燃烧与爆炸学笔记
一、燃烧基础认知
( 1 )燃烧的本质与特征
① 燃烧的本质
氧化还原反应核心:燃烧本质上是一种剧烈的氧化还原反应。
在这个过程中,可燃物中的元素失去电子被氧化,而氧化剂(通常
是氧气)中的元素得到电子被还原。例如,碳在氧气中燃烧,碳元
素从 0 价变为 +4 价(如生成二氧化碳),氧元素从 0 价变为 -2
价。这种电子的转移伴随着能量的变化,以光和热的形式释放出
来。
化学键的断裂与形成:从微观角度看,燃烧涉及到可燃物分子
内化学键的断裂以及新化学键的形成。以甲烷燃烧为例,甲烷
( CH₄ )分子中的碳氢键断裂,氧分子中的氧氧键断裂,然后碳与氧
结合形成二氧化碳分子中的碳氧双键,氢与氧结合形成水分子中的
氢氧键。化学键断裂需要吸收能量,而新化学键形成会释放能量,
在燃烧过程中释放的能量远大于吸收的能量,从而产生大量的热。
② 燃烧的特征
发光:燃烧过程中会发出可见光。这是因为反应过程中产生了
高温,使部分物质被激发到高能态,当这些物质跃迁回低能态时就
会发射出光子,从而产生光。例如,氢气在氯气中燃烧会发出苍白
色火焰,这是由于反应产生的氯化氢分子在高温下发光。不同的可
燃物和燃烧条件会导致发光的颜色和强度有所不同。
发热:如前面所述,由于燃烧是氧化还原反应且释放能量大于
吸收能量,所以会产生大量的热。这些热量可以使周围环境温度升
高,可用于加热、取暖等用途。例如,在锅炉中燃烧煤炭,产生的
热量用于将水加热成蒸汽,进而驱动汽轮机发电。
火焰:火焰是燃烧的一个典型特征。它是可燃气体或蒸气在燃
烧时形成的发光、发热的区域。火焰的形状、颜色和大小取决于可
燃物的种类、燃烧条件等因素。例如,乙炔在氧气中燃烧时火焰明
亮且温度极高,可用于金属切割;而乙醇燃烧的火焰相对较柔和。
火焰由内焰、外焰等不同部分组成,内焰温度相对较低,外焰温度
较高,因为外焰与氧气接触更充分,燃烧更完全。
( 2 )燃烧三要素及其相互关系
① 燃烧三要素
A. 可燃物: 定义:凡是能与空气中的氧或其他氧化剂起燃烧反应的
物质。其种类繁多,包括固体、液体和气体。固体可燃物如木材,
其主要成分是纤维素等有机化合物,这些化合物含有碳、氢、氧等
元素,在适当条件下能够与氧气发生剧烈反应。液体可燃物如汽油,
是多种碳氢化合物的混合物,具有较强的挥发性,其挥发出来的蒸
气能够与空气形成可燃混合气。气体可燃物如氢气,具有易燃性和
高能量密度的特点,在氧气中燃烧时反应极为剧烈。 特性 :不同的
可燃物具有不同的燃烧特性,例如闪点、燃点和自燃点等。闪点是
指可燃液体表面挥发出的蒸气与空气形成的混合物遇火源能够闪燃
的 最 低温度,它反 映 了液体的易燃程度。燃点 则 是指可燃物 开始持
续 燃烧所需的 最 低温度,一 般 高于闪点。自燃点是指可燃物在 没 有
外部火源的 情况 下自 行 燃烧的 最 低温度,一些物质如白 磷 ,自燃点
较低,在空气中 容 易自燃。
B. 助 燃物:
主要 助 燃物: 最 常见的 助 燃物是氧气,在空气中 约占 21% 的体
积 分 数 。氧气具有 很 强的氧化性,能够与可燃物发生氧化还原反
应, 支持 燃烧过程。例如,在 蜡烛 燃烧过程中, 蜡烛 中的 烃 类物质
与空气中的氧气反应,生成二氧化碳和水, 并 释放出大量的能量。
其他 助 燃物: 除 了氧气外,一些其他物质在特定条件下 也 可 作
为 助 燃物。例如, 氟 气是一种 比 氧气更强的氧化剂,能与 许 多物质
发生剧烈反应 并支持 燃烧;在 某 些金属燃烧反应中,如 镁 在二氧化
碳中燃烧,二氧化碳充当了 助 燃物, 镁 与二氧化碳发生 置换 反应,
