燃燒條件之我見

摘要：依據燃燒學、消防學等專業書籍的內容，對燃燒的過程進行了細致的分析，在此基礎上對燃燒的條件提出了新的見解，尤其是中學化學中講到的3個條件之外的第4個條件——鏈反應進行了深入的探討。并對中學化學教學以及中學生日常生活中遇到的燃燒方面的問題進行了剖析。

關鍵詞：中學化學；燃燒條件；鏈反應；燃燒類型；滅火方法

文章編號：1005–6629（2017）1–0087–06 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

燃燒現象在工業生產和日常生活中處處可見，同時在中學化學教學中也是重要的教學內容和常見的實驗現象之一，因此中學化學教師在答疑解惑時不可避免會涉及燃燒的問題。由于許多化學教師對于燃燒的認識不夠深入，因此當學生提出涉及生活實例的與燃燒相關的疑問時，面對“形式多樣、機理復雜的種種燃燒問題就難免會誤入歧途”[1]。2014年偶然在網上發現了王程杰老師的“初中化學趣味實驗”視頻講座，聯想到多年來遇到的與燃燒有關的種種問題，遂于今年閱讀了一些專業書籍以獲取答案。2016年第1期《化學教學》又刊登了王程杰老師“燃燒條件‘3+1”[2]，閱后受益良多。其大多數觀點筆者贊成，但筆者在獲得部分關于燃燒的知識方面可能更加深入。在此呈現給各位老師，歡迎探討、指正。

1 從燃燒的過程分析燃燒的條件

1.1 復雜的燃燒過程

燃燒的過程不像反應方程式表達的那樣簡單，換言之，其反應歷程十分復雜，在燃燒被引發后，期間會發生眾多的化學反應，最簡單的氫氣的燃燒涉及數十個反應，甲烷的反應涉及上百個[3]。化學反應的同時固體和液體可燃物還發生物理變化（如圖1所示），我們通常呈現給中學生的，只是一些主要反應歷程的總反應方程式而已。

從圖1可以看到，除了燃燒類型5（表面燃燒，見后文）以外，其余類型的燃燒，可燃物都經過了氣化分解的過程。而在氣化分解之前，液體和某些固體可燃物發生了狀態的變化，此外某些復雜的可燃物還經過了分解過程。這些變化過程使得可燃物轉化為容易被氧化的氣態分子——氣化分子。

另一方面，多數可燃物燃燒時，是從被引燃的局部開始，由于燃燒的反應都會放出熱能，產生的熱能通過熱傳導、熱擴散及熱輻射作用傳入未燃的混合物（可燃物與助燃物），因而使得燃燒逐層加熱、逐層燃燒，自行傳播下去。

1.2 鏈反應（鏈鎖反應）

物質燃燒存在著鏈反應（或稱鏈鎖反應）。所謂的鏈反應是指在可燃物被引燃時，通過氣化分解后的氣化分子受熱生成高度活潑的自由基。自由基外層軌道上有不成對的電子，有很強的反應性。燃燒反應都是放熱，因此在可燃物和助燃物達到一定濃度時，自由基可以和氣化分子不斷作用維持反應連續進行下去[4，5]。

1.3 燃燒的條件

中學化學中所說的燃燒的3個條件：可燃物、空氣或氧氣（助燃物）和溫度達到著火點。需要強調的是，初中教材對于這三個條件只是進行了粗略的描述，而確切的描述應該是：“一定的可燃物濃度；一定的氧氣（空氣）含量；一定的點火能量”。

1.3.1 一定的可燃物濃度

“一定的可燃物濃度”主要是指經過氣化分解后生成的氣化分子的濃度。實際上除了燃燒類型5（見后文）以外，固態或液態可燃物，如果沒有達到轉化的條件而沒有轉化為氣化分子，那么燃燒仍然無法實現。一個實例很好地說明這一問題：有燭芯的蠟燭易被點燃，如果蠟燭去掉燭芯，固態蠟燭很難氣化為氣態分子，蠟燭就不易被點燃。

正如圖2所示，描述為“可燃物”與“一定濃度的可燃物”區別在于，一定濃度的可燃物是在考慮液態和固態燃料蒸發、分解、熔融過程基礎上提出的，這一說法更加準確。在分析滅火的原因，采用這一說法，一些問題很容易獲得合理的解釋。

