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金屬能燃燒嗎?為什么生活中見不到金屬著火?
答:金屬鎂可以在空氣中燃燒,甚至可以在二氧化碳中燃燒,一些金屬在制成粉末后,在空氣中也有燃燒爆炸的危險;還有很多金屬可以在純氧中燃燒,比如鐵、鋁、鋰、鈉等等;只有部分極不活潑的金屬,即便在純氧中也不會燃燒,比如金、鉑。
燃燒是一種劇烈的化學反應,并且伴隨著明顯的發熱發光現象,氧氣是常見的助燃劑,很多無法在空氣中燃燒的物質,在純氧中也會被點燃。
空氣中燃燒
金屬單質在空氣中就能點燃的非常少,鎂是能在空氣中點燃的最常見金屬,比如有些電子產品為了降低重量,會采用密度非常輕的鎂鋁合金。
之所以鎂能在空氣中點燃,是因為鎂具有非常強的還原性,尤其是和氧原子的結合能力非常強,甚至能從二氧化碳中把氧氣原子“搶奪”過來,于是金屬鎂可以在二氧化碳中燃燒,生成氧化鎂(MgO)和碳單質,所以在鎂燃燒發生火災時,不能使用二氧化碳滅火器來滅火。
金屬粉末
很多金屬正常情況下不能在空氣中燃燒,加熱時會在表面生成氧化物,比如鐵、鋁等等,但是我們把這些金屬制成極細的粉末后,大量漂浮在空氣中也會燃燒甚至發生爆炸,也就是粉塵爆炸。能引起粉塵爆炸的金屬非常多,比如鐵粉、鋁粉、鋅粉等等。
對于固體物質來說,表面原子的能量比內部原子的能量大,物理學中有一個物理量叫做“表面能”,對于粉末狀的金屬,表面能將會變得很大,這大大降低了金屬燃燒的條件,所以部分金屬在粉塵狀態時會燃燒甚至爆炸。
純氧中的燃燒
由于金屬都具有還原性,氧氣具有氧化性,所以對于大部分金屬而言,在純氧當中都會被點燃,比如鐵就可以在純氧中燃燒,然后生成氧化鐵(Fe2O3),鋁也可以在純氧中燃燒。
不燃燒的金屬
只有少數極不活潑的金屬,即便在純氧中也不燃燒,比如金和鉑;甚至氧化金(Au2O3,俗稱金露)在光照下或者高于110℃時,都會釋放氧氣還原出單質金,看來真金不怕火煉是有一定道理的。
對于金來說,在氧化性更強的氟面前也沒用,金在氟氣(F2)中可以點燃生成三氟化金。
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生活經驗告訴我們,金屬不會燃燒,就算放火里再怎么烤,都不會著火,那不然都做不了飯了!其實金屬會燃燒。而大多數金屬在燃燒時會釋放出大量的熱量,還很難被熄滅。
金屬燃燒的一些例子
例如,鋁熱劑被用來將火車軌道焊接在一起。鋁熱劑中的燃料是金屬鋁。鋁熱劑燃燒時,鋁原子與氧原子結合形成氧化鋁,在燃燒過程中釋放出大量的光和熱。
另一個例子是,手持小煙花棒就使用鋁、鎂或鐵作為燃料。煙火棒的火焰看起來與柴火不同,因為金屬比柴火燒得更熱、更快、更徹底。實際上,大多數煙花都含有金屬燃料。再舉一個例子,早期攝影中使用的舊閃光燈不過是在一個玻璃球里燃燒了少量的鎂,啪一聲,并伴隨著一股濃煙。此外,航天飛機的固體火箭助推器就使用鋁作為燃料。有些金屬,如鈉,很容易燃燒,所以我們不能用鈉來制造日常用品。
日常生活中的金屬為什么不會著火呢?
不過,你可能會想,為什么把一根點燃的火柴放到鋁箔上不會燃燒呢?同樣,把金屬鍋放在廚房的火焰上也不會使鍋著火。在日常生活中,金屬物體似乎不會燃燒。那么日常生活中的金屬真的能燃燒嗎?其中涉及三個主要的因素。
金屬原子不能與氧氣很好的結合,也不易氣化
首先,一塊固體金屬,其中的金屬原子很難與氧原子足夠接近來進行反應。為了讓金屬燃燒,每個金屬原子必須與氧原子足夠接近才能與之結合在一起,發生化學反應。大塊的金屬,像勺子、罐子和鐵疙瘩,大多數金屬原子埋藏在深處,根本無法接觸到氧分子。
此外,金屬還不易汽化。如果燃燒一大塊木頭或一根蠟燭,燃料顆粒就會迅速蒸發,也就是說,只要稍稍加熱,原子就會氣化進入空氣,這樣就能更好地接觸到氧原子。相比之下,固體金屬的原子緊密的結合在一起,這意味著利用熱量蒸發金屬要困難得多。
還有,像木頭或布料這樣的有機材料本身,在其分子中就含有大量的氧原子,而金屬材料則不含。這就是為什么金屬勺比木勺更難燒的原因之一,盡管它們都是由大塊的材料組成的。
考慮到以上的事實,想要讓金屬燃燒就要手動分解金屬原子,使它們更好、充分的接觸到氧氣。實際上,就是人為的把金屬磨成細粉末。在商業產品和工業過程中用作燃料時,金屬通常是粉末的形式。即使我們把金屬塊磨成粉末,燃燒效果也不佳,我們很難在空氣中點燃一堆金屬粉末。問題是空氣主要是氮氣,氧氣并不多。
最好的方法是將氧原子直接混合到金屬粉末中。例如含有松散結合的氧原子的固體化合物可以混合到金屬粉末中。這樣,氧原子就可以穩定地待在金屬原子旁邊,隨時準備發生反應。這種方法是使金屬充分燃燒的最有效的方法。例如,鋁熱劑就是將鋁粉(燃料)和氧化鐵(氧氣來源)混合在一起的。
金屬的電火溫度很高
第二個原因,日常金屬物體不容易著火是因為金屬通常有更高的點火溫度。因為一個典型金屬中的原子非常緊密地聯系在一起,即使氧原子就在它們旁邊,想要把金屬原子分開并釋放出來也需要更多的能量。蠟燭火焰、火柴火焰、篝火和廚房火爐的火焰都不會熱到足以點燃大多數金屬,即使金屬是理想的粉末形式。必須使用更強的化學反應,產生更高的溫度來點燃大多數金屬粉末。例如,利用鎂條的燃燒可以用來點燃鋁熱劑。
金屬是良好的熱導體
日常金屬制品不容易燃燒的最后一個原因是金屬往往是很好的熱導體。這意味著,如果金屬物體上的一個點開始積聚熱量,熱量很快就會通過金屬流向較冷的部分。這使得金屬很難在一個地方聚集足夠的熱量,以達到點火溫度。
總結
因為大部分固體金屬中的原子無法接觸到氧原子,因為金屬的點火溫度很高,而且金屬是很好的熱導體,所以它們在日常環境中不能燃燒。使金屬燃燒的理想方法是把它先磨成粉末,并加入氧化劑,攪拌均勻,包裹起來這樣熱量就不會逸出,然后使用高溫點火裝置就可以點燃金屬。
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