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!

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!

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!

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

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。

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!

煤炭的燃烧过程

煤炭的燃烧过程比较复杂,但可以简单的为几个阶段:

水分蒸发阶段:煤炭在加热过程中会首先蒸发水分

挥发物燃烧阶段:继续加热的煤炭会析出挥发物,包括氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等气体,另外还有一些复杂的有机化合物。

焦炭燃烧阶段:煤炭中的挥发物烧完,剩下的就是物质就是焦炭,煤炭燃烧的主要热量就是在这个阶段释放。

这个反应过程大致如下:

挥发份+O2 →CO2+H2O C+O2→CO2 S+O2→SOX(SO2)

完全燃烧反应 N+O2→NOX

挥发份 → CMHN C → CO 不完全燃烧反应 N → NH3

所以二氧化碳、水蒸气以及硫化物和氮氧化物与氮氢化合物等,还有煤炭中无法燃烧或者燃烧后形成的固形物就是煤灰,包括硅、铝、铁、钛、钙、镁、硫、钾、钠等元素的氧化物与盐类,因此煤灰也是可以利用的资源,比如用作用作水泥、砂浆、混凝土的掺合料,也可以生产石膏与陶瓷颗粒以及农业与环保用途。

按灰分比例区分煤炭质量

灰分并不是煤炭质量的唯一标准,但它是非常重要的指标,因为煤灰分与煤的发热量密切相关,煤产品的灰分直接影响煤得利用效率,品质优良的灰分比例在5%以下!这些灰分就是最后跑不掉会留在炉膛里的煤灰。

汽油燃烧过程

汽油成分是己烷和辛烷,己烷的分子式是C6H14,辛烷的分子式是C?H??,完全燃烧时:

己烷燃烧:2C6H14+19O2=12CO2+14H20

辛烷燃烧:2C?H??+25O?---点燃-->16CO?+18H?O

理论上只有二氧化碳和水,完全没有污染,但很抱歉,在内燃机的燃烧室中高温高压以及恶劣的燃烧环境,会产生一氧化碳CO、碳氢化合物HC以及氮气和氧气结合形成氮氧化物NOx,而其中的硫等成分则会形成硫化物

所以污染就是这么来的,当然气缸内燃烧还有未燃烧的碳微粒形成积碳,而乙醇汽油则会形成乙酸腐蚀铜和铝等金属,还对机油有影响,不过乙醇汽油中都会加入腐蚀抑制剂防止腐蚀金属。

离子推进与核裂变和核聚变

液氢和液氧的火箭大家应该都很清楚了,这燃烧反应就生成水,液氧煤油也容易理解,至少它的燃烧原理和煤油灯也差不多,但有一种常见的有毒火箭燃料,比如偏二甲肼和四氧化二氮可能大家就有些不了解,它的反应过程如下:

C2H8N2 + 2N2O4=2CO2 + 4H2O + 3N2

这是一个化学反应过程,现在仍然有很多火箭在使用这种燃料,它的特征是会有红黄色的烟雾!

龙飞船的逃逸火箭用的也是肼类燃料

另外现在深空发动机中的离子推进这些就不属于化学燃烧的火箭了,这些将推进剂加速到质子和电子分离的电离状态,然后将电子和质子分别经过不同的途径加速排出发动机,使得火箭获得前进的动力,这种模式获得尾流速度极高,因此可以用很少的燃料工作很久,使得火箭的比冲大大提高,也增加了火箭的燃料利用率!

核裂变是利用重原子核比如铀-235被中子轰击裂变,产生质量亏损获得巨大能量,此处的能量来源就必须要考虑质能方程来计算了,因为产生的巨大的能量,和上文中的“低能量热力学过程”无法同日而语了!尽管化学反应也产生了能量,但由于能量太小,产生的质量差异可以忽略!

重核裂变

比如1吨TNT爆炸时的质量亏损大约为0.04655毫克,基本上就可以忽略!按比例来算,化学反应中的质量亏损大概只有十亿分之一到一千亿十分之一左右。

最后还有一个所谓的氢燃烧,天文学家形容主序星阶段就是氢燃烧阶段,但这个过程并不是燃烧,而是氢的核聚变过程,和重核裂变相反,聚变是两个轻原子核聚变成重原子核的过程,这个过程同样会释放巨大的能量,而太阳的能量正来自于此!