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物质是怎么消失的?比如一吨的木头烧成灰的过程,那些重量是怎么消失的?

我们从小就学到质量守恒定律、能量守恒定律甚至是质能守恒定律。可以说,守恒定律从诞生之日一直持续至今,都是十分坚实的物理学理论,当牛顿的三大力学定律和万有引力定律在大尺度下和小尺度下都产生了巨大误差时,守恒律依旧坚如磐石;

当然,波尔对“实验中丢失的一小部分质量”产生疑惑,甚至一度想要否定能量守恒时,实验(发现中微子)最终还是捍卫了守恒律。

如果守恒律是确实成立的,就会有一些人在思考一些问题,比如,燃烧过程中,燃烧过后,留下来的质量似乎都比反应之前要少得多,那这部分损失“质量”到底哪去了?

这个问题看似很简单,实际上并不简单,这里就涉及很多问题,比如燃烧反应以及爱因斯坦的质能等价。我们今天就来聊一聊这个问题。

燃烧反应

我们就拿“燃烧木头”来举例子。要搞清楚木头的燃烧反应,我们其实就应该先搞清楚木头的主要程度到底是什么?

木材中的主要成分是木质素、纤维素及半纤维素,这里指的是干燥的木材。纤维素是一种由葡萄糖衍生而来的结晶聚合物,大概占据总物质的41%~43%。

如果我们从元素的角度来看,构成木材的主要成分是碳,氢,氧。具体的占比是:

  • 碳大概占44%
  • 氢大概占6%
  • 氧大概占42.5%

剩余的,还有大概0.5%的氮元素,以及不到1%的其他元素。我们从木材的成分来看,木材的燃烧主要就是碳燃烧。

通过初中的化学课,我们也知道,碳燃烧的结果是生成二氧化碳或者一氧化碳,这取决于是不是在充分燃烧。

我们要注意的是,燃烧的过程实际上是有氧气的介入,也就是说,有其他的反应物加入了反应,整个系统的质量理应增加的,增加的部分就是“参加氧气的质量”。

但当我们称量时,只能称量燃烧后剩余的物质,这些并不是所有的生成物,在众多生成物中,最主要的部分以二氧化碳和一氧化碳的气态形式飘走了,进入到了地球的碳循环当中,成为碳循环的一部分。

我们无法用肉眼看到这部分,更无法拿天平对这部分称重,所以,这才会让很多人觉得整个燃烧过程中少了“质量”。实际上,丢失的绝大部分“质量”,几乎99.99999999%以上的质量都是以气体的形式离开了系统。

假设,我们拥有一个封闭的系统,确保了系统内有足够氧气,而且生成的二氧化碳和一氧化碳无法从这个系统中出去,那系统在反应后再进行称量得到的结果是什么呢?

实际上,最终的称量结果还是“丢失了一部分的质量”,这里要补充一句,这里指的是秤的精度能够达到理想状态,在小数点后16位开外还能测得准。那丢失的“质量”哪去了?

质能等价

二氧化碳的燃烧,本质上是一个放热反应。这部分热最终会以能量的形式丢失掉。那这部分能量和丢失的质量到底是什么关系呢?

实际上,它们就是一回事,我们可以用爱因斯坦的质能方程E=mc^2把它们之间的关系表述出来。质能方程实际上是爱因斯坦在1905年,发表的4篇论文中的其中一篇,叫做《质能等价》的论文推导出来的方程。

在这篇论文中,爱因斯坦统一了质量和能量,他认为质量和能量是一回事,是一个物体的两个属性,质量里还有能量,能量里也还有质量。所以,木材燃烧的过程中,跑掉的能量,实际上对应着质量,通过质能方程的移项,我们就可以得到m=E/c^2,也就是说对应E/c^2的质量丢失,其中c=3*10^8m/s,所以,这个丢失的质量是极其小的,在小数点后十多位开外,很难能够测得出来,但并不是不存在这部分质量的丢失。

所以,通过木材的燃烧反应,我们最起码要搞清楚守恒律到底是什么?

实际上,质量和能量是一个东西,那么反应前后的质量是守恒的,能量也是守恒的,也因此质能是守恒的,质量和能量是等价关系,而不是质量和能量是转化关系。

物质是怎么消失的?比如一吨的木头烧成灰的过程,那些重量是怎么消失的?

