互动科普

自古至今，有很多哲人、学者都在探寻火的真面目。据说在化学体系建立之前，火被看作是组成世界的主要“元素”之一。也就是说，人们认为火是一种“物体”。

比如，古希腊哲学家恩培多克勒（公元前493～前433）以及亚里士多德（公元前384～前322）就都认为，世间万物是由水、土、空气以及火四大元素构成的。

但是，现在我们都知道火并不是物体，而是一种现象，即“物质与氧气迅速反应并发出光和热的现象”。如果火以气体状态发生的话，那么就被称为火苗或火焰。

水既可以扑灭火，也是火的“成分”之一!

那么产生火焰的气体“成分”究竟是什么呢？虽然可能有些意外，但是实际上我们看到的火焰大部分都含有水。说到水，大部分人都会想到“灭火”，所以很多人一听说火焰中含有水都会觉得很吃惊。当然了，存在于火焰中的往往不是液态的水，而是气态水，也就是水蒸气。

让我们想一下木头或纸的燃烧。木头或纸主要由纤维素等有机物构成，而有机物的主要成分为碳（C)、氢（H)、氧（O)、氮（N）等。纤维素是构成植物细胞壁的主要成分，化学式写作（C₆H₁₀O₅)_n 。

燃烧有机物，也就是使其与氧气发生反应，最终分子中的碳元素会变为二氧化碳（CO₂）或一氧化碳（CO)，氢元素会变为水（H₂O）。由于火的温度很高，所以水无法保持液态，会生成水蒸气。此外，燃烧有机物所残留的灰烬中，也含有原本有机物中所含有的钾、钙等金属元素的氧化物。

燃烧木头或纸时会产生可燃性气体

那么燃烧木头或纸时产生的火焰中只含有二氧化碳、一氧化碳、水蒸气吗？实际上，火焰中还含有其他各种各样的成分。

当木头或纸温度变高时，其中的纤维素等会被热分解，产生可燃性气体。随后，该可燃性气体与氧结合发生反应，在高温下产生发光的火焰。厨房的煤气灶是直接将煤气点着，但是在燃烧固体的木头或纸时，会先产生可燃性气体，然后可燃性气体再被引燃。

这种可燃性气体实际上是木头或纸遇到高温被热分解后产生的碳氢化合物（碳元素和氢元素构成的化合物）等。

木头或纸产生可燃性气体，进而产生火焰

木头或纸燃烧时，因热分解产生可燃性气体。由于这些可燃性气体燃烧（发生氧化反应），产生火焰。

火焰中有上百种化学反应同时进行

火中所包含的不仅仅是这些。让我们看一下碳氢化合物中化学结构最简单的甲烷（CH₄）的燃烧（甲烷是城市天然气的主要成分）。我们在高中化学中学到过，甲烷的燃烧是“甲烷与氧发生反应，生成二氧化碳和水”，化学反应式表达为“CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O”。

但是，实际上发生的反应远远不止这么单纯。比如，少量水分子（H₂O）在火焰中，就会分解（解离）为氢分子（H₂）和羟基（OH）。

据说，即使是分子结构简单的甲烷的燃烧，实际上也会发生100种以上的各种各样的反应（基元反应）。我们在学校里学到的反应式“CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O”是省略了各种基元反应，只表现了反应最初和最后的整体情况。正因为发生了这样复杂多样的反应，才使得火焰中所包含的成分也非常多样化。

黄色明亮的光芒是火焰中所含“固体”发出的

火焰的特征之一就是光芒闪耀，那么，这些光又是源自哪里呢？既然火焰主要由高温气体构成，那么这些光也是源自气体吗？的确，构成火焰形状的高温气体也发光，但是这些光很弱，也很普通。

例如，蜡烛的火焰、木头或纸燃烧时的火焰都是黄色的，明亮耀眼。实际上，这些并不是高温气体所发出的光。它们是火焰中所含有的微粒，也就是固体颗粒所发出的强光。

微粒的大小由可燃物质以及燃烧条件决定，从几千分之一毫米到几万分之一毫米不等。虽然从日常感觉来看这些粒子已经非常非常小了，但是与原子或分子（1000万分之一毫米大小）相比，它们仍然是很大的粒子。

蜡烛的火焰上有时会冒出黑色烟灰（黑烟），这其实就是火焰中高温的发光微粒冷却后的样子。

这些微粒随着不完全燃烧在火焰中逐渐形成，以碳元素为主要成分。用电子显微镜放大来看的话，会发现它们呈现出几颗球状物体连接到一起的样子。由于这些微粒在火焰中无法燃尽，所以就会以黑烟的形式出现在火焰上方。这种以碳元素为主要成分的微粒发出光而构成的火焰，就叫做“光焰”。

此外，一般的烟并不只是烟灰，还包含各种各样固体或液体的微粒。

为什么炭燃烧时不产生火焰？

前面介绍的是产生火焰的火（燃烧），但也有不产生火焰的火，比如大家熟悉的烤肉烤串时用的炭火。

那么炭又是什么呢？炭是将木材放入窑中，在隔绝空气的状态下进行加热产生的。这样，木材中所含有的水分及可燃性气体等就会逃离出去，最终留下以碳元素为主要成分的炭。

如之前所介绍的，纸或木材在高温条件下会产生可燃性气体，这些气体燃烧进而产生火焰。而对于炭来说，可燃性气体已经排出，所以不易产生火焰。炭一边发光一边燃烧，但是并不产生火焰，氧化反应是在炭的表面进行。

煤气灶的火中含有水蒸气。由于炭主要是由碳元素构成的，所以即使燃烧也几乎不会产生水蒸气。用炭火烤肉串时，会把肉串烤得很干也是这个原因。

（本文发表于《科学世界》2013年第6期）