#张嘉元[超话]# #张嘉元一生浪漫久远平安#
我们嘉元要十九岁生日啦！！！
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#为啥铝粉能燃烧而铝箔不能#
铝箔可以在氧气中燃烧，却不能在空气中燃烧，为什么？
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。
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。其他也有否定这一点的，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。

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