生成氧化 镁 和碳,同时释放出大量的热。
C. 引 火源:
类型: 引 火源是使可燃物和 助 燃物发生燃烧反应的能量来源,
包括明火、高温物体、电火 花 、 静 电火 花 等。明火如 打 火机火焰、
蜡烛 火焰等, 直 接 提供 了 足 够的能量来 引 发燃烧反应。高温物体如
炽 热的 铁块 、加热的电 阻丝 等,当可燃物接触到这些高温物体时,
可能会被加热到其燃点以上从而 引 发燃烧。电火 花 是在电气 设备工
作 过程中或电 路短路 、断 路 时产生的,其能量 足 以使可燃混合气发
生电 离并引 发燃烧反应。 静 电火 花则 是由于物体 之间 的 摩擦 、分 离
等过程产生 静 电 积累 ,当 静 电电 压达 到一定程度时发生放电 现象 ,
产生的火 花 可能 引 发燃烧,例如在加油 站 ,由于油 品 的 流 动和 罐装
过程 容 易产生 静 电,如 果静 电不能及时导 除 ,就可能 引 发汽油蒸气
的燃烧。
能量要 求 : 不同的可燃物和燃烧条件对 引 火源的能量要 求 不
同。一些易燃物质如氢气、乙炔等,对 引 火源的能量要 求 较低, 很
容 易被点燃;而一些较 难 燃烧的物质 则 需要较高能量的 引 火源 才 能
引 发燃烧反应。
② 三要素相互关系
A. 相互 依存 :燃烧的三要素 缺 一不可, 只 有当可燃物、 助 燃物和 引
火源同时 存 在 并 且 达 到一定的条件时,燃烧 才 能发生。例如,在一
个充 满氮 气( 无 氧气 作 为 助 燃物)的环境中, 即 使有可燃物和 引 火
源,燃烧 也 不会发生;同 样 ,如 果没 有可燃物, 仅 有氧气和 引 火源,
也 不可能产生燃烧 现象 ;而 没 有 引 火源,可燃物和 助 燃物 则 会 处 于
相对 稳 定的状态,不会自 行 发生燃烧反应。
B. 相互 作 用 :可燃物与 助 燃物 之间 的化学反应是燃烧的核心过程,
而 引 火源 则 是 启 动这个化学反应的触发条件。一 旦 燃烧 开始 ,可燃
物的燃烧反应会释放出热量,这些热量 又 可能维 持 燃烧过程 并 使周
围的可燃物 达 到燃点,从而使燃烧 持续 进 行 下去。例如,在火 灾 中,
一部分可燃物燃烧产生的热量会使 附近 的其他可燃物 受 热分 解并 释
放出可燃气体,这些可燃气体与空气混合后 又 会在 引 火源(如火焰
蔓延 )的 作 用下 继续 燃烧,导致火 势扩 大。同时, 助 燃物的 浓 度 也
会 影响 燃烧的强度和 速 度,在氧气充 足 的 情况 下,可燃物的燃烧会
更加剧烈;反 之 ,氧气不 足 时,燃烧可能会变得 缓慢甚至熄灭 。
二、燃烧反应类型
( 1 )闪燃 现象 与原 理
① 闪燃 现象
A. 直 观 呈现 :闪燃在 实际场景 中 十 分明 显 ,如在 存 放油 漆 、 松香 水
等易燃液体的 仓库 , 若管理 不 善 有 少 量液体 泄漏并 挥发,当有 人持
打 火机 靠近 时, 瞬间 会出 现短暂 的火焰闪 烁 ,如同 夜 空中的 流星划
过,随 即熄灭 。
B. 特征 剖析 :其发生 速 度 之快 , 往往 在 人尚未 完全反应过来时就 已
结 束 , 持续 时 长 多在 1 - 3 秒 内。产生的火焰亮度相对较低且火焰高
度有 限 ,不过这看 似 微 弱 的闪燃 却犹 如 预警 的 号 角, 提示 着周围 存
在易燃蒸气与火源接触的 危险 状 况 , 若 不及时 处理 ,极有可能 引 发
严重 火 灾 。
② 闪燃原 理
A. 蒸气产生机 制 :液体的蒸气 压 特性是关键因素。以常见的乙醇为
