世界上最快的化学反应（最简单的现象产生了世界上最复杂的化学反应）

火的使用促进了人类文明的发展

人们对“火”非常熟悉，考古学家推测，人类早在大约100万年以前就开始用火了，火的应用在人类文明发展史上具有极其重要的意义。火也给人们的生产和生活带来了极大的便利，如抽烟的时候用打火机就能产生火，做饭的时候煤气灶也能产生火，人们通过燃烧煤炭来发电等等。

火的滥用给人类带来了灾难后果

人们常说“水火无情”，火的滥用给人们带来了巨大的损失和灾难性能后果。

图1. 2017年24层Grenfell Tower公寓楼发生火灾。

2017年6月14日，伦敦北肯辛顿(North Kensington)兰卡斯特西区(Lancaster West Estate)一栋名为格伦费尔(Grenfell Tower)的24层公寓楼发生了火灾，导致72人死亡，另有70多人受伤。这是自第二次世界大战以来英国最严重的住宅火灾，英国首相特蕾莎梅表示：这是一场“史无前例的”大火，并下令对火灾展开全面公开调查。

图2. 2019年拥有850多年历史的巴黎圣母院发生火灾，冒出滚滚黄烟。

法国巴黎圣母院是一座历史悠久的大教堂，2019年4月15日下午6点50分左右巴黎圣母院发生火灾，着火部位位于圣母院顶部塔楼，大火迅速将圣母院塔楼的尖顶吞噬，很快这座拥有850多年历史的建筑被付之一炬。圣母院着火时冒出了滚滚黄烟，这是由于屋顶数百吨铅融化造成的，事后巴黎警方要求周围居民清理一下自家房屋，以免铅中毒。直到9月，《纽约时报》的一项调查显示，圣母院周围的尘埃浓度依然超标1300倍，范围涵盖了巴黎市中心的大部分地区。

图3. 2019年美国加利福尼亚州大火。

2019年10月，美国加利福尼亚州发生大火，加州58个县，有43个县发生大面积火灾，18万居民紧急撤离。2019年，美国共发生50,477场野火，过火面积超过18,600平方公里，虽然这已经是近五年来的最低水平，但2019年灭火费用依然高达30亿美元。

法拉第跨界科普蜡烛的燃烧

人们对火、燃烧已经习以为常了，但是真正从科学的角度来解释什么是火，为什么会发生燃烧以及怎么燃烧仍然知之甚少，虽然人类为之探索了数百年。

第一位从科学角度阐述燃烧的科学家是迈克尔·法拉第（Michael Faraday），没错，就是那位“电学之父”。他在170年前为青少年作了名为《蜡烛的化学史》的科普讲座，其间就提到燃烧发生的必要条件就是燃料、空气和引火源。在蜡烛燃烧过程中，蜡烛顶端会形成一个杯状凹形区域，随着空气进入蜡烛周围，空气会被蜡烛产生的热流向上推，蜡烛的各个侧面都在空气的包围中被冷却，边缘部分比中心更冷，离火焰较近的蜡烛就会熔化。如果我们只让气流从一个方向流动，那么蜡烛形成的凹形杯子就会倾向一方，而液态的蜡烛油就会溢出来。如果蜡烛不能形成这种杯状凹形区域的话，就很难燃烧。

最简单的碳氢化合物燃烧产生了最复杂的化学反应

图4. 燃烧的复杂性。

经过170多年的探索，人们对燃烧的认识更近了一步。人们发现蜡烛的燃烧为扩散火焰，蜡烛被加热后由固态变为液态，再汽化生成可燃的石蜡蒸气，燃烧仅发生在燃料与空气之间的界面处，该区域称为反应区，深度约为200μm，火焰内部是完全无氧的环境。

蜡烛火焰可以分为三层：外焰、内焰、焰心，焰心主要为蜡烛蒸气，温度最低；内焰燃烧不充分，温度比焰心高，会生成部分碳粒；外焰与空气充分接触，火焰最明亮，燃烧充分，温度也最高。