1.3.2 溫度達到著火點

初中教材的著火點的解釋為：“燃燒所需的最低溫度”。需要明確的是，著火點是指可燃物能夠持續燃燒的最低溫度。如果某一溫度下燃料被點燃后，在沒有引火源的情況下很快熄滅而沒有形成持續的燃燒，仍然沒有達到著火點。我們經常看到塊狀的木頭在明火引燃時似乎開始燃燒，但是離開火源時就會熄滅，這就說明溫度還是沒有達到著火點。

此外除了加熱（溫度達到著火點）以外，引發燃燒的方法很多，如電火花等等，所以將這一條件描述為“一定的點火能量”或者“引火源”更準確。

1.3.3 燃燒的第4個條件

中學化學中所說的燃燒的3個條件：可燃物、空氣或氧氣（助燃物）和溫度達到著火點，是持續燃燒的必要條件（或稱為三要素）。之后的研究發現，具備這3個條件，有時燃燒也能熄滅。其中的一個實例就是四氯化碳滅火，當汽油燃燒時加入四氯化碳，在沒有完全覆蓋汽油的情況下，并沒有破壞燃燒的3個條件，但是火焰會逐漸熄滅。其原因是四氯化碳遇高溫會產生氯自由基，氯自由基更易與汽油燃燒過程產生的自由基結合生成氯化氫，使得汽油燃燒過程所需要的自由基消失，鏈反應中斷，進而達到滅火的效果。因此，有了燃燒的四面體學說。

在國內文獻關于燃燒第四個條件有以下三種描述：“自由基（游離基）、鏈反應、未受抑制的鏈反應”。自由基不夠全面，筆者個人贊同后兩種說法。

如果把“鏈反應”或“未受抑制的鏈反應”與其他三個條件采用相同的描述，則為：燃燒的條件描述為“可燃物、空氣或氧氣（助燃物）、溫度達到著火點、鏈反應”，或者描述為“一定的可燃物濃度；一定的氧氣（空氣）含量；一定的點火能量；未受抑制的鏈反應”。

“鏈反應”或“未受抑制的鏈反應”也應該是必要條件，但是和其他三個條件不同的是，鏈反應是反映了燃燒反應的本質，或者說是體現了某一可燃物的性質。如果繪制成四面體，應該位于底部更準確，國外文獻基本上都是畫在底部，見圖3A。不知是何原因，國內文獻大多畫得比較隨意，不能更好地體現4個條件之間的邏輯關系，見圖3B。

2 燃燒的類型

國內文獻關于燃燒的類型有多種劃分方法，按照可燃物狀態以及在鏈反應前的復雜變化分成5種類型（見圖1從右至左類型1～5）[6，7]。

2.1 混合燃燒

混合燃燒（又稱預混燃燒）是氣體可燃物燃燒的一種類型。在燃燒前，可燃氣體與助燃氣體已經進行了擴散混合，此時溫度達到著火點即會發生燃燒，燃燒在混合氣體所分布的空間中快速進行。中學化學中所做的混合氣體爆鳴實驗就屬于混合燃燒。

這種類型的燃燒由于可燃氣體與助燃氣體已經進行了混合，當燃燒一旦引發，鏈反應難以控制，如果其濃度在爆炸范圍內，就會引起爆炸。這就是為什么中學化學教學中進行氣體燃燒實驗時需要驗純的原因。

由于電火花、摩擦也是引火源，因此如果家中聞到天然氣或液化氣的味道時，絕不能開燈，而應該小心的打開門窗（金屬門窗應避免摩擦）、關閉燃氣閥門。這一點有必要在中學化學教學中告訴學生。

本生燈、酒精噴燈也主要是混合燃燒，但是噴嘴等結構的設計使得混合燃燒可控制地進行，規范操作的情況下沒有爆炸的危險。

2.2 擴散燃燒

擴散燃燒是氣體可燃物燃燒的另一種類型，是指可燃氣體從容器狹小的管口、裂縫等處流向空氣，在達到著火點時與空氣混合燃燒，燃燒主要發生在可燃物與助燃物相混合的界面。中學化學中所做的驗純后氣體的燃燒實驗就是擴散燃燒。

2.3 蒸發燃燒

蒸發燃燒是部分液體和部分固體可燃物的燃燒類型。常見的液態可燃性燃料如酒精、汽油、柴油等，它們燃燒反應前首先有受熱蒸發產生蒸氣的過程，然后氣態分子進行燃燒反應，而放出的熱量進一步加熱液體表面，從而促使液體持續蒸發，使燃燒繼續下去。最常見的實例就是實驗室的酒精燈燃燒。

