火的使用促進了人類文明的發(fā)展
人們對“火”非常熟悉，考古學(xué)家推測，人類早在大約100萬年以前就開始用火了，火的應(yīng)用在人類文明發(fā)展史上具有極其重要的意義?；鹨步o人們的生產(chǎn)和生活帶來了極大的便利，如抽煙的時候用打火機就能產(chǎn)生火，做飯的時候煤氣灶也能產(chǎn)生火，人們通過燃燒煤炭來發(fā)電等等。
火的濫用給人類帶來了災(zāi)難后果
人們常說“水火無情”，火的濫用給人們帶來了巨大的損失和災(zāi)難性能后果。
2017年6月14日，倫敦北肯辛頓(North Kensington)蘭卡斯特西區(qū)(Lancaster West Estate)一棟名為格倫費爾(Grenfell Tower)的24層公寓樓發(fā)生了火災(zāi)，導(dǎo)致72人死亡，另有70多人受傷。這是自第二次世界大戰(zhàn)以來英國最嚴(yán)重的住宅火災(zāi)，英國首相特蕾莎梅表示：這是一場“史無前例的”大火，并下令對火災(zāi)展開全面公開調(diào)查。
法國巴黎圣母院是一座歷史悠久的大教堂，2019年4月15日下午6點50分左右巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，著火部位位于圣母院頂部塔樓，大火迅速將圣母院塔樓的尖頂吞噬，很快這座擁有850多年歷史的建筑被付之一炬。圣母院著火時冒出了滾滾黃煙，這是由于屋頂數(shù)百噸鉛融化造成的，事后巴黎警方要求周圍居民清理一下自家房屋，以免鉛中毒。直到9月，《紐約時報》的一項調(diào)查顯示，圣母院周圍的塵埃濃度依然超標(biāo)1300倍，范圍涵蓋了巴黎市中心的大部分地區(qū)。
2019年10月，美國加利福尼亞州發(fā)生大火，加州58個縣，有43個縣發(fā)生大面積火災(zāi)，18萬居民緊急撤離。2019年，美國共發(fā)生50,477場野火，過火面積超過18,600平方公里，雖然這已經(jīng)是近五年來的最低水平，但2019年滅火費用依然高達30億美元。
法拉第跨界科普蠟燭的燃燒
人們對火、燃燒已經(jīng)習(xí)以為常了，但是真正從科學(xué)的角度來解釋什么是火，為什么會發(fā)生燃燒以及怎么燃燒仍然知之甚少，雖然人類為之探索了數(shù)百年。
第一位從科學(xué)角度闡述燃燒的科學(xué)家是邁克爾·法拉第（Michael Faraday），沒錯，就是那位“電學(xué)之父”。他在170年前為青少年作了名為《蠟燭的化學(xué)史》的科普講座，其間就提到燃燒發(fā)生的必要條件就是燃料、空氣和引火源。在蠟燭燃燒過程中，蠟燭頂端會形成一個杯狀凹形區(qū)域，隨著空氣進入蠟燭周圍，空氣會被蠟燭產(chǎn)生的熱流向上推，蠟燭的各個側(cè)面都在空氣的包圍中被冷卻，邊緣部分比中心更冷，離火焰較近的蠟燭就會熔化。如果我們只讓氣流從一個方向流動，那么蠟燭形成的凹形杯子就會傾向一方，而液態(tài)的蠟燭油就會溢出來。如果蠟燭不能形成這種杯狀凹形區(qū)域的話，就很難燃燒。
最簡單的碳氫化合物燃燒產(chǎn)生了最復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)
經(jīng)過170多年的探索，人們對燃燒的認識更近了一步。人們發(fā)現(xiàn)蠟燭的燃燒為擴散火焰，蠟燭被加熱后由固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，再汽化生成可燃的石蠟蒸氣，燃燒僅發(fā)生在燃料與空氣之間的界面處，該區(qū)域稱為反應(yīng)區(qū)，深度約為200μm，火焰內(nèi)部是完全無氧的環(huán)境。
蠟燭火焰可以分為三層：外焰、內(nèi)焰、焰心，焰心主要為蠟燭蒸氣，溫度最低；內(nèi)焰燃燒不充分，溫度比焰心高，會生成部分碳粒；外焰與空氣充分接觸，火焰最明亮，燃燒充分，溫度也最高。
意大利帕爾馬大學(xué)副教授Ludovico Cademartiri認為燃燒是一個非常復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)過程，以最簡單的碳氫化合物甲烷和氧氣的燃燒為例，根據(jù)溫度的不同，它們的反應(yīng)速度會有數(shù)百種之多，當(dāng)以不同速率發(fā)生燃燒反應(yīng)時，會產(chǎn)生數(shù)百種中間產(chǎn)物和副產(chǎn)物，溫度在整個火焰區(qū)域的差別非常巨大，除了氣態(tài)產(chǎn)物，燃燒還會產(chǎn)生固態(tài)的煙灰。也就是說，僅僅甲烷和氧氣這兩種物質(zhì)就能產(chǎn)生數(shù)百種不同的反應(yīng)，而每種反應(yīng)都能生成數(shù)百種氣態(tài)和固態(tài)中間產(chǎn)物或者副產(chǎn)物，這還不包括燃燒中人們未知的產(chǎn)物。
