大家好，欢迎收看我的百家号小伟健谈，今天小编要给大家的介绍的是燃烧的科学理论与反应。
燃烧
在所有的化学反应中,人类使用火的历史或许是最久远的,用火来取暖、照明、煮饭、打仗。但直到很久之后,卡尔·威廉·舍勒发现氧气,我们才真正了解了火。舍勒的发现使人得以理解,火的本质是一种化学过程,而这个化学过程是从火箭到生物细胞等所有事物的基础。
第一个关于物体为什么会燃烧的科学理论认为,燃烧是因为存在火的元素—“燃素”。这个理论的源头可以追溯到古老的炼金术。年,德国的炼金术士约翰·约钦姆·贝歇尔(JohannJoachimBecher)提出,世界是由土、气、水、火四种元素组成的。该理论的核心观点是,可燃材料富含燃素,在燃烧过程中渐渐释放岀燃素,直到燃素耗尽才停止燃烧,这时可燃材料就“失去燃素”了。到了18世纪50年代,科学家们开始质疑该理论,因为他们发现有些金属在燃烧后变得更重了。如果燃素在燃烧后慢慢耗尽,金属应该变轻才对。但相反,观察表明燃烧过程给金属添加了某种东西。
年,德裔瑞典化学家卡尔·威廉·舍勒发现了这个东西。舍勒出生于年,喜欢科学,阅读广泛。家里负担不起他的教育,他便自学。14岁的时候,稚嫩的舍勒成为了药剂师学徒,为哥德堡的马丁安德斯·鲍许(MartinAndersBausch)公司工作。出于对科学的兴趣,再加上有充足的化学试剂,舍勒开始做各种实验。年左右,舍勒经过一系列实验最终制出了一种气体。他称之为“火气”,因为这种气体能让其他原料燃烧得更旺。对燃素理论研究一番之后,舍勒认为,是火气吸引了燃素从而产生燃烧。他还发现了另一种气体,称之为“坏气”(foulair),并正确地推断出,我们呼吸的空气是这两种气体的混合物。实际上,舍勒发现的就是我们现在所知道的氧气和氮气。
脱燃素气体
年,英国哲学家约瑟夫·普里斯特利(JosephPriestley)得到了和舍勒同样的结果,并把氧气称为“脱燃素气体”。他发现,这种气体不仅能让火焰燃烧地更加猛烈,而且如果把老鼠放在充满该气体(而非普通空气)的密闭空间,它还能让老鼠活得更长久。法国化学家安托万·拉瓦锡(AntoineLavoisier)发现了这些东西之间的重要联系。他证实,燃烧不是在消耗燃素,而是在消耗这种新发现的气体。年,他把这种气体命名为氧气(Oxygen,源于拉丁文“Oxys”,意思是“酸”)。当时,拉瓦锡错误地认为氧气是所有酸性物质的组成部分。拉瓦锡的研究把误导人们的燃素理论一脚踢进了科学的垃圾堆,燃素理论自此便一直留在了那儿。舍勒对这一切的贡献是巨大的,尽管普里斯特利是第一个公开发表自己研究成果的人,但大多数历史学家都认为舍勒是发现氧气的第一人。舍勒还发现了很多其他化学物质,包括氯——不过又是别人抢先发表了这个新发现,这一次是英国化学家汉弗莱·戴维(HumphryDavy)。难怪科幻小说作家艾萨克·阿西莫夫戏称他为“倒霉的舍勒”。
再见了,燃素
由于舍勒、普里斯特利和拉瓦锡的研究,我们知道了燃烧是一个涉及燃烧剂、氧气和热的化学反应。这是一个放热反应,也就是说,一旦反应开始,它就可以自身产生热量,维持反应进行,直到燃烧剂或氧气耗尽。例如丁烷气体的燃烧。丁烷分子由4个碳原子和10个氢原子组成,化学式为CH10,燃烧时进行的化学反应是2CH10+=8CO2+10H2O换句话说,每次反应结合2个丁烷分子和13个氧分子(双原子是最稳定的氧气形态,三原子氧即不稳定的臭氧),产生8个二氧化碳分子和10个水分子(水蒸气)这个反应清洁无污染,不产生任何烟雾颗粒,只产生气体。其他燃烧反应就不定这么清洁了。比如,在热焰中燃烧铝粉(化学符号为A1),化学反应方程式是4A+3O2=2A1O3,产生的化合物是氧化铝,会以烟雾颗粒的形式释放。
由于燃烧是放热反应,所以是极好的能量来源。比如,在汽车的内燃机中,空气和燃料的混合物在活塞里燃烧,温度迅速升高,压力增大,推动活塞,驱动曲柄轴,从而转动车轮。对汽油发动机来说,空气和燃油的最佳混合比例是14.7:1,这个比例能确保氧气燃尽所有的燃料分子。所有这些使用的氧气都是来自于大气。
自带氧气
可是,如果没有持续的氧气来源又该怎么办呢?比如说火箭引擎,它必须在没有大气也没有氧气的空间作业。所以火箭不仅得携带燃料(通常是煤油或液态氢),还得带上几缸液态氧用来燃烧。同样,火药也需要以硝酸钾的形式存储固态氧。硝酸钾和木炭、硫磺混合时,会产生一种粉末,以极快的速度燃烧。这种粉末如果被封在容器中引燃,就会发生爆炸。还有一种形式的燃烧,是我们体内发生、产生能量的化学反应。在细胞呼吸作用的过程中,氧气与营养物质结合产生能量。虽然这种燃烧比火药的燃烧慢得多,但仍然是燃烧的一种形式。
不管是探索宇宙,还是给身体充电,我们对燃烧的理解都源于“倒霉的舍勒”的研究以及他的突破性发现(氧气)。不过,他自己却没有从中得到什么好处。舍勒的化学实验往往要用到各种危险的化学物质从水银到氰化物,因而他在年就过早地去世了,年仅43岁。