【种花家务·化学】1-2-07燃烧,缓慢氧化和爆炸——『数理化自学丛书66版』
【阅前提示】本篇出自『数理化自学丛书6677版』,此版丛书是“数理化自学丛书编委会”于1963-1966年陆续出版,并于1977年正式再版的基础自学教材,本系列丛书共包含17本,层次大致相当于如今的初高中水平,其最大特点就是可用于“自学”。当然由于本书是大半个世纪前的教材,很多概念已经与如今迥异,因此不建议零基础学生直接拿来自学。不过这套丛书却很适合像我这样已接受过基础教育但却很不扎实的学酥重新自修以查漏补缺。另外,黑字是教材原文,彩字是我写的注解。
【山话嵓语】『数理化自学丛书』其实还有新版,即80年代的改开版,改开版内容较新而且还又增添了25本大学基础自学内容,直接搞出了一套从初中到大学的一条龙数理化自学教材大系列。不过我依然选择6677版,首先是因为6677版保留了很多古早知识,让我终于搞明白了和老工程师交流时遇到的奇特专业术语和计算模式的来由。另外就是6677版的版权风险极小,即使出版社再版也只会再版80年代改开版。我认为6677版不失为一套不错的自学教材,不该被埋没在故纸堆中,是故才打算利用业余时间,将『数理化自学丛书6677版』上传成文字版。
第二章、氧和氢
§2-7燃烧,缓慢氧化和爆炸
什么是燃烧
【01】在前面研究氧气性质的时候,我们已经知道,许多单质(例如磷、碳等)点燃后,都能在空气或纯氧里燃烧,燃烧时都伴随有发光和发热的现象,燃烧后都生成相应的氧化物(五氧化二磷、二氧化碳等)。由此可以看出,这些物质的燃烧,实质上是一种急剧的氧化作用。
【02】许多含碳的化合物也能在空气或纯氧里燃烧,从它们燃烧后产生的物质可知,这些物质的燃烧,实质上也是一种急剧的氧化作用。例如,蜡烛(由碳、氢两种元素组成的复杂物质)燃烧后产生二氧化碳和水——二氧化碳是由蜡烛里的碳元素和空气里的氧气化合后生成的,水是由蜡烛里的氢元素和氧气化合后生成的:

【03】由此可以看出,物质在空气或纯氧里燃烧是一种化学变化(氧化反应);物质(或组成这种物质的各种元素)和氧气剧烈化合,生成相应的氧化物,同时产生发光发热的现象。
【04】但也有一些物质,除了能够在空气或纯氧里燃烧外,还能在别种气体里燃烧。例如某些金属在一定条件下能够在氯气里燃烧,生成氯化物,这在第二册第一章卤族元素里将会讲到。
【05】但是,不论有没有氧气的参加,一切燃烧过程,都具有以下两个共同的特点:
【06】(1)都有新物质产生(这就是说,燃烧是一种化学变化);
【07】(2)都伴随有发光发热现象。
【08】 由此,我们可以归结地说:发光发热的化学反应,叫做燃烧。
燃烧的条件与灭火
【09】上面已经提到,燃烧虽不一定要在氧气里才能进行。但在一般情况下,我们看到的燃烧绝大多数都是有氧气参加的。现在我们就来研究一下这类燃烧所必须具备的条件。
【10】如果用玻璃杯把一支点燃着的蜡烛完全罩住,蜡烛很快就熄灭了。这是因为这时杯内空气里的氧气已经用完。因此,要使点燃着的物质保持继续燃烧,必须使该物质和空气或氧气密切接触。这就是物质燃烧的第一个条件。煤炉要经常清除炉中煤灰,就是为了保持炉子里空气畅通,有充足的空气供给煤的燃烧。
【11】但是,要使物质燃烧,还必须把物质加热到一定的温度,并使燃着的物质保持在这一温度以上。例如,煤炭平常虽然也处在和空气的密切接触中,但它并不会自动燃烧起来。我们要使煤炭燃烧,必须先用一些废纸、木柴等容易燃烧的物质来“生火”,也就是利用这些物质燃烧时放出的热量,把炉子里的煤炭加热到一定温度,才开始燃烧.以后,由于煤炭本身燃烧时放出大量的热,炉子里保持着相当高的温度,使煤炭能继续不断地燃烧。
【12】在通常情况下,使物质着火燃烧所需要的最低温度叫做着火点。各种物质的着火点是不一样的,有的很低,如白磷(俗称黄磷)的着火点大约是40℃,只比室温稍高一些;有的却很高,如煤炭的着火点,要在四五百度左右。
【13】总上所述,物质燃烧必须具备两个条件:
【14】(1)有充分的氧气(或空气)的供给;
【15】(2)温度保持在它的着火点以上。
【16】物质燃烧的这两个条件是缺一不可的。例如,上面蜡烛熄灭的例子说明,燃烧所必需的温度虽然并没有降低,但是由于停止了氧气的供给,就会使蜡烛熄灭。反过来,如果把正在燃烧的物质的温度降低到它的着火点以下,虽然仍有空气流通,燃烧也会熄灭。例如我们从炉子里取出一块烧红的煤炭,放在干燥的地方,不久它就自己熄灭了。这是因为这块煤炭从炉子里取出后,由于空气的对流,它表面的温度很快就降低到它的着火点以下,因此不能继续燃烧。
【17】我们还会产生这样的疑问:为什么煤炉越搧越旺,而蜡烛却一搧就灭?
