木头和煤炭烧完有灰烬,汽油连灰都没有,质量守恒呢,都去哪了?
人类最伟大的成就是发现并学会了用火,从远古人用自然界的火种煮熟食物,驱赶野兽,到现代社会用火驱动汽车与飞机,甚至飞向宇宙的火箭仍然在用火!
尽管火那么普遍使用,但吃瓜群众却有一个挥之不去的问题,火是一种神奇的现象,煤炭用火烧过之后就剩下了一丢丢物质,木头烧完之后的灰烬一阵风就消失了,而汽油居然连灰烬都没有,说好的质量守恒呢?那些物质都去哪了?
从燃素说到氧化反应
17世纪的炼金术士们也很想知道这神奇的燃烧到底是怎么回事,而此时正是一个从炼金术向化学科学转变的年代,当时的炼金术界大佬们都很认同德国医生贝歇尔提出燃素说,燃烧就是易燃元素放出了燃素!确实这非常有道理,因为当时能找到的物质,燃烧后质量都变轻了,甚至有的消失不见,真的好有道理,居然无言以对!
到了十八世纪,有一位不信邪的法国著名化学家拉瓦锡,没错那会已经从炼金术发展到了化学!他在1784年重做波义尔的金属燃烧实验时发现,燃烧后的金属化合物比原来的还要重,这让燃素说支持者有点慌,甚至还搬出了金属燃烧反应中带有负质量的说法!
当然拉瓦锡后来以无可辩驳的事实证明了大部分燃烧都是氧化过程,而且我们呼吸也是一个氧化过程,当然也不是所有的燃烧都是氧化,比如镁就可以在氮气中燃烧,当然这是一个比较广义的燃烧。
另外俄国科学家罗蒙索夫在1756年的实验中发现了质量守恒定律,孤立系统中的任何化学反应和低能量热力学过程期间,反应物或起始材料的总质量必须等于产物的质量
这是维基中的质量守恒定义,比较严谨“孤立系统中的任何化学反应和低能量热力学过程期间”中,低能量很关键,下文中会做个简单说明。
木头、煤炭和汽油,燃烧后都去哪了?
现在我们知道了大部分燃烧都是一个氧化过程,那么要回答燃烧后去哪的问题前,我们必须要来了解下这些物质的成分!
木头的成分:主要是纤维素、半纤维素和木质素以及水分和少量的矿物盐
煤炭:主要是碳以及少量的氧、氮与硫以及微量的磷、氟、氯和砷等元素
汽油:主要是C5~C12脂肪烃和环烷烃类,以及一定量芳香烃和硫化物。
木头的纤维素以及半纤维素和木质素的组成都是碳(44%)氢(6%)氧(42.5%)氮(0.5%以下)矿物质(1%以下)。燃烧受热时会产生裂解反应,在不同温度下产生的产物有所差别:
200℃主要生成形式是二氧化碳和水蒸气以及甲酸乙酸以及各种易燃气体,在200~280℃产生少量水汽及一氧化碳,在280~500℃,产生可燃蒸气及颗粒;在500℃以上则主要是碳。
完全燃烧时大部分都是二氧化碳和水蒸气,不完全燃烧时会产生一氧化碳,所以冬季千万不可以在家里生炉子,产生的一氧化碳会比氧更溶液和血液中的红血球几何,导致一氧化碳中毒!这些二氧化碳与水蒸气等都随风飘走了,剩下的就是各种无法燃烧的矿物质组成的灰分。
木材中的灰分比例大都不超过1%,草木灰分比稍高大约2%左右!一吨木材燃烧大约只留下10千克灰分,还有部分飞灰在燃烧过程中随风飘走了!
