一文告诉你怎样“火起来”_风闻

原创：中科院物理所

　　朋友，你知道什么是火吗？诶，我说的当然不是怎么点柴火这样，我说的是——当燃料燃起火焰的那一刻，到底发生了什么？最开始的时候火是怎么生成的呢？为什么有的火的基部是蓝色的而顶上却是橙红色呢？为什么火焰会发出光？为什么燃烧需要氧气？

　　不知道？现在是不是有一点好奇了？

　　OK，那从我们还是智人的时候讲起——这个时候我们的穴居人祖先在百万年前就学会使用火了。在我们还需要用打火机或是火柴的时候，他们只需要大概搓一搓一些树枝就可以点起火。

　　可以说，发现这个热的、燃烧又神秘的“东西”算是我们历史的高光时刻——这让我们从原始人家族中脱颖而出，成长为智人，开始渐渐了解到这个叫做“火”的东西。

　　什么是燃料？

　　我们知道，地球上的物质主要是由一块块微观的“积木”——原子组成的，而两个或者多个原子可以拼成更大的结构。

　　它们之间是由各种化学键连接在一起的，像离子键、共价键、氢键都属于化学键，就像积木中间用来咬合的小突起一样，化学键就是将原子们勾在一起的结构。

　　而分子，就是由几个原子通过共价键键合起来的更大的结构：

　　举个例子，两个氢原子（H）和一个氧原子（O）键合，就可以形成一个H2O分子，也就是一个水分子。

　　水分子示意图

　　当一个杯子里水分子非常多的时候，啊哈，你就有了一杯水。

　　就像一杯水一样，燃料也是由一堆分子组成的，但是又不太一样，燃料分子可以和其他的一堆分子反应，通过热的方式放出能量。“反应”，可以看做是燃料分子和好斗的氧气分子（O2）打架的过程，氧气分子由两个键合在一起的氧原子组成：

　　当两个分子离得过近时，他们的冲突就从言语上升为肢体的了——他们都在打架过程中想拆开彼此的化学键。

　　氧气和燃料之间的反应，我们会把它叫做“放热反应”，顾名思义，在两个分子互相撕扯打斗的过程会放出大量的热。

　　这些热量会储存到原子之间的化学键里，在他们发生反应、断裂分开后释放。

　　曾经感情幸福的燃料原子如今突然各自和曾经怒视的氧原子组合到了一起，这个过程说明燃烧反应不光是放热反应，也是氧化还原反应，这个放热的氧化还原反应，就是所谓的“燃烧”。

　　其实，燃烧只是所有放热氧化还原反应中的一种形式，生活中常见的钢铁变棕红、变薄变脆的生锈的过程，也是其中的一种形式，只不过速度放慢、又需要水的参与罢了。

　　说回到燃料，就是一系列非常容易燃烧的分子，这里说的容易燃烧，就是容易在氧气存在的时候，断裂本身原子间的化学键而和单独的氧原子结合形成化学键、然后再放出热量。比较常见的就是碳氢化合物——一种由氢原子（H）和碳原子（C）组成的化合物分子。在石油、煤炭、木柴或者天然气中多少存在的甲烷（CH4）、丙烷（C3H8）、丁烷（C4H10）都是碳氢化合物。

　　那么问题来了，既然自然界中到处都存在着脾气暴躁的氧气分子，而各种石油油田、煤矿、木材、冒着天然气的沼泽也分布在各地，那为什么它们没有一直燃烧呢？它们中的碳氢化合物难道不会和空气中的氧气分子相互反应吗？加油站、森林也并没有着火呀？打着含有甲烷的嗝的牛好像也不能喷火呀？

　　答案很简单：当你需要点火的时候，你不光需要氧气和原料，你还需要给它加热。

　　玩火从加热开始

　　加热说得专业一点就是增加动能，动能可以由原子来回摇晃的速度反映。按照这个思路来说，如果一个东西“冷”的话，其实就是组成这个东西的原子摇晃得比较轻柔，而热的话就是它的原子摇晃剧烈。

　　举个例子，下面图中的三个呆呆的原子组成的分子在轻微晃动，有着比较低的动能——动得比较慢，此时这个分子就比较“冷”：

　　同时，如果另一个由相同原子组成的分子有着很高的动能——运动得很快，我们就说它很“热”：

　　设想有一堆柴火在室温下的某个地方，它们该不会就自己着起来，甚至把周围的东西都烧掉吧？当然不会啦！就算你盯着这堆木头，嘴里念一百遍“古娜拉黑暗之神、燃烧！”，应该也无济于事，那是因为环境对于它们来说太“冷”了。木柴中的碳氢化合物运动得并不剧烈，以至于当空气中的氧气分子碰到它们时只会温柔地“弹开”：