【18】根据上面所讲的燃烧所必须的两个条件,就能很容易地回答这个问题。对着燃烧的物质搧风,将会产生两种相反的效果:一方面由于空气的流通,使燃烧的物质获得更多的氧气;另一方面又由于一部分热量随着空气的流动而散失,使燃着的物质的温度降低。前者能促进燃烧,后者则有可能使燃烧熄灭。对着煤炉和蜡烛煽风,虽然都能增加氧气的供给,但发生的散热程度,两者却很不同。煤炉里由于很多煤炭堆在一起,燃烧时产生的热量很多,炉内温度升得很高,对着煤炉搧风,虽然也有一部分热量散失,但炉内温度一般不会降低到它的着火点以下。相反地,由于空气的流畅,炉内煤炭燃烧获得更加充分的氧气,因而对着煤炉搧风结果是越搧越旺。蜡烛燃烧时产生的热量较少,烛芯的温度也较低,对着蜡烛搧风时,烛芯周围的温度,很快降低到它的着火点以下,因而一搧就灭。
【19】既然燃烧的两个条件是缺一不可的,只要消除了其中任何一个条件,就能使燃烧停止。因此,要灭火,只要使燃烧物和空气隔绝,或使燃烧物的温度降低到它的着火点以下。
【20】做实验的时侯,要熄灭酒精灯,我们就用灯帽盖在燃着的灯芯上面(图2-11),由于灯芯和空气隔绝,灯芯上的火焰就熄灭了。

【21】遇有失火的时候,如果燃烧的范围还没有扩大,可以用浸湿的棉被盖在着火的燃烧物上,或用砂撒在火上,都可以使火熄灭,这是因为棉被或砂把燃烧物和空气隔离开来的缘故。
【22】我们常用水来灭火.水碰到燃烧物时,就会夺取大量的热,使燃烧物的温度降低,同时,水变成大量的水蒸气,把燃烧物包围起来,冲淡了燃烧物周围的空气,使燃烧物和空气难于接触。这样,火就熄灭了。
【必须注意,油类着火时不能用水来扑灭,因为油类一般都不能溶解于水,而且又比水轻,所以水泼上去时,燃烧着的油会浮在水面上,随水流动,使燃烧的范围更加扩大(参看§3-4)】
山笺|| 燃烧与灭火
(1)燃烧三要素,缺一不可
【山】①可燃物:在达到着火点并与氧气充分接触后,可燃物会着火燃烧。
【山】②着火点:物质燃烧所需的最低温度,白磷着火点是40°C,红磷是240°C,木材是250~330°C,木炭是320~370°C,无烟煤是700~750°C。
【山】③氧气:可燃物达到着火点外还需要与氧气接触才能燃烧(白磷放入热水中,向白磷通入氧气,白磷就可在水下燃烧。)
(2)灭火原理——燃烧三要素去一即可
【山】灭火常用方法:①清除或隔离可燃物;②隔绝空气(氧气);③降低温度到着火点以下。
【山】一般物质着火是使用水扑灭(水能降温并隔绝空气)。
【山】油锅着火时可用锅盖盖灭(隔绝空气)或倒入待炒的菜(降低温度),不要轻易用水尝试,因为油比水轻,油火会浮在水上从而使水无法隔绝空气,且冷水入锅会使热油砰溅,从而造成人身伤害,甚至引燃其他可燃物。
【山】应对森林大火的一种手段是清出隔离带(减少可燃物)。在初期可以直接采用爆炸灭火法,因为爆炸会急速消耗氧气从而使爆炸区域暂时缺氧,其产生的气浪会降低温度,而掀起的尘土可阻燃乃止隔绝空气。(但黑火药炸弹不能作为灭火弹,因为黑火药的主要成分,硝、磺、炭是良好的助燃剂,投入火中来不及爆炸就反向助长火势了。具体案例可参见华朝可汗所著《约翰通史·世家第五·旧金山消防队》16分20秒,传送门BV1Ug4y1W7KB)
缓慢氧化和爆炸
【23】物质发生氧化反应的方式是多种多样的。前面讲到的物质在空气或纯氧里的燃烧是一种急剧的氧化反应,它们进行得都比较快,同时有光和大量的热产生。