蠟燭、萘等沸點較低的固體在受熱時經過了熔化、氣化的過程，形成氣態分子進行燃燒。易升華的固體如硫、磷等，受熱后會升華產生氣態分子，同樣能夠引起蒸發燃燒。鈉等熔點較低的金屬在空氣中被點燃也是蒸發燃燒。

初中化學實驗，學生在探究蠟燭的燃燒時，可以看到蠟燭的融化，吹滅時產生的白煙則是蠟燭的氣態分子，而這種氣態分子易被點燃，這是幫助學生認識蒸發燃燒的很好實例。

加油站嚴禁煙火，真正擔心能被點燃的并不是液態的汽油，而是因為在加油過程中難免會揮發出汽油的蒸氣，汽油的蒸氣更易產生燃燒。在電影中常看到煙頭扔在汽油里形成熊熊大火，實驗證明是錯誤的，但是如果汽油揮發在空氣中達到一定濃度，煙頭引發燃燒完全可能。如果能夠燃燒，則不用等到煙頭扔在汽油里那一刻，而是在點火者點燃香煙或者瀟灑地抽一口的時候，連點火者自己也要一起遭殃。

2.4 分解燃燒

分解燃燒也是部分液體和大部分固體可燃物的燃燒類型。這類燃燒過程中可燃物首先遇熱分解，再由熱分解產物和氧氣反應產生火焰的燃燒。如木材、煤、紙、面粉、白糖等固體可燃物的燃燒屬于此類，油脂等高沸點液體和低熔點的固體烴類的燃燒也屬此類。

木材在空氣中燃燒時，火源加熱木材首先使木柴失去水分而干燥，然后發生熱分解。燒過木柴的都可以觀察到水在燃燒的木柴表面產生，以及聽到“呲呲”的聲音都說明有水生成。木柴分解放出可燃氣體，這種氣體被點燃產生火焰，并放出熱量，由燃燒放出的熱量不斷地加熱木材，使木材不斷地分解，從而使燃燒繼續下去。

整塊木頭與刨花著火點不同，主要原因是整塊木頭要持續燃燒，內層的固體可燃物需要更高的溫度使其分解為氣化分子，只有在更高的著火點引發更多的鏈反應，使整個燃燒更劇烈，產生更多的熱能，才能使燃燒持續下去。刨花燃燒面積大，幾乎沒有明顯的內外層之分，因此著火點更低。

2.5 表面燃燒

表面燃燒是熔、沸點很高的固體可燃物的一種燃燒類型。鉬、鎂、鐵等金屬，非金屬碳（木炭）等等，燃燒在空氣和固體表面接觸的部位進行，所以叫表面燃燒。與其他四種不同的是，其他四種燃燒都是在氣相中進行（均相燃燒），唯有表面燃燒在氣相和固相之間進行，屬非均相燃燒（異相燃燒）。表面燃燒能使表面產生紅熱，不產生明焰，燃燒的速率和固體表面的大小有關。

初中化學實驗“鐵在氧氣中的燃燒”就是表面燃燒，現象為火星四射，并不產生火焰。

2.6 綜合燃燒

在實際燃燒過程中，并非僅僅發生單一類型的燃燒，往往會同時發生多種類型的燃燒。

木柴、煤等復雜的固態燃料，開始的燃燒類型是分解燃燒，有明顯的火焰，但隨著分解燃燒的進行，最后只剩余碳，此時的燃燒類型變為表面燃燒，可以看到紅熱的表面，但看不到火焰[8]。

另一個實例就是本生燈、酒精噴燈等，如圖4所示。開始點燃這類裝置時，一級空氣閥門關閉，我們只能看到擴散燃燒；隨著一級空氣閥門逐漸打開，就存在擴散燃燒和混合燃燒兩種燃燒方式；當一級空氣閥門打開到一定程度，一級空氣所供的氧足夠氣體燃料燃燒使用時，只存在混合燃燒，我們使用這類裝置大多數情況下為混合燃燒[9]。