一吨木头烧成炭还是不少的,但如果任其烧尽那么就只剩下一小堆灰烬,剩下的物质就不多了,而煤炭的状况也类似,热值高的煤炭灰分比例比较低,热值低的煤炭灰分比较高,灰分从10%-40%甚至更高。那么问题来了,剩下的那些物质去哪了呢?

木材的燃烧过程

木材燃烧是一个司空见惯的过程,但要说其过程可能大家都有点糊涂,要说清楚过程,必须先来了解下木材的成分,因为燃烧就是一个剧烈的化学反应过程,木材的成分与之关系非常大!

高度放大的木材图像,显示纤维素纤维纠

木材的主要成分是纤维素,它是一种多糖,是植物细胞壁的主要结构成分,与半纤维素和果胶以及木质素结合在一起,构成了不同品质的木材,人体肠道内不含纤维素酶,因此即使人吃了木头也不能消化,但很多以木材为食的白蚁或者蛀虫有,所以它们能以木材为食!但无论这些纤维素或者半纤维素与果胶比例有多少差别,最终都是有碳氢氧元素组成三者比例为:

  • 碳约占44%
  • 氢约占6%
  • 氧约42.5%
  • 0.5%以下氮
  • 1%以下矿物质灰分

燃烧过程:木材在受热时将会产生裂解反应,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。

碳完全燃烧时生成二氧化碳,不完全燃烧时则生成一氧化碳,木材在燃烧过程中会内焰因氧气不充分生成一氧化碳,等气体跑到外焰时将会参与燃烧!二氧化碳和一氧化碳和水蒸气将通过燃烧过程排入大气,其他不可燃烧的矿物质等将遗留形成灰烬!

木材中的灰分比例大都不超过1%,草料类的灰分比稍高大约2%左右!一吨木材燃烧大约只留下10千克灰分,当然还有飞灰在燃烧过程中飘走了!

化学法应中的质量守恒

木材燃烧是化学变化过程,所有物质前后并不会发生改变,仅有的只是它们之前不同元素的组合方式发生了改变,而且在这个过程中氧气参与进来了,因此木材燃烧总的质量是增加的,但氧气加入后的燃烧反应生成大量二氧化碳和一氧化碳等这些气体,随风就不见了,留下一堆灰烬,给我们的感觉就是木材燃烧之后有质量不见了!其实在一个封闭系统中燃烧,质量前后是不会变化的,这就是化学反应中的质量守恒。

曾经历史上出现过的燃素说并不是这样认为,因为大家都发现可燃物燃烧之后都变轻了,所以认为可燃物因为含有燃素,燃烧过程释放了燃素所以质量变轻了!但拉瓦锡在镁的燃烧过程中发现,燃烧后的氧化镁质量不减反增,所以燃素说就此破产了!

化学反应质量守恒就是由此发展演化出来的。

质量发生改变的燃烧

时间进入二十世纪初,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》的第二天接着发表了《物体的惯性和它所含的能量有关吗?》,前后两篇论文构成狭义相对论的核心,而后者则是著名的质能等价方程!

很多朋友以质能方程是爱因斯坦发现为由,认为他在原子弹和氢弹上做出决定性的贡献,但其实爱因斯坦和核弹只有半毛钱关系!不过质能等价方程完全可以计算裂变和聚变过程中产生的质量亏损,以及过程中所释放出的巨大能量!

当然上述过程指的是原子核内部的过程,但其实请不要忽略的一个结果就是,所有在有能量发生的过程都将伴随着质量变化,即便它是一个化学过程,只是化学反应产生的这点质量变化实在是太可怜了,甚至没有任何一个天平可以称出来你家今年冬天取暖烧掉的煤有多少质量亏损,但却已经可以让你冬天在家里光着膀子横着走了!

比如100吨煤燃烧产生的质量亏损:

1千克标准煤:29260000焦耳

100吨为:2926000000000焦耳

那么质量亏损为:0.00325克

估计得找个很精确的天平才能测得100吨煤烧掉后的质量亏损。

所以这个质量损失可以忽略不计,化学反应前后质量守恒也只有吹毛求疵的时候,或者跟人家撕逼的时候拿出来显摆一下,实际操作是不可想象的。

物质没有减少。把木柴点燃,直到烧成灰烬,木柴的质量看似减少了,但其实组成木柴的各种元素一点儿也没有变少,它们只是换了一种存在方式罢了。燃烧属于化学反应(游离基的连锁反应),反应前后的质量是相等的,就是说组成木柴的所有原子都还存在,没多也没少。经过燃烧,它们与其他原子(主要是氧)组成了新的化合物。

