铝箔在酒精灯上不能点燃,但是铝粉却可以燃烧,为什么?


题主是个爱思考的好学生,盛赞。

先简单回答一下,给“嫌长不看”的读者,最主要的原因是比表面积。

但是这个问题,实际过程非常复杂,我翻了一下午的文献,才把过程基本理顺了。

我们就先看题面上给出的一个事实:铝箔可以在氧气中燃烧,却不能在空气中燃烧,为什么?

这个答案呼之欲出,是因为空气中的浓度只有 21%,而纯氧是 100%,根据动力学基本原理,如果铝和氧气的反应相对于氧气来说是一级反应,那么氧气中的反应速度会提高 5 倍,如果是二级反应,那就是 25 倍。

说这个,是想说明最基本的问题,铝箔的燃烧与否,主要是动力学问题。当然,这个事实并不能确定铝在空气中是否燃烧和热力学原理无关,但是通过吉布斯自由能的计算可以很轻松证明,这里就不讨论了,大学物理化学中的基础知识。

我们在这里需要解释一下两种“判据”的差别,什么叫热力学,什么叫动力学。

所谓热力学的判据,是根据热力学三大定律对一个过程进行判断,比如地球上水往低处流,这就是热力学上允许自发进行的过程,水往高处流就不是自发过程,我们在初中物理学到的重力势能就能解释。化学反应没有重力势能那么直观,所以热力学上的判断非常重要,一般是简化成吉布斯自由能这个判据,在一些特殊情况下,也会用到熵或焓作为判据。吉布斯自由能就如同是水的重力势能一样,如果反应前后,自由能是下降的,过程就可以自发进行,反之则不能自发进行。

至于动力学,我们可以举个水坝的例子。水往低处流,但是被水坝拦住了,那么它就流不下去,这就说明,一个物体的命运,除了要考虑自身的“能量”问题,也要考虑实际的动力或阻力,这就是动力学问题。

好了,我们现在可以理解,铝箔就好比是那些被水坝拦住的水,它有流下去的潜质,但却有一些阻力,需要在动力学上进行调整,才能让反应进行下去。

现在我们开始进一步梳理这个问题,为什么铝箔在氧气中反应更快,就能持续下去呢?

我们说一个古代的取火方式——打火石(火镰)。

打火石的原理很简单,就是通过撞击产生火花儿。一般采用的是一块玄武岩和一块生铁,如果岩石中含有硫磺会更容易出火花儿。这几天我正好在家给一块花岗岩掏洞,找了根铁凿子,叮叮咣咣,也能产生不少火花。只要把引火物放在火花溅起的地方,就能够取火了。

实际上用这类取火器材远没有影视作品里面那么轻松,点不着是常有的事。原因很简单,少量的金属铁在摩擦时脱落,并且因为摩擦的高温被氧化从而产生火花儿,这个时候如果化学反应无以为继,自然就终止了,但我们没有办法保证火花儿正好就能让引火物正好发生反应。打个比方,你在追求一个女孩,趁着下雪天玩个浪漫,攒了一夜的尿,准备去写三个字,尿量是够的,这是热力学允许的。但是,万万没想到,尿结石……

铝箔的燃烧其实就是这么个问题,它的产物是氧化铝,会形成致密的氧化膜覆盖在铝的表面,这就阻隔了铝和氧气的进一步反应。

但是,氧化物从形成到转化为“致密的氧化膜”,这也是有时间的,不是说一生成就致密了,所以,一旦氧化反应快到产物来不及板结的程度,反应就可以持续了。【1,2】

正所谓,只要跑得足够快,阻力就追不上我。

除了增加氧气的浓度以外,直接增加空气的压力也是一种办法,比如 10 个大气压,一样能点着铝箔。

此外还有一种办法,那就是通电,电化学反应速度也是可以很快的。

把铝箔做成铝粉,增加了铝和氧气接触的面积,反应当然也是加快的,这也就是比表面积增加后的效果。在其他一些答案中,也有否定这一点的,然而道理却是说不通的。可燃物无论辐射率高低,也不管热传导系数如何,只要颗粒变小,燃烧都会变得更容易,这说明尺寸的影响不可能被忽略,比表面积增大是让反应顺利进行的重要原因。

