火和火焰到底是什么?

火和火焰到底是什么?火到底是什么?

在中文里火的含义很多,我们说的火是化学反应的火,是整个火团,而火焰是火的可见部分。火这种现象,不是单纯的物理现象也不是单纯的化学现象。所以可能你去问物理老师和化学老师,给到你的回答都是不同的,物理老师可能会告诉你火是等离子态物质;化学老师会告诉你是化学反应的结果。要了解火焰这种现象,要从物理和化学两个角度结合一起看。你问任何一个老师,甚至任何一本物理或者化学课本,给到的回答,都可能是不全面的。记得笔者在中学时期,化学书上给到的解释是:火、燃烧,是一种发光、发热的现象,是能量的一种形式.。其实这个解释是比较敷衍的,站在教科书的角度,因为考试不会考所以暂时只知道到这个程度即可,但是现实世界本身是中学教科书复杂得多的。要了解火,需要我们有一种探究的精神。

火和火焰到底是什么?火示意图

认识火,需要知道物质除了固态、液态、气态外的两种状态:激发态和等离子态;以及对应的两种发光原理。

激发态:原子或分子吸收一定的能量后,电子被激发到较高能级但尚未电离的状态。当原子或分子处在激发态时,电子云的分布会发生某些变化,分子的平衡核间距离略有增加,化学反应活性增大。所有光化学反应都是通过分子被提升到激发态后进行的化学反应,因此光化学又称激发态化学。严格来说激发态不是一种单独的物质状态,激发态是可燃烧气体的一种状态,激发态的物质看起来其实跟普通气态一样,只是电子的能量更大。物质从激发态状态变为普通气态,这个过程能量减少并发出光子,也就是电子跃迁导致发光,这是火焰中的第一种发光现象。

火和火焰到底是什么?电子跃迁

等离子态:物质原子内的电子在脱离原子核的吸引而形成带负电的自由电子和带正电的离子共存的状态,此时,电子和离子带的电荷相反,但数量相等,这种状态称作等离子态。激发态的物质在较高的温度下,会变为等离子态。等离子态跟激发态有本质的不同,等离子态是电子和原子核相互游离,而激发态电子仍然受原子核束缚在原子核周围。当等离子态中的的正负电荷重新结合,即等离子复合,形成原子,这个过程能量减少并发出光子。这是火焰的第二种发光现象。

火和火焰到底是什么?等离子发光

明白了两种发光现象之后,我们再看看最基本的燃烧现象:蜡烛的燃烧。

我们都知道蜡烛是有一根棉芯和石蜡组成的,棉芯主要是固定蜡烛的作用,而蜡烛的燃烧物就是石蜡。石蜡的熔点只有49-51℃,沸点300-550℃,一般打火机或者火柴的火焰,就可以超过石蜡的沸点。我们点燃蜡烛的时候,首先石蜡溶解,而溶解的石蜡再在超过沸点的外界温度的情况下气化为石蜡气体,外界火焰温度让石蜡气体进入激发态,而我们看到的火焰,其实是一个激发态和普通气态的不断转换的范围。这个范围中石蜡状态非常不稳定,既有普通气态石蜡分子变为激发态石蜡分子,也有激发态石蜡分子变为普通气态石蜡分子。由于整个范围都有激发态变为普通气态,发出光子的过程,我们肉眼看到的就是这个范围的发光,也就是火焰。这个范围,就是火焰的范围,或者说火焰的体积,是激发态和普通气态转换非常激烈的范围,这是第一种火焰。

火和火焰到底是什么?蜡烛

还有一种火焰,来自于上面说的第二种发光现象:等离子发光。处于激发态的气体,在热量的影响下,电子和原子分离,就会转换为等离子态。等离子态的物质也跟激发态一样,也会形成一个范围,在这个范围内,等离子非常不稳定,有些有气体变为等离子,有些由等离子变为气体。而由等离子变为气体的过程会发光,这就是我们上面说的第二种发光现象,也就是第二种火焰。

火和火焰到底是什么?太阳风充满等离子

燃烧的过程,其实上面两种火焰都可能会有。但是一般认为,低温的火焰,大部分是电子跃迁发光,也就是第一种火焰;而高温的火焰,是等离子复合发光,也就是第二种火焰。

火和火焰到底是什么?火焰持续燃烧

持续燃烧:再看回石蜡的燃烧过程,为什么外界的热源撤离后,火焰还可以继续燃烧呢?是因为石蜡和氧气的化学反应,生成了二氧化碳和水,并生成很多的热量,这些热量让周围的石蜡气体处于高温状态,从而保持着一个范围的激发态或等离子态,也就是保持着火焰体积。也就是说只要有足够的石蜡气体,就会持续燃烧。

火和火焰到底是什么?火焰的形状

火焰的形状:火焰燃烧是有方向的,从下部开始燃烧,到上面最猛烈,为什么呢?火焰的方向,其实就是石蜡气体的分布方向。我们都知道蜡烛火焰内部是高温的石蜡气体,外界的低温空气会挤压高温的石蜡气体,而由于重力作用,这种挤压的力是从下往上的,于是我们看到的火焰都是往上烧的。据说在太空失重环境下的火焰,是球形的。

激发态火焰的温度和颜色:我们看到的蜡烛的火焰,往往在接近石蜡的部分,是蓝色的,远离石蜡的部分,是黄色的,为什么呢?因为火底部的石蜡,由于火焰温度的影响,不断被气化。刚刚气化的石蜡需要吸收更多热量才能升到激发态,而刚刚生成的石蜡气体马上受到氧气的挤压,氧气和石蜡气体的混合还不充分,导致温度升高并不快,变为激发态也不多。

火和火焰到底是什么?蜡烛的火焰和形状

但是值得注意的是:火焰底部火焰是蓝色,而对火焰颜色的研究发现,蓝色的火焰温度是比红橙色火焰更高的。那为什么蜡烛火焰的底部温度还比较低呢?由于石蜡气体是持续的纯气体生成,生成后石蜡气体周边和氧气的接触非常充分,导致燃烧也非常充分,所以火焰呈蓝色;但是也只有周边和氧气接触比较充分,所以其实这种情况下燃烧的量是不大的,所以温度并不高。越往上部,空气和石蜡气体的接触越充分,他们混合的气体的范围更大,混合更充分,所以我们看到的火焰范围也越来越大,发生化学反应的量也越多,温度就越高。

蜡烛的火焰就分析到此了,最后,火是什么?火就是火团,是燃烧化学反应发生的整个场景。火焰是什么?常见的火焰就是激发态物质或者等离子态物质活动发光的集中范围。

火和火焰到底是什么?烛光晚餐火和火焰到底是什么?充满美好氛围的烛光晚餐

有兴趣还可以进一步思考一下其他火焰的发光,例如烟花、鬼火、木炭着火等。甚至还可以进一步演技一下其他发光现象,例如铁水发光、白炽灯发光、太阳发光、LED发光等等。整个蜡烛火焰的分析,其实运用到了物理化学的多种知识,比学校教的要复杂很多。本文是指尖科技说笔者自己找了很多资料整理出来的,指尖科技说其实不想做科普,我们想要传达给读者的是一种对知识的思考方法。