酒精燈是蒸發燃燒，酒精通過燈芯是逐步氣化逐步燃燒的，氣態分子燃燒時形成的是擴散燃燒火焰，這和本生燈的火焰不同。

3 滅火的方法

在圖1的圖示中，燃燒前的任何一條線路被中斷，鏈反應都不能進行，在鏈反應能夠進行的前提下，阻斷鏈反應，燃燒反應就會終止。

滅火的方法和燃燒的條件是對應的，既然燃燒有4個條件，那么滅火的方法也應該有4種[10]。

3.1 冷卻滅火

通過降低溫度，使得溫度降至著火點以下是最常見的滅火方式。水是最常見的冷卻劑，但是對于有些物質卻不能用水，例如電石遇水生成乙炔，反而會產生爆炸的危險。燃燒的活潑金屬如鈉等也不能用水，因為活潑金屬遇水往往發生劇烈的化學反應，甚至發生爆炸。

3.2 窒息滅火

各種可燃物的燃燒都必須在其最低氧氣濃度以上進行，否則燃燒便不能持續。因此，通過降低燃燒物周圍的氧氣濃度可以起到滅火的作用。通常使用的二氧化碳、氮氣、水蒸氣等的滅火機理主要是窒息作用。但是對于能與上述滅火物質劇烈反應的則需要采用其他方法。如鎂燃燒不能用二氧化碳、氮氣滅火。

3.3 隔離滅火

也就是清除可燃物。把可燃物與引火源或氧氣隔離開來，燃燒反應就會自動中止。火災中，關閉有關閥門，切斷流向著火區的可燃氣體或液體的通道；打開有關閥門，使已經發生燃燒的容器或受到火勢威脅的容器中的液體可燃物通過管道導至安全區域，都是隔離滅火的措施。

3.4 化學抑制滅火

就是使用滅火劑與鏈式反應的中間體自由基反應，從而使燃燒的鏈式反應中斷，進而使燃燒終止。常用的干粉滅火劑、鹵代烷滅火劑的主要滅火原理就是化學抑制作用。

實際上任何一種滅火措施最終都是鏈反應受到抑制并中斷，但是作為破環燃燒條件達到滅火目的，不能僅僅指“滅火劑與鏈式反應的中間體自由基反應，從而使燃燒的鏈式反應中斷”。我們不能遇到難以解釋的滅火現象都歸結于鏈反應，而應該從燃燒的過程進行細致的剖析。

4 實例分析

4.1 蠟燭放在冰水中熄滅

在解釋這一現象之前，要明確兩個不同的“溫度”。一個是燃燒部位的溫度，另一個則是可燃物所處的環境溫度，二者一般是不同的，見圖5。火焰的燃燒存在著溫度的輻射，A處的溫度足夠高時，輻射的溫度會使火焰下面的蠟燭（蠟燭的最上層）熔化，融化的蠟燭經過燈芯的毛細作用向上流動，當流動到接近火焰的下界面時，火焰有更高的輻射溫度，這一溫度足夠使液態的蠟燭氣化，滿足燃燒條件，產生持續的燃燒。

當我們吹滅蠟燭時，實質是把已經發生的燃燒反應所產生的熱能帶走，也就是降低溫度A，所以火焰熄滅。此處的解釋為“溫度降低到著火點以下”是正確的，初中生也易于理解。

當蠟燭放在冰水中，是在降低溫度B，進而使得整個蠟燭的溫度降低，以至于燃燒所產生的熱能輻射不足以繼續維持蠟燭的熔化，蠟燭熔化的量變小導致后續鏈反應進行得越少，產生的熱能更少，火焰漸漸熄滅。這一熄滅過程和吹滅蠟燭的現象有兩點不同：首先沒有立即熄滅，而是有個逐漸熄滅的過程；其次不會產生吹滅蠟燭時經常可以看到的白煙。那么如何解釋這一現象呢？首先這一滅火方法用抑制鏈反應來解釋有些牽強，因為抑制鏈反應滅火主要指的是干粉滅火劑、鹵代烷滅火劑滅火。

這一現象可以解釋為：蠟燭是固體可燃物，一般的固體可燃物（此處強調一般的可燃物目的是與表面燃燒區別）燃燒都需要通過蒸發、分解、熔融變成氣態分子才能燃燒。也就是說，蠟燭燃燒的可燃物不是固態的蠟燭，而是氣態的蠟燭。放入冰水以后，由于蠟燭溫度過低不能熔融、蒸發產生氣化分子，相當于清除了可燃物（的氣態分子），所以燃燒終止。

以上解釋對于九年級學生而言有些深奧，所以這一題目不適合初中生。但是有必要像氧化還原反應等內容一樣，在高中階段設置為需要深化的學習內容供學生探究、學習。不僅可提高學生對于燃燒原理的認識，還可以提高學生分析問題、探究問題的能力。