煙霧成分異常復(fù)雜
加州理工學(xué)院克里斯塔爾·巴斯克斯（Krystal Vasquez）博士參與了一項加州大火煙霧采樣及化學(xué)組成的研究，該研究由NASA、美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）與40多個合作機構(gòu)共同發(fā)起。他們將飛行時間電離質(zhì)譜儀固定在飛機上進行實時采樣，發(fā)現(xiàn)燃燒生產(chǎn)的煙霧中有氣溶膠、氮氧化物（NOx）、碳氫化合物、呋喃類化合物以及異氰酸，還有眾多無法確定的有機化合物，其中異氰酸在NOx中的占比高達30％，雖然了解了煙霧的部分化學(xué)組成，但是這些化合物是如何形成的還是個未知之謎。
巴斯克斯還認為野火產(chǎn)生的這些化合物在很大程度上取決于火的特性和相對濕度，也就是說哪些物質(zhì)著火了，著火時的空氣流通情況對煙霧的成分影響顯著，甚至是滅火時消防員采用了哪種滅火劑都會影響煙霧的組成。
只能出現(xiàn)在漫畫世界中的電場滅火
人們之所以會研究火以及燃燒，還是為了更好的加以利用，以及發(fā)生火災(zāi)時更及時的滅火。美國哈佛大學(xué)的卡德馬蒂里（Cademartiri）與喬治·懷特塞德斯（George Whitesides）實驗室和美國國防高級研究計劃局（US Defence Advanced Research Projects Agency）一起開展了阻燃的研究工作，共同研究在不加入阻燃劑的情況下如何滅火。他們發(fā)現(xiàn)碳氫化合物燃燒過程中會產(chǎn)生離子和電子等離子體，這些等離子體同時也成為火焰的一部分，于是他們建立了一個振蕩的、高強度電場，在人為制造的封閉空間內(nèi)這一方法可以撲滅大約一米高的火焰。但是在現(xiàn)實世界中，這種方法需要的電場強度過高而難以實現(xiàn)，以至于現(xiàn)有技術(shù)只能撲滅幾厘米高的火焰。
雖然這種方法在現(xiàn)實世界無法實現(xiàn)，但是卻受到DC漫畫公司的青睞，公司旗下的超級女英雄拉娜·藍（Lana Lang）正是采用這種方法撲滅了大火，擊敗了大反派萊克斯·盧瑟（Lex Luthor）。
卡德馬蒂里的研究小組還在嘗試?yán)寐暡▉砬袛嗫諝膺M入火焰反應(yīng)區(qū)，他們發(fā)現(xiàn)55-60Hz之間的低頻聲波效果較好，強度大約130分貝。但是用這種方法來滅野火依然任重而道遠。
小結(jié)
火在人們生活中必不可少，給人們帶來便利的同時，如果不能很好的控制，也會給人類帶來嚴(yán)重的災(zāi)難。從170年前，電學(xué)之父法拉第給人們科普蠟燭燃燒開始，科學(xué)家就一直在探索火及燃燒現(xiàn)象。人們發(fā)現(xiàn)蠟燭的燃燒區(qū)域深度約為200μm，火焰內(nèi)部是完全無氧的環(huán)境。甲烷和氧氣的燃燒根據(jù)溫度的不同，反應(yīng)速度會有數(shù)百種之多，當(dāng)以不同速率發(fā)生燃燒反應(yīng)時，會產(chǎn)生數(shù)百種中間產(chǎn)物和副產(chǎn)物。煙霧的化學(xué)成分在很大程度上取決于火的特性和相對濕度，其中有氣溶膠、氮氧化物（NOx）、碳氫化合物、呋喃類化合物以及異氰酸，異氰酸在NOx中的占比高達30％，還有眾多無法確定的有機化合物。高強度震蕩電場雖然可以消滅封閉環(huán)境中的火災(zāi)，但是在現(xiàn)實世界中仍然力不從心，聲波滅火距離實際應(yīng)用也有漫長的路要走。
Kit Chapman，知名科學(xué)記者，出生于英國，布拉德福德大學(xué)藥劑學(xué)碩士，桑德蘭大學(xué)科學(xué)歷史和哲學(xué)在讀博士。曾是《Chemistry World》編輯，在《Nature》、《New Scientist》、《The Daily Telegraph》、《Chemist+Druggist》和《BBC Science Focus》等雜志發(fā)表多篇文章上。
原文鏈接：
https://www.chemistryworld.com/features/the-complex-chemistry-of-fire/4012100.article