意大利帕尔马大学副教授Ludovico Cademartiri认为燃烧是一个非常复杂的化学反应过程，以最简单的碳氢化合物甲烷和氧气的燃烧为例，根据温度的不同，它们的反应速度会有数百种之多，当以不同速率发生燃烧反应时，会产生数百种中间产物和副产物，温度在整个火焰区域的差别非常巨大，除了气态产物，燃烧还会产生固态的烟灰。也就是说，仅仅甲烷和氧气这两种物质就能产生数百种不同的反应，而每种反应都能生成数百种气态和固态中间产物或者副产物，这还不包括燃烧中人们未知的产物。

烟雾成分异常复杂

加州理工学院克里斯塔尔·巴斯克斯（Krystal Vasquez）博士参与了一项加州大火烟雾采样及化学组成的研究，该研究由NASA、美国国家海洋与大气管理局（NOAA）与40多个合作机构共同发起。他们将飞行时间电离质谱仪固定在飞机上进行实时采样，发现燃烧生产的烟雾中有气溶胶、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物、呋喃类化合物以及异氰酸，还有众多无法确定的有机化合物，其中异氰酸在NOx中的占比高达30％，虽然了解了烟雾的部分化学组成，但是这些化合物是如何形成的还是个未知之谜。

巴斯克斯还认为野火产生的这些化合物在很大程度上取决于火的特性和相对湿度，也就是说哪些物质着火了，着火时的空气流通情况对烟雾的成分影响显著，甚至是灭火时消防员采用了哪种灭火剂都会影响烟雾的组成。

只能出现在漫画世界中的电场灭火

人们之所以会研究火以及燃烧，还是为了更好的加以利用，以及发生火灾时更及时的灭火。美国哈佛大学的卡德马蒂里（Cademartiri）与乔治·怀特塞德斯（George Whitesides）实验室和美国国防高级研究计划局（US Defence Advanced Research Projects Agency）一起开展了阻燃的研究工作，共同研究在不加入阻燃剂的情况下如何灭火。他们发现碳氢化合物燃烧过程中会产生离子和电子等离子体，这些等离子体同时也成为火焰的一部分，于是他们建立了一个振荡的、高强度电场，在人为制造的封闭空间内这一方法可以扑灭大约一米高的火焰。但是在现实世界中，这种方法需要的电场强度过高而难以实现，以至于现有技术只能扑灭几厘米高的火焰。

虽然这种方法在现实世界无法实现，但是却受到DC漫画公司的青睐，公司旗下的超级女英雄拉娜·蓝（Lana Lang）正是采用这种方法扑灭了大火，击败了大反派莱克斯·卢瑟（Lex Luthor）。

卡德马蒂里的研究小组还在尝试利用声波来切断空气进入火焰反应区，他们发现55-60Hz之间的低频声波效果较好，强度大约130分贝。但是用这种方法来灭野火依然任重而道远。

小结

火在人们生活中必不可少，给人们带来便利的同时，如果不能很好的控制，也会给人类带来严重的灾难。从170年前，电学之父法拉第给人们科普蜡烛燃烧开始，科学家就一直在探索火及燃烧现象。人们发现蜡烛的燃烧区域深度约为200μm，火焰内部是完全无氧的环境。甲烷和氧气的燃烧根据温度的不同，反应速度会有数百种之多，当以不同速率发生燃烧反应时，会产生数百种中间产物和副产物。烟雾的化学成分在很大程度上取决于火的特性和相对湿度，其中有气溶胶、氮氧化物（NOx）、碳氢化合物、呋喃类化合物以及异氰酸，异氰酸在NOx中的占比高达30％，还有众多无法确定的有机化合物。高强度震荡电场虽然可以消灭封闭环境中的火灾，但是在现实世界中仍然力不从心，声波灭火距离实际应用也有漫长的路要走。

作者简介

Kit Chapman，知名科学记者，出生于英国，布拉德福德大学药剂学硕士，桑德兰大学科学历史和哲学在读博士。曾是《Chemistry World》编辑，在《Nature》、《New Scientist》、《The Daily Telegraph》、《Chemist Druggist》和《BBC Science Focus》等杂志发表多篇文章上。

原文链接：

chemistryworld/features/the-complex-chemistry-of-fire/4012100.article

来源：高分子科学前沿

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