4.2 火上澆油（食用油）能滅火

首先認識什么是閃燃。某些液體燃料或固體燃料燃燒產生的可燃蒸氣在空氣中達到一定濃度，遇到火源時發生一閃即滅的燃燒現象，就是閃燃。如果混合氣體體積很大或者燃料易揮發，閃燃會造成很大的破壞性甚至爆炸。但是閃燃和解釋“火上澆油能滅火”沒有關聯。那么如何來解釋這一現象呢？

食用油和酒精、汽油等輕質燃料不同，它的燃燒屬于分解燃燒+蒸發燃燒，形成可燃氣態分子較困難，其著火點也更高。

食用油著火，再倒入食用油可以滅火，主要是因為重新添加大量食用油以后，整個食用油的溫度降低，使得燃燒前的分解和蒸發過程難以實現，燃燒終止。這一現象和上面蠟燭在冰水中的情況類似，就是阻斷了氣態可燃性分子的形成。食用油雖然存在，但是可燃燒的氣態分子沒有達到所需要的濃度，實際上還是相當于清除了可燃物（的氣態分子）。

值得注意的是，這一滅火方法只適用于分解燃燒，如果是酒精、汽油等易揮發的燃料，其燃燒時再加入液態可燃物就更加危險了。此外即使是食用油，燃燒還需在可控范圍內，如果燃燒的熱量積累使得油溫過高，或者在形成較大面積的著火情況下，也不能再添加食用油滅火。

4.3 補充說明

以上兩個實例都是由于降溫，但其降溫不是作用于燃燒的部位，而是直接降低可燃物的溫度，燃燒部位的溫度在一開始并沒有降低，也就是說已經進行的反應仍在產生熱能，只是沒有遇到降溫措施去抵消這些產生的熱能。真正阻斷繼續燃燒的是可燃物氣化的過程。

但是這兩個實例的滅火針對的不是鏈反應，化學滅火才是針對的鏈反應，所以不需要用燃燒的第4個條件來解釋。

5 結語

根據不同階段學生的學習能力，理解燃燒原理需要一個循序漸進的過程。現在的突出問題是中學教材、化學專業高師教材都沒有對燃燒問題設置專門的內容加以深化，因而造成許多中學化學教師對燃燒原理認識不足。

除了本文提到的問題以外，筆者曾經做過與燃燒相關的研究——酒精燈加熱效率的探究[11，12]，實驗證明酒精燈加熱用內焰效率最高。問題出在哪里呢？首先筆者通過查閱文獻發現，最早提出外焰溫度高的文獻是關于本生燈的。本生燈是混合燃燒而酒精燈是擴散燃燒，兩者存在根本的區別。目前國內已經有錢揚義老師為代表的多項研究證明內焰溫度更高[13]。仍然存在的一個誤區是，許多教師都在這樣一個前提下研究問題：“酒精燈哪里火焰溫度高，使用酒精燈就應該用哪個部位加熱”。事實是，酒精燈加熱效率的高低不僅僅和火焰溫度有關，還和加熱面積、火焰的穩定性等因素有關。所以拋開火焰部位溫度的高低，需要用酒精燈的哪個部位加熱，就應該以實驗為依據，而不能主觀臆斷。我們實驗的結果是內焰加熱可以比外焰節約一半左右的時間，可是現在中學教材還在教導學生酒精燈加熱時用外焰！

我們強調培養學生科學素養，因此建議在高中化學應專門設置深化燃燒的教學內容，讓學生認識到燃燒的四個條件確切的表述為“一定的可燃物濃度；一定的氧氣（空氣）含量；一定的點火能量；未受抑制的鏈反應”，同時設置對火焰的顏色、火焰不同部位的溫度、酒精燈加熱的效率等方面的探究活動，這樣使學生對燃燒有更全面的認識，是培養學生學科學的研究過程和方法的好素材。

參考文獻：

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[10]王信群等.火災爆炸理論與預防控制技術[M].北京：冶金工業出版社，2014：119～120.

[11]劉立新等.酒精燈不同部位對石棉網加熱效率的探究[J].化學教學，2014，（8）：66～68.

[12]劉立新等.酒精燈火焰對試管加熱效率的探究[J].化學教學，2014，（9）：59～61.

[13]錢揚義等.酒精燈火焰溫度是外焰“最高”嗎[J].化學教育，2006，27（7）：52～54.