分直接影响到煤炭的利用效率,灰分比质量好的低于5%!这种灰是不能逸出的煤灰,会留在炉子里。

    汽油的燃烧过程

汽油的成分是己烷和辛烷。己烷的分子式为C6H14,辛烷的分子式为CH。完全燃烧时:

己烷燃烧:2C6H14+19O2=12CO2+14H20

辛烷燃烧:2CH+25O2---点燃-->16CO2+18H2O

理论上只有二氧化碳和水的污染一点也不抱歉,在内燃机的燃烧室中,高温、高压、严酷的燃烧环境会产生一氧化碳CO、碳氢化合物HC,以及氮和氧结合形成氮氧化物NOx,以及硫和里面的其他成分会形成硫化物

所以污染就是这样来的,当然以后还有燃烧在气缸里燃烧碳粒形成积炭,而乙醇汽油会形成醋酸腐蚀铜和金属等金属铝,也会影响机油,但乙醇汽油会加入缓蚀剂以防止金属腐蚀。

离子推进与核裂变与核聚变

液氢液氧的火箭大家应该都很清楚了。这个燃烧反应会产生水,液氧煤油也很好理解,至少它的燃烧原理和煤油灯是差不多的,但是有一种常见的有毒的火箭燃料,比如不对称的二甲基肼和四氧化二氮,可能不为大家所知。它的反应过程是这样的:

C2H8N2+2N2O4=2CO2+4H2O+3N2

这是一个化学反应过程,现在很多火箭还在使用这种燃料,特点是冒红黄烟!

龙飞船的逃逸火箭也是使用联氨燃料

另外,深空发动机中的离子推进不是化学燃烧火箭。这些将推进剂加速到质子和电子分离的电离状态,然后电子和质子通过不同的方式加速离开发动机,从而使火箭获得前进动力。这种模式可以获得极高的尾流速度,因此可以用少量燃料长时间工作,大大提高了火箭的比冲。提高火箭燃料利用率!

核裂变是利用铀235等重原子核受到中子的轰击而发生裂变,造成质量损失,从而获得巨大的能量。这里的能量来源必须要考虑质能方程来计算,因为所产生的巨大能量,和上面说的“低能热力过程”是不能相提并论的!虽然化学反应也会产生能量,但由于能量很小,所以产生的质量差异可以忽略不计!

重型核裂变

例如1吨TNT爆炸时的质量损失约为0.04655毫克,基本可以忽略不计!按比例计算,化学反应中的质量损失只有十亿分之一到千亿分之一左右。

最后就是所谓的氢气燃烧。天文学家将主序星阶段描述为氢燃烧阶段,但这个过程不是燃烧,而是氢的核聚变过程。与重核裂变相反,聚变是两个轻核聚变成重核的过程,这个过程也释放出巨大的能量,而太阳的能量就是来自于此!