走进化学大观园
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燃烧似乎是破坏性的变化,许多物质在燃烧中化为灰烬,成为乌有,火灾的毁灭性是尽人皆知的。但是,不能认为燃烧带来的只是破坏和毁灭。燃烧对人类有利也有害,关键在于我们能否全面地认识它、控制它、利用它。

1.2.1 燃烧能创造物质、提供热能和光能

燃烧是化学反应,化学反应有新物质生成。表面上看,许多可燃物燃烧生成的新物质多是我们不需要的物质,如二氧化碳、水蒸气、黑烟(炭黑)。其实这只是含碳的物质燃烧的一种情况。实际上,不少物质燃烧生成的新物质是我们重要的工业原料。在化学工业中,经常通过燃烧反应生产重要的化工产品。例如,使氢气(H2)在氯气(Cl2)中燃烧,可以生成一种称为氯化氢(HCl)的气体。氢气在氯气中燃烧发生的化学反应可以用化学方程式表示为:

H2+Cl22HCl

氯化氢气体溶解于水,就得到重要的化工产品盐酸。

又如,地壳中蕴藏的硫黄(S)矿在空气中燃烧会生成二氧化硫(SO2)气体:

S+O2SO2

用二氧化硫气体为原料可以生产重要的化工产品硫酸(H2SO4)。

燃烧把燃烧物中蕴含的部分能量转化为热能和光能释放出来。日常的烧饭、取暖,野外用火把照明,汽车发动机的工作,火力发电厂发电,火箭运行,航天飞机发射升空,所需要的热、光和动力,都来自于燃料的燃烧。

在没有电力照明的时代,蜡烛、煤油的燃烧为人们提供光明。煤气、天然气的燃烧为人们的日常生活提供热能。在日常交通和航空、航天事业上,燃料的燃烧提供了强大的动力。

航天飞机的升空,是用动力来推进火箭的引擎。有的火箭的引擎用液态氢作燃料(图1-11)。液态氢和液态氧发生燃烧反应,放出巨大的热量,产生极高的温度,使生成的水蒸气以极高的速度(可达每小时7940km)从发动机尾部喷出,推进火箭。火箭燃料燃烧生成的气体排出的速度还受到排出的气体分子质量的影响。

图1-11 使用液态氢作燃料的火箭

2H2+O22H2O

水分子的质量比二氧化碳小,氢气燃烧生成的水蒸气的排出的速度要大于相同条件下用含碳燃料(如煤油)所生成的二氧化碳气体。因此用氢气作燃料,可以获得更大的推力。此外,排出的气体中还存在未燃烧的氢气,氢气分子的质量更小,能以更快的速率排出,可获得额外的推动力。

1.2.2 燃烧可能引发爆炸

现在,用煤气、天然气、石油液化气作家庭日常生活中的燃料,是非常平常的事了,这些气体燃料在煤气炉具中可以平静燃烧。可是,如果气体燃料泄漏,弥漫在厨房中,没有被及时发现、处理,一遇火星,却可能发生爆炸,产生严重事故。

在煤气炉具中,燃料气体慢慢地从出气口排出,燃烧产生的气体、放出的热有限,可以平静燃烧。当气体燃料泄漏并弥漫到周围空间中,气体燃料和空气混合,一旦被点燃,燃料迅速燃烧,发出大量热,生成的气体和周围的空气受热急速膨胀,便形成巨大的气浪,发出巨大的响声,这就是爆炸。鞭炮就是把黑火药紧密包裹在纸皮鞭炮筒中,点燃后黑火药迅速燃烧,生成大量气态物质,在有限的空间中气体体积急剧膨胀,引发爆炸,发出很大响声。人们很早就利用炸药开山筑路。