反过来说,只要能够一直清除氧化铝,那么反应也可以持续下去,即便反应速度并不快。相信很多人都知道,飞机上不能带水银温度计,原因就是水银会对铝合金造成致命危害,因为水银会溶解铝,所以铝的表面就无法再生成致密的氧化膜,只能任由氧气玩弄。这个反应在常温下进行,比燃烧慢多了,但是很持久。

但是,说到这儿还有个最基本的问题没有解决,铝的氧化反应是怎么启动的?解决了这一点,就不难知道铝粉为什么更容易被点着。

铝粉的燃烧试验在军工及航天领域还是挺重要的,所以研究资料不少,特别是有一些统计学方面的研究,很有深度,只是公式太复杂,我也没办法完全领会。

简单来说,铝在燃烧前,首先会熔化成液态,而液态物质在表面张力的作用下会倾向于形成球形。但是即便是颗粒状的铝粉,原本的形态也不可能是球形,在加热的条件下,要想维持角动量守恒,那么铝粉就会发生旋转,而最外层没有熔化的氧化铝薄膜就成了阻尼的来源。这个状态,其实很像微缩的地球,内部是熔岩,外层是地壳。就像熔岩会造成火山喷发一样,不断旋转的铝粉,表面的氧化膜也会被挤出一些小口子,反应于是就启动了。从这个模型也不难看出,粉末状的铝,显然比铝箔更容易被引燃。当铝粉足够细的时候,速度很快,就好像火山喷发了之后,拉开的伤口始终不能结痂,反应不会停止,温度越来越高,又加剧了反应的进程,所以铝粉一旦被点燃,往往就是不可控并导致爆炸的后果。

这个模型,和有些答案所说的气溶胶并无关系,实际上,气溶胶一般是纳米材料或者几微米的尺度,这时的颗粒物可以在空气中比较稳定地漂浮,就像液体里的胶体一样。我们平常所说的 PM2.5,指的是 2.5 微米直径以下的颗粒物,这可以说是气溶胶。我此前做一个项目用到的气溶胶二氧化硅,粒度分布在 0.1 微米到 1 微米之间。而大多数研究所用的燃烧铝粉都是几十微米到几百微米,根本不可能形成所谓的“气溶胶”。所以,用气溶胶来解释铝粉燃烧的原理,没有依据。

总结一下——

1、铝箔不能被点燃,是因为动力学上存在障碍,反应不能持续地进行,如果速度足够快,避免产物氧化铝的板结,燃烧就可以发生。

2、因为比表面积增加的缘故,铝粉与氧气的接触面积大,可以点燃。

3、铝粉相比于铝箔,也更容易被点着,所以铝粉的危险系数非常高。

如果没有专业设备保护,一定不要尝试金属燃烧的实验,铝、铁等金属燃烧起来比钠、钾之类的碱金属更可怕。

最后还是推荐一本书吧,也是我翻译的,《锈蚀》,广西师大出版社出版,是一本适合文科生阅读的金属氧化宝典,其中有一篇讲易拉罐的,谈的是人类如何防止铝罐被氧化腐蚀,因此发明了环氧树脂涂层(即易拉罐内部那一层薄膜),而环氧树脂中的双酚 A 问题则成了资本闭口不谈的敏感话题。金属的氧化问题确实挺值得深入研究,不管是科学方面,还是人文方面。

1、V. D. Gladun et al., Coalescence of powdered aluminum particles on combustion surface of metallized compositions, Institute of Chemical Physics, Academy of Sciences of the USSR, Moscow. Translated from Fizika Goreniya i Vzryva, Vol. 13, No. 5, pp. 705–710, September–October, 1977;

2、V. I. Malinin et al., Ignition and Combustion of Aluminum–Air Suspensions in a Reactor for High-Temperature Synthesis of Alumina Powder, Conbustion, Explosion, Shock Waves, September 2002, Volume 38, Issue 5, pp 525–534;

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