煤炭的燃烧过程煤炭的燃烧过程比较复杂,但可以简单的为几个阶段:
水分蒸发阶段:煤炭在加热过程中会首先蒸发水分挥发物燃烧阶段:继续加热的煤炭会析出挥发物,包括氮、氢、甲烷、一氧化碳、二氧化碳和硫化氢等气体,另外还有一些复杂的有机化合物。焦炭燃烧阶段:煤炭中的挥发物烧完,剩下的就是物质就是焦炭,煤炭燃烧的主要热量就是在这个阶段释放。这个反应过程大致如下:
挥发份+O2 →CO2+H2O C+O2→CO2 S+O2→SOX(SO2)
完全燃烧反应 N+O2→NOX
挥发份 → CMHN C → CO 不完全燃烧反应 N → NH3
所以二氧化碳、水蒸气以及硫化物和氮氧化物与氮氢化合物等,还有煤炭中无法燃烧或者燃烧后形成的固形物就是煤灰,包括硅、铝、铁、钛、钙、镁、硫、钾、钠等元素的氧化物与盐类,因此煤灰也是可以利用的资源,比如用作用作水泥、砂浆、混凝土的掺合料,也可以生产石膏与陶瓷颗粒以及农业与环保用途。
按灰分比例区分煤炭质量
灰分并不是煤炭质量的唯一标准,但它是非常重要的指标,因为煤灰分与煤的发热量密切相关,煤产品的灰分直接影响煤得利用效率,品质优良的灰分比例在5%以下!这些灰分就是最后跑不掉会留在炉膛里的煤灰。
汽油燃烧过程汽油成分是己烷和辛烷,己烷的分子式是C6H14,辛烷的分子式是C₈H₁₈,完全燃烧时:
己烷燃烧:2C6H14+19O2=12CO2+14H20
辛烷燃烧:2C₈H₁₈+25O₂---点燃-->16CO₂+18H₂O
理论上只有二氧化碳和水,完全没有污染,但很抱歉,在内燃机的燃烧室中高温高压以及恶劣的燃烧环境,会产生一氧化碳CO、碳氢化合物HC以及氮气和氧气结合形成氮氧化物NOx,而其中的硫等成分则会形成硫化物
所以污染就是这么来的,当然气缸内燃烧还有未燃烧的碳微粒形成积碳,而乙醇汽油则会形成乙酸腐蚀铜和铝等金属,还对机油有影响,不过乙醇汽油中都会加入腐蚀抑制剂防止腐蚀金属。
离子推进与核裂变和核聚变
液氢和液氧的火箭大家应该都很清楚了,这燃烧反应就生成水,液氧煤油也容易理解,至少它的燃烧原理和煤油灯也差不多,但有一种常见的有毒火箭燃料,比如偏二甲肼和四氧化二氮可能大家就有些不了解,它的反应过程如下:
C2H8N2 + 2N2O4=2CO2 + 4H2O + 3N2
这是一个化学反应过程,现在仍然有很多火箭在使用这种燃料,它的特征是会有红黄色的烟雾!
龙飞船的逃逸火箭用的也是肼类燃料
另外现在深空发动机中的离子推进这些就不属于化学燃烧的火箭了,这些将推进剂加速到质子和电子分离的电离状态,然后将电子和质子分别经过不同的途径加速排出发动机,使得火箭获得前进的动力,这种模式获得尾流速度极高,因此可以用很少的燃料工作很久,使得火箭的比冲大大提高,也增加了火箭的燃料利用率!
核裂变是利用重原子核比如铀-235被中子轰击裂变,产生质量亏损获得巨大能量,此处的能量来源就必须要考虑质能方程来计算了,因为产生的巨大的能量,和上文中的“低能量热力学过程”无法同日而语了!尽管化学反应也产生了能量,但由于能量太小,产生的质量差异可以忽略!
重核裂变
比如1吨TNT爆炸时的质量亏损大约为0.04655毫克,基本上就可以忽略!按比例来算,化学反应中的质量亏损大概只有十亿分之一到一千亿十分之一左右。
最后还有一个所谓的氢燃烧,天文学家形容主序星阶段就是氢燃烧阶段,但这个过程并不是燃烧,而是氢的核聚变过程,和重核裂变相反,聚变是两个轻原子核聚变成重原子核的过程,这个过程同样会释放巨大的能量,而太阳的能量正来自于此!