由于燃烧可能引发爆炸、火灾,需要严格控制条件,杜绝事故。防止易燃的物质和空气(氧气)接触、混合,避免意外引起燃烧是防止燃烧爆炸的一项重要措施。

汽油库、加油站难免有燃油蒸气泄漏,空中都存在一些燃油蒸气和空气的混合物,要绝对禁止产生明火,以免发生燃烧爆炸事故。

即使像面粉这样看起来不太容易燃烧的物质,一旦有大量粉尘散布到空中,遇到明火,也会急速燃烧爆炸。图1-12介绍了一个面粉引发爆炸的实验(请勿模仿)。把一只容积为500~1000mL的圆筒无底塑料瓶罐(如装食用油的瓶罐),倒置固定在铁架台上。瓶颈处装一些干燥的细面粉,从瓶口的塞子插入一根玻璃导管,导管连接一根橡皮管。在瓶罐上方的瓶壁上(如图1-12中左侧把手的上方处)点一截蜡烛,瓶底上盖一张厚纸皮。从乳胶管往瓶中吹入空气。可以看到一瞬间,瓶内产生一团火焰,伴随着爆鸣声,发生燃烧爆炸,把厚纸皮弹飞。因此,面粉厂生产车间也要杜绝烟火。

图1-12 面粉引发爆炸实验

2015年6月27日晚,台湾省新北市八仙水上乐园舞台举办彩色派对活动,发生粉尘爆炸意外,造成500余人受伤,12人死亡。发生粉尘爆炸意外的原因是主办方在活动中用二氧化碳钢瓶大量喷射表面经过处理的彩色玉米粉,制造欢乐气氛,造成空间内粉尘浓度过高(每立方米超过45g)。而活动现场除了有一个逃生坡道外,其余都被高墙围绕,处于半密闭状态。据报道,爆炸的发生是由于部分玉米粉洒到表面温度超过400℃的电脑灯的灯面上,被高温引燃,由此引发活动场所空间里的粉尘燃烧爆炸,使大量人员烧伤、烫伤。

2015年8月12日,天津市滨海新区天津港瑞海公司的危险品仓库火灾爆炸事故也是燃烧引起的火灾爆炸事故。事故发生两次大爆炸,造成参加救援处置的消防人员、企业员工和周边居民165人遇难,798人受伤住院治疗,304幢建筑物、12428辆商品汽车、7533个集装箱受损,直接经济损失超过68亿元人民币。燃烧最初是由仓库中的硝化棉发生自燃引起的。硝化棉(C12H16N4O18)是棉絮状的化学品,易燃且具有爆炸性。常温下能缓慢分解,超过40℃时会加速分解,放出热量。若热量不能及时散失,硝化棉温度会加剧上升,达到180℃时会发火燃烧。硝化棉通常加乙醇或水作湿润剂,如果湿润剂散失,极易引发火灾。事故发生的当天,气温高达36℃,一些仓库集装箱中的硝化棉由于搬运、管理不当,湿润剂散失,变得干燥,在高温环境作用下分解反应加速,产生了大量热量。由于散热条件差,热量积聚,硝化棉温度升高达到自燃温度,发生了自燃,并引起周围硝化棉的大面积燃烧。燃烧又扩大到其他集装箱(罐)内的多种易燃危险化学品。接着,大火蔓延到邻近的存储有易分解爆炸的化学品硝酸铵(NH4NO3)的集装箱,硝酸铵剧烈分解爆炸,引发附近存放的多个装有其他易燃固体和腐蚀品的集装箱发生了更剧烈的爆炸。

认识燃烧,知道燃烧对人类生活、生产发展的重要性,了解如何控制燃烧的发生,如何防止意外燃烧的发生,避免发生燃烧爆炸是非常重要的。

1.2.3 燃烧可能带来环境污染

许多物质在燃烧过程中会生成大量的气体。这些气体有的会危害环境,危害人类的健康和动植物的生长。许多场合下,燃烧可能不完全,在放出气体的同时,还会产生大量浓烟、微小的颗粒物,会降低环境的可见度,人吸入会严重影响健康。

例如,化石燃料(煤、石油)燃烧时,其中含有的硫会氧化生成二氧化硫。汽车排放的尾气含有氮的氧化物和燃油不完全燃烧生成的各种有害物质。这些气体溶解在雨、雪中形成酸雨降落到地面,使土壤、江湖酸化,危害农作物和水生动植物的生长,还可侵蚀石灰石、大理石的雕塑,危害建筑物。

在环境中直接燃烧各种城市生活垃圾或工业生产的废弃物,会产生各种有毒、有害物质(如毒性很大的二英),严重影响大气质量和人的健康。

控制好燃烧条件、减少燃烧中有害气体的排放和在自然界的扩散,做好燃料燃烧排放的尾气处理,是减少燃烧产生的有害物质排放的方法。