木头燃烧后减发生了什么变化

第一步:炭化脱水。木头中含有很多水分,遇热开始燃烧前,它内部的水分会先被高温气化,逸散出来。完全脱水的木头就是木炭了。第二部:燃烧,炭的氧化反应。在这一过程中,碳与氧发生反应,释放大量热能并生成二氧化碳气体。

碳元素全部被氧化后(理想状态,实际不可能,),反应停止,火焰熄灭。

你看,木头先是损失水份,减小了约一半的重量(木炭比木头轻许多);接着再损失掉大部分碳元素;然后还有很多成分变成微小的凝胶状颗粒飘走,也就是冒烟。燃烧后的木头看似减重了,其实是水和碳变成了水蒸气和二氧化碳,跑到大气中去了。

灰烬是什么

植物生长不只需要水分,还需要土壤中的各种无机盐。主要有磷、钾、钙、镁、锌、铁、锰、铜、硼、钼……多了去了。它们平时分布在植物体内,经过燃烧反应与氧结合后也不会变成气体飘走,而是留在原地,成为一摊灰烬。是好肥料哟。

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本来是水气生长组合而成,少许微量元素,火化气还水还土。和人一样吃水还水,吃土长的东西还土。原来的正体物质化无,无再生有其它生物质,无既是另有的存在转化。

道可,道非,老子二千年前就明白这个道理。生有化无,常恒之道,山石砂土,都是水火之功形成的何况生物呢。不是外国人的月亮圆,是中国阴阳发的光。


答:人类花费数百年的时间,才真正认识了燃烧的本质,最初的化学家用燃素学说解释燃烧现象,直到18世纪,拉瓦锡才用实验否定了燃素学说,并建立了现代化学,后来总结出质量守恒定律。


燃烧现象

燃烧是生活中最常见的现象之一,比如木头在燃烧时,其中的碳元素就会和空气中的氧气结合为二氧化碳气体,最后只剩下一堆灰烬,灰烬的主要成分是无机盐,比如碳酸钾、硅酸盐等等,以及部分微量元素。


燃素学说

在几百年前,人们对燃烧的本质认识不够,甚至发展出一些错误的理论,其中最著名的就是燃素学说,受机械唯物论的影响,燃素学说在十七世纪的欧洲非常流行。

燃素学说认为,燃烧产生的火焰是无数活泼的微粒,这些微粒叫做燃素,燃素存在于各种实体物质当中,当燃素从实体物质中大量溢出时就形成了火焰。

燃素学说能解释部分燃烧的现象,比如木炭燃烧后质量减少被认为是损失了燃素的质量,燃烧需要氧气是因为空气能把物质中的燃素吸取出来等等,但是燃素学说无法解释金属锡在空气中煅烧和镁在空气中燃烧后质量增加的问题。

在1756年,俄国科学家洛蒙诺索夫在密闭容器中煅烧金属锡(生成氧化锡),然后称量整个密闭容器的总质量,发现前后的质量没有发生变化;在1777年,现代化学之父的法国化学家拉瓦锡,重复了洛蒙诺索夫的实验。

经过多位科学家的完善,最后总结出化学反应中质量守恒的结论,后来英国科学家约翰·道尔顿提出原子理论,认为化学反应是物质当中原子的重新排列和组合,由于单个原子质量是不变的,所以化学反应当中质量守恒。

现在我们知道,燃烧就是一种剧烈发光发热的化学反应,火焰其实是处于游离或者半游离状态的气体分子,而且燃烧不一定需要氧气,比如镁条可以在二氧化碳中燃烧,氢气可以在氯气中燃烧等等。


木头的燃烧

木头是植物生长出来的,主要成分是纤维素,而纤维素属于多糖物质[(CHO)n],除此之外,木头中还存在一些微量元素、无机盐、氮的化合物、硫的化合物等等。

当木头燃烧时,多糖物质会与氧气结合,生成二氧化碳和水,而水在高温下以气体形式溢出,只有木头中的部分无机盐和微量元素无法蒸发,最后留下一堆灰烬。

从本质上说,木头的燃烧过程就是木头和空气发生化学反应,反应前后的总质量保持不变,但是很大一部分质量在燃烧后以气体形式溢出在空气中,这部分质量并没有凭空消失。


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物质不会消失,它只是由一种形式转变成了另一种形成而继续存在而已。

物质燃烧与消失的过程,其本质就是由不挥发的物质转变为能挥发物质并成功挥发而消失的过程。

那么,一吨的木头,在它燃烧成灰的过程中,木头原有的物质,也即是它的质量到底是如何消失的呢?