烧煤的时候投入大量多煤块,最后只剩下了煤渣, 氢、氧、碳是构成煤炭有机质的主体,含量超过95%。
在化学课上我们也学过化学方程式,在方程式的两端物质质量是相等的。煤燃烧的本质是氧化反应,也就是化学反应,这个过程中有化学键的断开和重建,没有原子核的分裂聚合。所以消失的9斤煤,肯定不是变换成了能量,而是转移到另一种物质,以另外一种形式的物质存在。
还记得能量守恒定律吗?能量不会无缘无故产生和消失,它只能从一个物体转移到另一个物体或者从一种形式转化为另一种形式,在转化或转移过程中总量是保持不变。这就说明了物质不会消失。
煤的主要成分为碳,还包含氢、氧、氮和硫等元素。
煤的燃烧,本质上就是煤炭中的有机物与空气中的氧气发生了氧化还原反应。反应过程中,碳会与氧气结合形成二氧化碳,氢会与氧气结合成水蒸气,氮会与氧气结合成气态的氮氧化物,硫会与氧气结合成气态的二氧化硫。
这就说明了煤炭燃烧大部分会形成气体,从而才剩下一斤灰,剩下的“灰”是煤炭完全燃烧后剩下的固体残渣,主要是来自煤炭中不可燃烧的矿物质。所以煤碳燃烧是守恒的,反应物等于最终产生的灰和气体的质量之和。
根据爱因斯坦的质能方程,E=mc^2,反应后质量总和其实会变小。
煤炭在燃烧过程中,会产生大量的能量。只要有能量的产生,必然会有质量的损失,因为能量和质量是等价的,只是这种能量都是化学能,释放的其实并不多。
质能方程中的光速平方是一个数值极大的转换因子,这会使得质量变化极小,小到可以忽略不计,所以大致上还是守恒的。
煤里边除开一些不能燃烧的要素和一些易燃杂质,绝大多数可燃烧物全是碳(C),碳中燃烧后形成二氧化碳(CO2),二氧化碳在常温下以上是一种汽体,在燃烧造成的热对流功效下快速挥散掉了,只剩余不能燃烧的杂质和一些固态金属氧化物。遗失的品质便是燃烧掉的碳(C),而这些化生成二氧化碳挥散掉的碳的总品质恰好就相当于燃烧后损害的品质。
(这里假定为梦想情况:碳(C)为煤里边唯一的易燃物)但是题型上说10斤煤只烧剩余1斤渣我认为有点儿浮夸,儿时我姥姥家中坚持不懈燃煤,烧剩余的炉渣我感觉没比烧以前轻是多少毫无疑问并没有1/10那麼浮夸。但是假如烧的是纸,那么就比这浮夸了,10斤纸毫无疑问剩下不来1斤渣要掌握煤缺少的品质去哪里了,
大家务必来知晓下煤碳的成份:煤是古时的绿植因地质环境变化规模性掩埋于地底通过一系列细胞生物学和物态变化产生黑色固体易燃性化学物质!煤的主要成分是碳,别的也有氢及其氧、氮与硫等,此外也有少量的磷、氟、氯和砷等原素,碳、氢、氧是煤碳中的主要成分,占95%以上!煤焦化水平越高,碳的占比也越高,煤碳的产品质量也就越好!
图中是一份煤碳的工业生产指标值分析表,具体表现的是其热值及其灰份与水份等燃烧有关的指标值,别的成份并没主要表现,煤碳在燃烧全过程中,理论上绝大多数化学物质都能够变换为汽体,例如碳燃烧成二氧化碳,氮变为二氧化氮或是别的氮氧化合物,硫则变成二氧化硫!但这仅仅理论上的反映方法罢了,而煤碳中依然存有很多的其它成份,例如矿物,或是煤矸石砖与土壤等,这种全是煤碳灰份的主要成分!一般环保锅炉都是会有一个灰渣与烟气脱硫解决,不然这一对空气的污染源是十分明显的,京津冀撤销不环保燃煤锅炉降低环境污染的现行政策毫无疑问对改进环境质量有很大的协助!
