问题

铝箔在酒精灯上不能点燃,但是铝粉却可以燃烧,为什么?

回答
这个问题很有意思,它涉及到物质的形态、表面积以及化学反应的启动方式。我们来好好聊聊铝箔和铝粉为什么会有如此不同的表现。

首先,咱们得明白,铝箔和铝粉,本质上都是铝。铝这种金属,你说它稳当吧,其实它也挺活泼的。在空气中,铝表面会迅速氧化,形成一层致密的氧化铝薄膜。这层薄膜就像给铝穿上了一层“盔甲”,能有效地阻止进一步的氧化,所以我们平时接触的铝制品,比如铝锅、铝罐,都不会随便跟空气发生剧烈反应。

铝箔:厚实的外衣,不易点燃

铝箔,虽然薄,但对铝来说,它的“块头”还是挺大的。你可以想象一下,它就是一张小小的金属片,虽然延展性好,但它的厚度、长度和宽度加起来,就是一个相对完整的铝的“身体”。

酒精灯的火焰,温度虽然不低,但要让铝箔燃烧,需要克服几个阻力:

1. 表面积相对较小,接触氧气有限: 尽管铝箔展开后面积不小,但和它本身的质量相比,跟空气中的氧气接触的“有效表面积”并不是特别大。想象一下,就像你有一块橡皮泥,你捏成一个实心球,和把它搓成很多细线,后者的表面积肯定大得多。
2. 氧化铝“盔甲”的保护: 铝箔表面的氧化铝薄膜,虽然很薄,但足够坚固。酒精灯的火焰温度,不足以瞬间把这层氧化铝“融化”或者“破坏”,从而让底下的铝金属暴露出来,跟氧气直接、大规模地反应。火焰的热量会被这层薄膜吸收一部分,然后传递到铝的内部,但传递速度不够快,而且传递过程中又有热量散失。
3. 热量难以聚集和维持: 铝的导热性挺好,这意味着火焰加热铝箔的某一点时,热量会很快向周围扩散,不容易让局部温度持续升高到足以引发燃烧的程度。铝箔本身也会吸收一部分热量,这就好比你给它“降温”了。

简单来说,铝箔就像一个披着“防火衣”的汉子,火焰的能量不足以“点燃”这件防火衣,更别说里面的汉子了。

铝粉:无数细小的“火种”,容易燃烧

再来看看铝粉。铝粉是怎么来的呢?它是通过机械研磨或者其他方法,将大块的铝变成了无数微小的颗粒。这就发生了质的变化。

为什么铝粉就能燃烧呢?关键就在于:

1. 极大的表面积: 这是最核心的原因。当你把铝研磨成粉末时,每一个微小的铝颗粒,虽然本身很小,但无数的小颗粒叠加起来,它们暴露在空气中的总表面积,相对于它们自身的总体积,简直是天文数字。想象一下,把一块大橡皮擦切成无数细小的碎屑,这些碎屑加起来的总表面积,远大于那块大橡皮擦的表面积。
2. “盔甲”更容易被突破: 尽管每个铝粉颗粒表面也有一层氧化铝薄膜,但由于颗粒实在太小,而且数量众多,一旦其中一两个颗粒因为温度升高或碰撞,氧化铝薄膜出现微小的裂缝,或者被高温瞬间局部破坏,里面的铝金属暴露出来,它就会立刻与空气中的氧气发生剧烈的氧化反应。
3. 链式反应的形成: 铝与氧气的反应是放热的。当一个铝粉颗粒开始燃烧时,它放出的热量会非常快速地传递给周围的其他铝粉颗粒。由于这些颗粒紧密地挨在一起,而且表面积巨大,这种热量传递和化学反应的“火种”效应会迅速蔓延,形成一个快速的连锁反应。就像你点燃一小撮火药,它会瞬间炸开一样,铝粉燃烧就是这种“火种”效应的放大版。
4. 易于达到燃点: 酒精灯的火焰可以迅速将这些暴露在外的、表面积巨大的铝颗粒加热到它们的燃点。一旦达到燃点,反应就开始,并且由于前面提到的链式反应,火势会迅速蔓延,产生明亮的火焰和耀眼的闪光(铝燃烧会发出强烈的白光)。

所以,铝粉就像无数个微小的、随时准备着被点燃的“火种”。一旦有一个火种被点燃,它会迅速引燃身边的同伴,形成燎原之势。

总结一下:

铝箔因为其相对“完整”的结构和氧化铝“盔甲”的有效保护,以及散热较快,不容易被酒精灯的火焰达到持续燃烧的温度。而铝粉则是因为其极大的比表面积,使得氧化铝“盔甲”更容易被局部破坏,并且一旦开始燃烧,其放热效应能迅速引发周围无数颗粒的连锁反应,从而表现出易燃的特性。

这就像你拿一根木头在酒精灯上烧,它只会慢慢碳化,而你把木头削成木屑,那一堆木屑就能瞬间烧起来一样,是同一个道理。物质的形态改变,往往会带来性质上的巨大差异。

网友意见

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这个问题和比表面积没有关系,也和铝的传热没有关系。铝箔不能燃烧是因为空气和热辐射散热。

事实上,如果你把铝箔(足够薄)叠成一叠,并且中间预留间隙(类似空气电容的结构),是可以燃烧(爆炸)的。

铝箔不能燃烧,是因为空气和热辐射散热太快,铝-空界面的反应产生的热瞬间就散失了,不能维持燃烧。

而铝粉是大量分布在空气里形成气溶胶,当接触火焰的时候,反应的不是一个铝粉颗粒,而是一定范围内的大量铝粉颗粒表面同时反应,热量来不及散发。

不只是铝,无孔隙的碳如果不堆叠也是点燃不了的。木炭能燃烧是因为空隙太多,空气浸入,形成固体-气双相,大量反应界面的热量散失不出去。

油的燃烧则是油先挥发,气相与气相混合,比如蜡没有绳是点不燃的,这和铝箔是一样的道理。绳就是蜡和空气的“混合器”,如果你做成蜡粉气溶胶,没有绳也是能点燃的。

此答案的内容不建议非专业人士尝试

轰!

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我提供除了已经被广泛提及的反应物界面面积问题之外的一点。

表面积的问题是一方面,上面的回答无一例外地提到了这一点,这也是最容易被关注到的点:粒度减小会增大单位质量同种物体的表面积,即比表面积

  • 比表面积

在这种影响下,比表面积越大的物质具有越强的反应性,比如上面回答提到的金属粉末问题,纳米级铁粉会自燃,而纳米级别的镁粉会发生自爆。即便不是纳米级别的,也会有明显的反应性的上升,以金属镁为例:块状的金属镁会缓慢氧化(事实上在金属氧化中也算快速的了),大概用几天的时间长出一层结构疏松的白色氧化镁。而粉末级别的镁粉则会因为与空气中的氧气和水蒸气发生反应积蓄热量,导致安全隐患。因此对于镁粉的保存是有很严格的安全规范的。

※ 反面教材比如今年北京交通大学的爆炸事件,就是因为镁粉大量囤积导致的爆炸[1]

但除了大家都已经提到的比表面积之外,我觉得还有一点题主提到的这个现象中有贡献,即传热

  • 传热

因为我们都知道,金属铝在空气中会迅速生成一层结构致密的氧化铝薄膜,阻止内部金属单质与外部空气的接触,继而避免进一步的氧化。这对于无论是块状的还是粉末状的金属铝都奏效,所以按理说即便是粉末铝也不应该会被轻易点燃,但事实却并非如此,这是为什么?我想是因为传热。块状的金属铝会迅速将灼烧点的高温传递到周边区域(通过热通量降低温度梯度),继而导致极难通过点加热的方式轻易点燃铝块。但对于粉末则并非如此,考虑到氧化铝和铝粉之间的空气在短时间内无法实现有效的热量传递,因此每一粒铝粉几乎是一个热量孤立系统,对其进行加热可以迅速将温度升高到足够高的温度(对于火焰大概是800℃)。

※ 顺便一提,对于铝镁合金体材,在一些比较苛刻的条件下依然可以被引燃,比如轻量赛车的车祸现场,仍然能够见到镁铝合金骨架在稳定地燃烧。这是建立在燃烧范围足够大的基础上,事实上无论是对于铝还是镁,小规模的燃烧都会因为传热问题无法稳定且持久地进行,而是会自动熄灭。比如说取一根足够长的镁条(就是高中化学铝热反应用的那种)点燃,它燃烧不了太远就会自己熄灭的。

参考

  1. ^愿逝者安息,愿生者警醒。 http://www.xinhuanet.com/politics/2019-02/13/c_1124111167.htm

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