科学|木头和煤炭烧完有灰烬,汽油连灰都没有,质量守恒呢,都去哪了?


人类最伟大的成就是发现并学会了用火 , 从远古人用自然界的火种煮熟食物 , 驱赶野兽 , 到现代社会用火驱动汽车与飞机 , 甚至飞向宇宙的火箭仍然在用火!
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尽管火那么普遍使用 , 但吃瓜群众却有一个挥之不去的问题 , 火是一种神奇的现象 , 煤炭用火烧过之后就剩下了一丢丢物质 , 木头烧完之后的灰烬一阵风就消失了 , 而汽油居然连灰烬都没有 , 说好的质量守恒呢?那些物质都去哪了?
从燃素说到氧化反应
17世纪的炼金术士们也很想知道这神奇的燃烧到底是怎么回事 , 而此时正是一个从炼金术向化学科学转变的年代 , 当时的炼金术界大佬们都很认同德国医生贝歇尔提出燃素说 , 燃烧就是易燃元素放出了燃素!确实这非常有道理 , 因为当时能找到的物质 , 燃烧后质量都变轻了 , 甚至有的消失不见 , 真的好有道理 , 居然无言以对!
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到了十八世纪 , 有一位不信邪的法国著名化学家拉瓦锡 , 没错那会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的还要重 , 这让燃素说支持者有点慌 , 甚至还搬出了金属燃烧反应中带有负质量的说法!
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当然拉瓦锡后来以无可辩驳的事实证明了大部分燃烧都是氧化过程 , 而且我们呼吸也是一个氧化过程 , 当然也不是所有的燃烧都是氧化 , 比如镁就可以在氮气中燃烧 , 当然这是一个比较广义的燃烧 。
另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 , 孤立系统中的任何化学反应和低能量热力学过程期间 , 反应物或起始材料的总质量必须等于产物的质量
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这是维基中的质量守恒定义 , 比较严谨“孤立系统中的任何化学反应和低能量热力学过程期间”中 , 低能量很关键 , 下文中会做个简单说明 。
木头、煤炭和汽油 , 燃烧后都去哪了?
现在我们知道了大部分燃烧都是一个氧化过程 , 那么要回答燃烧后去哪的问题前 , 我们必须要来了解下这些物质的成分!
木头的成分:主要是纤维素、半纤维素和木质素以及水分和少量的矿物盐
煤炭:主要是碳以及少量的氧、氮与硫以及微量的磷、氟、氯和砷等元素
汽油:主要是C5~C12脂肪烃和环烷烃类 , 以及一定量芳香烃和硫化物 。
木头的纤维素以及半纤维素和木质素的组成都是碳(44%)氢(6%)氧(42.5%)氮(0.5%以下)矿物质(1%以下) 。 燃烧受热时会产生裂解反应 , 在不同温度下产生的产物有所差别:
200℃主要生成形式是二氧化碳和水蒸气以及甲酸乙酸以及各种易燃气体 , 在200~280℃产生少量水汽及一氧化碳 , 在280~500℃ , 产生可燃蒸气及颗粒;在500℃以上则主要是碳 。
完全燃烧时大部分都是二氧化碳和水蒸气 , 不完全燃烧时会产生一氧化碳 , 所以冬季千万不可以在家里生炉子 , 产生的一氧化碳会比氧更溶液和血液中的红血球几何 , 导致一氧化碳中毒!这些二氧化碳与水蒸气等都随风飘走了 , 剩下的就是各种无法燃烧的矿物质组成的灰分 。
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木材中的灰分比例大都不超过1% , 草木灰分比稍高大约2%左右!一吨木材燃烧大约只留下10千克灰分 , 还有部分飞灰在燃烧过程中随风飘走了!