消失的这些质量都随着燃烧完的煤的气体随着空气飘散了。在老年的时候煤就是每家每户到了冬天取暖必不可少的东西,煤的燃烧其实就是一种化学反应,煤里边的主要就是碳,这也是它们为什么那么黑的原因,氢会与氧气结合成水蒸气,氮会与氧气结合成气态的氮氧化物,硫会与氧气结合成气态的二氧化硫。
但事实上,参与反应的煤和氧气的质量总和等于最终产生的灰烬和气体的质量总和。反应前后,原子种类没有增加或减少,总质量保持不变。只是因为在产生大量气体后,固体的质量会降低。然而,在严格意义上,反应后的总质量实际上会减少,因为真正保守的是总质量和总能量。根据爱因斯坦的质量-能量方程:e = MC 2,能量和质量本质上是相等的。
煤是一种可以燃烧掉的黑色或有点类似于黑色的沉积岩,通常出现在称为煤层或煤层的岩层或矿脉中。由于后来暴露在高温高压下,较硬的煤可以被认为是变质岩,如无烟煤。煤主要由碳和不同量的其他元素组成,主要是氢、硫、氧和氮。
煤在燃烧过程中产生大量能量。只要伴随着能量的产生,就不可避免地会有质量损失,只有这种能量是化学能,能量释放不多,质量-能量方程中光速的平方是一个数字转换因子,这使得质量变化极小,小到可以忽略不计,在化学变化中可以认为是保守的。
纳迪亚游戏中的混凝土属于合成道具,混凝土中含煤炭灰。在酒吧后院用打火机点烤肉炉子,得到煤炭灰。
具体合成方法如下:
混凝土:石护符+煤炭灰+白沙+白云石
下面给出所需物品的具体位置:
以上便是纳迪亚之宝混凝土材料的获取地点了,玩家们前往上图标注的地点便能获取到合成混凝土所需的材料了。
【灰分】煤的灰分,是指煤完全燃烧后剩下的残渣。因为这个残渣是煤中可燃物完全燃烧,煤中矿物质(除水分外所有的无机质)在煤完全燃烧过程中经过一系列分解、化合反应后的产物,所以确切地说,灰分应称为灰分产率。
【内灰】:内在矿物质,又分为原生矿物质和次生矿物质。
原生矿物质,是成煤植物本身所含的矿物质,其含量一般不超过1~2%;次生矿物质,是成煤过程中泥炭沼泽液中的矿物质与成煤植物遗体混在一起成煤而留在煤中的。次生矿物质的含量一般也不高,但变化较大。
内在矿物质所形成的灰分叫内在灰分,内在灰分只能用化学的方法才能将其从煤中分离出去。
【外灰】:外来矿物质,是在采煤和运输过程中混入煤中的顶、底板和夹石层的矸石。外在矿物质形成的灰分叫外在灰分,外在灰分可用洗选的方法将其从煤中分离出去。
扩展资料:
煤灰灰分对工业利用的影响:
煤中灰分是煤炭计价指标之一。在灰分计价中,灰分是计价的基础指标;在发热量计加重,灰分是计价的辅助指标。
灰分是煤中的有害物质,同样影响煤的使用、运输和储存。
煤用作动力燃料时,灰分增加,煤中可燃物质含量相对减少。矿物质燃烧灰化时要吸收热量,大量排渣要带走热量,因而降低了煤的发热量,影响了锅炉操作(如易结渣、熄火),加剧了设备磨损,增加排渣量。煤用于炼焦时,灰分增加,焦炭灰分也随之增加,从而降低了高炉的利用系数。
还必须指出的是,煤中灰分增加,增加了无效运输,加剧了我国铁路运输的紧张。
参考资料来源:百度百科_煤的工业分析
国能长源随州发电有限公司拟在随州市西南部徐家河水库西边大凹场址建设一座灰场,主要建设内容包括:灰场占地面积约13.1×104m2,最大堆灰高度12m,堆灰顶标高102m,可堆灰容积约58×104m3,满足随州电2×660MW机组堆灰渣约1年。