要了解一吨的木头到底是如何通过燃烧的方式消失的,我们可以先从木头的元素组成入手。

组成木头的三大元素

木头的本质,其实就是木质纤维,而木质纤维的化学物质就是一种我们人体无法消化利用的多糖(C6H10O5)n,从这个木质纤维素的化学式中,我们就可以大概地清楚了木头中所含有的碳(C)、氢(H)、氧(O)这三种元素组成比例是怎么样的了。

碳、氢、氧三大元素是如何离开木头并生成二氧化碳跟水的

碳、氢、氧这三种元素在木头中以化学键的方式连接到了一起,而当木头的某个部位被点燃了之后,被点燃的部分会因为高温的缘故而使得组成纤维素的三大元素的原子获取高能量并成功挣脱将它们锁在一起的化学键,也即是化学键发生了断裂,最终使得碳、氢、氧这三种元素成为“自由之身”而离开木头。

离开木头的碳与氢这两种元素在空气中与氧相遇,然后由于木头本来就在燃烧,就在释放出大量的热量,因此碳跟氧将会借助高温的环境结合成二氧化碳(CO2),氢跟氧则会结合成水蒸汽(H2O),并同时释放出能量来供木头后续的继续燃烧。

木头不完全燃烧会生成什么?

木头燃烧生成二氧化碳跟水蒸汽是一种相对完美的结局,可在实际的情况中,这几乎是不可能发生的,因为当碳与氢还有氧元素因获得能量而从纤维素分子中脱离出来并进入到火焰中的时候,外部空气中的氧并不会每时每刻的都能给它们提供足量的氧原子受体,然后都让它们成功地结合成二氧化碳跟水蒸汽。

缺少足量的氧,最终碳就容易受到冷落,而只能将就地合成一氧化碳,甚至有时它连跟氧接触的机会都没有而直接就是炭灰。

至于氢呢?两个氢合作争抢一个氧原子,其实与碳相比,它们更容易事先跟氧结合,所以木头在燃烧的过程中,游离的氢通常都是不用担心找不到氧这个对象来结合的。

因此,从以上的燃烧所发生的事件来看,木头彻底地从燃烧中消失的细节过程是:高温→碳、氢、氧元素从纤维素中脱离→纤维素的量减少,即是木头减少→木头消失,并留下少许灰渣。

木头所消失的质量都到哪里了?

木头的燃烧消失,主要本质上其实就是木质纤维通过高温的作用来与空气中的氧气合作,然后生成水蒸汽(H2O),二氧化碳(CO2)、一氧化碳(CO)、碳(C),最终挥发到空气中了。

燃烧的木头熄灭的根本原因是什么?

从纤维素(C6H10O5)n的化学元素组成上看,木头内部所脱离出来的氧仅仅能够跟氢组合生成水(H2O),而碳却只能从空气中捞取氧了。当空气中的氧来不及填充进火焰的时候,碳就没法得到有效的燃烧,这时候就没办法释放出更大的能量出来,火焰必然也就会缩小,甚至是当空气中的氧气的量达不到一定的水平的时候,火焰就没办法得到继续维持而导致熄灭。所以,这就是为什么没有氧气,或者是氧气含量不足的情况下,我们就点不着火的原因了。

此外,对于救火,通常我们最能想到的就是水,可是你知道水能灭火的本质是什么吗?其实水能灭火并不是通过将水泼向火堆,然后依靠水来冷却火从而使火熄灭,而是依靠水铺流在燃烧着的材料上,从而起到一种有效隔绝氧气的作用,当材料中所游离出来的碳与氢元素不能与空气中的氧气接触了,它们不能继续反应产生高温了,火自然也就灭了。

PS:1.木头燃烧后所剩下的灰,其中部分是钾类无机盐以及其他不可燃烧的矿物质,当然还包括一些来不及完全燃烧的有机物。不过,若木头能够完全燃烧的话,其所剩下的灰其实是很少很少的。

2.在室内关门关窗烧碳容易引发一氧化碳中毒事件的重要原因是因为室内不与室外的空气流通,从而导致室内燃烧碳的氧气供应不足,所以只能由本来可以合成更多的二氧化碳而最终将就地合成了更多的一氧化碳了。

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