【24】有时候,物质的氧化反应进行得比较缓慢。反应过程里产生的热量随时向周围散发开去,不易积聚起来,物质的温度不会升高到它的着火点,因而不会引起燃烧现象。例如,我们知道,呼吸是需要氧气的.氧气进入生物体内发生氧化反应,依靠反应放出的热量维持生物体的体温,但这种氧化反应是缓慢的。
【25】但在另一些情况下,物质的氧化反应虽然进行得也比较缓慢,但由于通风不良,反应过程里产生的热量不能随时散发掉,以致热量积聚起来,温度逐渐升高,最后达到物质的着火点,这时就会引起物质自动的燃烧,这种现象叫做自燃。例如浸过油的破布堆、碎煤堆等物质内部的温度,总要比外部空气畅通处的温度来得高,这是因为这些物质发生缓慢的氧化,内部的热量不易散发的缘故。如果长期堆放就可能有引起自燃的危险。所以为了防止这种可能发生的自燃现象,在仓库中必须特别注意通风,使堆放的东西在缓慢氧化过程里产生的热量能够及时散失。
【26】物质发生自燃现象可以用下面的实验来说明。
【27】拿一小块滤纸放在白磷的二硫化碳溶液(把块状的白磷溶解在二硫化碳液体里得到的溶液)里浸一下,然后把它挂起来晾干。二硫化碳液体是很容易挥发的,所以最后只剩下布满在滤纸上的小粒的白磷。这时的白磷比原先呈块状时和空气中氧气的接触更加充分,氧化反应加快。由于白磷的着火点(40℃)特别低,反应里产生的热量就能很容易地使白磷发生自燃,并引起滤纸的燃烧。
【28】和缓慢氧化相反,有些氧化反应进行得非常之快,并在反应过程中产生大量气体和大量的热。这时,由于气体受热后体积急剧膨胀,产生很大的压强,引起猛烈的爆炸。【山语|| 爆炸是可燃物在有限空间内急剧燃烧,从而在短时间产生大量的热,以使气体迅速膨胀引起爆炸。这种爆炸属于化学爆炸。不过还有物理爆炸,如由于气压引起的爆炸(车胎爆炸)。】
【29】例如汽油蒸气、氢气、乙炔等可燃性气体和适量的空气混和后,点火就能发生爆炸。这就是因为这些可燃性气体和空气里氧气的接触面积很大,点火时氧化反应进行极快,放出大量的热,气体体积急剧膨胀,从而引起爆炸。
【30】此外,某些固体物质象煤屑或面粉等细小颗粒和空气混和时,由于同样的原因,点火也会发生爆炸。所以汽油库、煤矿、面粉厂都必须严禁烟火。【山语|| 爆炸极限:可燃性气体或可燃粉尘(面粉)或可燃液雾(油雾)在空气中达到一定含量后可能会发生爆炸,这个含量范围就是爆炸极限。例如氢气在4%~74.2%,甲烷在5%~15%,一氧化碳在12.5%~74.2%时有可能发生爆炸(这三种气体中氢气的爆炸极限范围最大,因此现实中氢气球等商品正在淘汰)】
【31】但是,爆炸也能利用来为生产服务。例如开采矿石时炸药的爆炸就是一个例子。
习题2-7
1、什么叫做燃烧?燃烧过程中氧气的作用是什么?
【山答】发光发热的化学反应,叫做燃烧。氧气的作用是与燃料产生氧化反应,产生热量。
2、电流通过电灯泡内时,灯丝发光发热,这是不是燃烧现象?为什么?
【山答】不是,因为物质的燃烧,实质上是一种急剧的氧化作用,是要产生对应的氧化物,而灯丝在发光过程中并没有产生对应的氧化物。
3、物质发生自燃现象和爆炸现象的原因是什么?
【山答】
①自燃现象是物质发生缓慢氧化产生热量,但热量因为堆积等原因不能及时散去,从而积聚起来,然后温度不断升高,当达到着火点后,物质就我燃烧起来。
②爆炸现象是物质在短时间内发生剧烈快速的氧化反应,并产生大量的气体和热量,气体受到大量的热,快速膨胀,从而产生爆炸。
4、堆烟煤时为什么要将煤压紧,并在底部注意通风?
【山答】将煤压紧是防止氧气与煤充分接触;而底部注意通风,是及时散去煤缓慢氧化过程中产生的热量,从而避免煤的自燃。