例,随着环境温度升高,乙醇分子 获 得更多能量, 运 动加剧,更易
挣脱 液体表面的 束缚 进 入 气相空 间 。同时,液体表面 积越 大,在相
同条件下挥发的分子 数 量 越 多,形成的蒸气量 也越 大。当这些蒸气
在一定空 间 内与空气混合 并达 到特定 比 例 范 围时,就 构 成了闪燃的
物质基础。
B. 火源触发本质 :火源就 像 是一 把开启 闪燃反应的 钥匙 。当火源的
能量 传递给 可燃混合气时,混合气中的分子被激 活 , 开始 发生氧化
还原反应。 但 由于 此 时可燃蒸气的 浓 度可能 处 于 临界 状态, 比 如汽
油蒸气在空气中的 浓 度接 近 其下 限但未达 到 稳 定燃烧所需的充 足 程
度,或 者 环境通 风 等因素 限制 了火焰 传播 所需的氧气 供 应和热量 传
递 ,使得燃烧反应 只 能 短暂 进 行 , 呈现 出一闪 即灭 的闪燃 现象 。
( 2 )着火过程及条件
① 着火过程
A. 受 热 阶段 :可燃物在外 界 热源 作 用下 开始 吸收热量,温度 逐渐 升
高。例如,一 块 木材 靠近 火源时,火焰的热 辐 射以及热对 流 会使木
材表面的分子 开始获 得能量,分子 运 动加剧,木材内部的温度 也慢
慢 上升。在这个过程中,可能会伴随一些物 理 变化,如水分蒸发等。
随着温度进一 步 升高,木材中的一些不 稳 定成分可能 开始 发生 初步
的分 解 反应,产生 少 量可燃气体, 但此 时还 未达 到着火点,不会发
生燃烧反应。
热分 解阶段 :当温度升高到一定程度,可燃物内部的化学键 开始 断
裂,发生热分 解 反应,生成更多的可燃气体和一些固态或液态的中
间 产物。以煤炭为例,在 受 热后,其中的 复杂 有机化合物 逐渐 分 解 ,
释放出甲烷、一氧化碳等可燃气体,以及一些 焦 油类物质。这个 阶
段 会 持续 一 段 时 间 ,随着热分 解 的进 行 ,可燃气体的 浓 度 逐渐增 加,
周围环境中的氧气 也开始 与这些可燃气体进 行 一定程度的混合和反
应, 但 反应 速 度较 慢 ,还 未 形成大 规模 的燃烧火焰。
B. 着火 阶段 :当可燃气体与氧气的混合 浓 度 达 到一定 比 例,且温度
达 到或 超 过可燃物的着火点时,燃烧反应 迅速 加剧,火焰 开始 形成
并稳 定燃烧。例如,对于 天 然气(主要成分是甲烷),在空气中的
体 积浓 度 达 到 约 5% - 15% 之间 ,且遇到火源或温度 达 到 约 537 ℃
(甲烷的着火点)时,就会发生着火 现象 ,从 局 部的小 范 围反应 迅
速扩展 为 整 个混合气的剧烈燃烧,火焰 持续存 在 并 释放出大量的光
和热。
② 着火条件
A. 可燃物自 身 特性 :不同的可燃物具有不同的着火点和热 稳 定性等
特性。 比 如,白 磷 的着火点 很 低, 约 为 40 ℃ ,在常温下 只 要 稍 微 摩
擦 或 受 热就 容 易着火;而 红磷 的着火点 则 相对较高, 约 为 240 ℃ 。
一些高分子材 料 ,如 聚 乙 烯 ,在高温下会发生 软 化、分 解 等变化,
其着火过程和条件 也 与 简单 的小分子可燃物有所不同,它的分 解 产
物较为 复杂 ,且着火点会 受 到材 料 的分子结 构 、结 晶 度等因素 影响 。
外部环境因素:
B. 温度 : 足 够高的温度是着火的关键因素 之 一。环境温度 越 高,可
燃物 达 到着火点所需的时 间越短 。例如,在 炎 热的 夏季 ,一些易燃
物在 户 外环境中更 容 易发生着火 事故 ,因为高温环境为其 提供 了更