　　这个时候就不会发生什么。没有化学反应、氧气分子和燃料分子也不会打架——碳氢化合物只会好好地待在自己的固体结构里。

　　——除非，我们用一些手段让它们像“热气”一样搅和在一起。

　　如果我们需要让木柴燃烧，我们就需要让木头中的碳氢化合物到空气中去，惯用的手段就是加热。当我们给的热量越来越高时，分子振动得就会越来越激烈：

　　如果我们不断加热再加热，它们的振动就会越来越激烈，最终，长长的碳氢化合物链之间的化学键受不了就会断开：

　　长的分子链断裂后，其中的一部分就会像气体一样飞出去，这就是木头中燃料的蒸发过程。

　　用专业一点的术语来说，这个蒸发过程就是热解，用来描述分子因热而断裂。当然，这只是把燃料变成火、也就是燃烧的第一步，毕竟对于这部分碳氢来说，它们只是刚到“战场”而已。

　　这时一但它们就位——怒气冲冲的氧气分子和同样怒气冲冲的碳氢分子在激烈的氛围中纠缠在一起，它们的放热战争就开始了，同时，它们的反应会放出的热，就会热解更多的燃料分子，然后和更多的氧气反应，放出更更多的热量，再热解更更更多的燃料分子……

　　换句话说，只要我们给燃料加上一些足以从中分离碳氢分子的初始热量后，就可以点着火了，这样，很多的热量便会放出，我们便可以利用它来做很多事情了。

　　火苗中的光从哪里来？

　　我们现在应该知道了最初的碳氢分子如何蒸发成气体、又如何与氧气反应放出许多热，于是我们会觉得火很热。不过，为什么火也会发出光呢？为什么火焰可以被我们看到呢？

　　实际上，火光主要有两个来源：化学发光（chemiluminescence）和白炽光（incandescence）。

　　其中，化学发光是来源于荧光棒、或是萤火虫的屁股等等一类的光，这类光不来源于热，而是来源于化学反应。我们平常见到的荧光棒，一般是由两种分开存放的化学物质组成的，在使用前，我们都会弯折荧光棒，这时它们中间的格挡就会断裂，两种化学物质便会混合、反应，发出光线。

　　我们上面说的燃料燃烧的例子其实也是一样的：碳氢分子和氧气分子反应，除了放出热量外，还发射出了化学发光，而这部分光是蓝色的。

　　蜡烛燃烧火焰根部的蓝色部分为化学发光

　　这解释了蜡烛火焰有一部分为什么是蓝色的。但蓝色上面那里黄、橙、红色的部分是什么呢？那部分就是白炽光。

　　流星进入地球的大气层发出明亮星光就是白炽光，白炽灯中钨丝变热发光也是这个原理。白炽光往往由一些像钢条之类的黑色固体变得炽热之后发出。

　　钢条极热发光

　　准确地说，白炽光发生在火焰的黄色部分，其中的固体部分变得炽热发出了光。

　　是哪一部分固体呢？毕竟氧气和燃料都是气态的，而其中也并没有钢丝对吧？

　　虽然没有钢丝，但确实是有固体浮动在火焰中的。

　　为了更好地了解到这里面的固体到底是什么，我们先从这一堆氛围紧张的氧气、碳氧分子开始考虑：

　　当它们靠得很近时，一阵激烈的打斗呼之欲出：

　　这个时候，因化学键刚断裂而分开的原子正准备形成新的分子——这种情况下会产生水分子（H2O）和二氧化碳分子（CO2），此外还会剩下一些碳原子：

　　像是我们经常听到的燃料燃烧而影响环境的产物二氧化碳就是这个过程产生的，但是为什么这中间还会剩下碳原子呢？其实是因为氧气不够用了。要形成上面图中的二氧化碳分子，需要一个碳原子（C，红色的）和两个氧原子（O，蓝色的），而实际情况中很可能出现氧原子不足的情况，于是剩下的一个碳原子就组成了白炽光需要的固体。

　　这些碳原子固化成束就形成了碳烟（soot）。这时，由于周围的温度非常高，这些碳烟束就会像一块热铁一样发出辉光，百万碳烟粒子一起发光就形成了我们看到的黄色的火焰部分；而这些碳烟随着上升温度降低了一些，颜色就变成了更“冷”的红色，也就是我们看到的火焰的红色顶部。

　　总结

　　在火被发现的一百万年后，我们大概了解到了火是什么。

　　如果这个时候有人问你火是什么，你便可以回答，火就是燃料气化后和空气中的氧气发生反应放出大量热和蓝光、同时有副反应生成碳烟由于炽热发出黄光的过程。

　　如果你还想显得更厉害一点，也可以说，火就是以碳氢化合物为代表的燃料热解后、经历快速的放热化学发光的氧化还原反应、并以发出白炽光的碳粒子为副产物的过程。

　　如果对方瞪你的话，你就放慢语速再重复一遍。

　　作者：David B. Clear

　　翻译：zhenni

　　审校：Dannis

　　原文链接：

　　https://medium.com/i-wanna-know/what-exactly-is-fire-why-do-things-burn-be92f74183f0