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第二章消防燃烧学基础四川警察学院治安系主要内容：第一节燃烧的本质第二节链锁反应理论第三节燃烧的条件第四节燃烧分类第五节燃烧产物及火灾的分类第六节热传播（火灾蔓延）的途径第一节燃烧的本质一、燃烧的本质1.燃烧众所周知，燃烧俗称“火”。“火”又是与燃烧分不开的。凡是看到火，必有一种东西在燃烧，否则就不会有火。人们在日常生活中司空见惯的热、光、烟等都是燃烧的一些可以直观感觉到的表面现象，那么什么是燃烧呢？燃烧是指可燃物与氧化剂作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或者）发烟现象。(1)光：燃烧区域的温度较高，使其中高热的固体粒子和某些不稳定（或受激发）的中间分子内电子发生能级跃迁，从而发出各种波长的光；(2)火焰：发光的气相燃烧区域就是火焰，它的存在是燃烧过程中最明显的标志；(3)烟：由于燃烧不完全等原因，会使产物中混有一些微小颗粒，这样就形成了烟。2、燃烧学说在古代，人们对火有各种认识。例如，我国五行说中的“金、木、水、火、土”，古希腊四元说中的“水、土、火、气，古印度四大说中的“地、水、火、风”，都有“火”。在古人看来，火是万物之源。由于科学技术条件和生产力水平的限制，那时人们不可能揭示火的本质。随着科学的发展，火在生产和生活中的应用日益广泛，就迫使人们想要弄清火的本质。于是，许多人开始对燃烧现象进行观察研究，因而也产生了种种对燃烧现象的解释，其中有代表性的有三种：(一)燃素说这是17世纪到18世纪，在欧洲影响最大、流传最广的一种解释燃烧现象的学说。该学说认为：(1)火是由无数细小而活泼的微粒构成的物质实体，由这种火微粒构成的元素就是燃素；(2)所有可燃物都含有燃素，并且在燃烧时将燃素释放出来，变为灰烬，不含燃素的物质不能燃烧；(3)物质在燃烧时之所以需要空气，是因为空气能吸收燃素。燃素说在欧洲流行了一个世纪，曾解释过许多化学现象。但是，它的建立不是以科学为基础的，因而不能解释全部的燃烧现象，也必定经不起实践的检验。许多人也曾对它提出怀疑，但较长时间没有解开这个谜。(二)燃烧氧学说1774年英国化学家普利斯特丽，在实验室制得了氧。后来法国化学家拉瓦锡在普利斯特丽发现氧的基础上又作大量的科学试验，并对所有实验结果进行综合分析和归纳，推翻了当时流行已久的燃素学说，提出了关于火的氧化理论——燃烧氧学说，并于1777年公布于世。该学说认为：燃烧是可燃物与氧的化合反应，同时发光、放热。燃烧氧学说的建立，使燃烧这一自然界之谜才真正被人们所认识。但是，燃烧氧学说仅能解释燃烧是可燃物与氧的化合反应，但这一反应是如何进行的，要经过哪些步骤，受哪些因素的影响等等，还未能给予解答。(三)链锁反应理论在本世纪二十年代，由于化学动力学的发展，自由基(链)反应理论问世。这一理论无疑对燃烧学是一个很大推动。许多从事燃烧研究的科学家对这一理论非常感兴趣，他们把链反应理论应用于研究燃烧动力学。二十世纪三十年代，前苏联科学家谢苗诺夫等人创建了燃烧反应动力学的链锁反应理论，这就解决了燃烧的历史问题，使人们对燃烧的本质有了更深刻的认识。随着科学的发展，对燃烧的认识还将不断完善和深化，从而必将促进消防科学的飞速发展。3.燃烧的本质那么，什么是燃烧的本质呢？人类对火的认识，已经有几十万年的历史了。从钻木取火，到后来发现热可以从各种能量转换，是经亿万人的长期用火实践和大量的科学实验证明，燃烧的本质表现在：(1)燃烧是一种化学反应;(2)燃烧必须有放热、发光现象.(1)燃烧是一种化学反应那么，什么是化学反应？即“有新物质生成的反应”。例如：铁在潮湿的空气中生锈是一种化学反应：4Fe+3O2→2Fe2O3（铁在潮湿的空气中生锈）。为什么说燃烧是化学反应？因为可燃物质在燃烧过程中变成了与原来性质完全不同的新物质。比如：木材（其成分有48％的C、6％的H、40％的O、2％的N、4％的水），在空气中燃烧时变成木炭、灰烬以及CO2和H2O（蒸气）。木炭、灰烬看得见摸得着，CO2和水蒸气随烟雾飞散到空气中去了。可见，可燃物质在燃烧前后性质完全变了，所以是化学反应。既然燃烧是一种化学反应，那么，是否化学反应都是燃烧呢？正如狗有四条腿，是否四条腿的都是狗呢？显然，这样的反推当然不成立。这是因为人类生存在物质世界，化学反应就构成了物质世界的千差万别，化学反应非常之多，它们不都是燃烧现象。比如，生石灰遇水发生下列反应：CaO+H2O→Ca(OH)2+Q可见，生石灰遇水是化学反应并发热，这种热可以成为一种着火源，但它本身不能燃烧。所以贮存生石灰要防水、防潮，不要接触可燃物质，否则会引起火灾。泡沫灭火器内的泡沫生成反应：6NaHCO3+18H2O+Al2(SO4)3→3Na2(SO4)3+2Al(OH)3+6CO2+18H2O，这是化学反应，但不放热，不发光，故不能称为燃烧。(2)燃烧必须有放热、发光现象通过前面的讨论可以证明：木材燃烧时，既是化学反应，又有放热、发光现象，所以称为燃烧。泡沫的生成，是由碱性药粉NaHCO3（小苏打）和酸性药粉Al2(SO4)3与H2O起反应后生成的新物质（泡沫），这是一种化学反应，但在反应过程中既没有发光，也没有放热现象，显然不能称为燃烧。生石灰遇水是发热的化学反应，但没有发光现象，所以也不能称为燃烧。在日常生活中，电炉、电灯既可以放热，又可以发光，但断电后电阻丝仍然是电阻丝，这能否称为燃烧呢？当然不能！（因为过程是物理变化，没有化学变化。但注意：电灯、电炉可成为一种火源！）综上所述，一切燃烧过程都具有下列两个共同特点：（1）都有新物质产生（这就是说，燃烧是一种化学反应）；（2）都伴随有放热发光现象。因此，燃烧的定义：燃烧是可燃物与空气中的氧（氧化剂）作用发生的放热反应，通常伴有火焰、发光和（或）发烟的现象。化学反应是燃烧的实质，热和光是燃烧的物理特征。根据这些特征，就可以将燃烧现象与其它现象区别开来。那么，燃烧为什么发光、放热？燃烧时发光的原因主要有两种，一是由于白炽的固体粒子，如火焰中的碳粒；二是某些不稳定（或受激发）的中间物质。从化学的观点看：放热，一切化学反应都伴随有能量变化，表现在反应中或是吸热，或是放热。燃烧大部分是氧化反应，在化学反应时有旧键的断裂和新键的生成。断键时要吸收能量（活化能），成键时又放出能量。在燃烧反应中，断键时吸收的能量要比成键时放出的能量少，所以都是放热反应。(3)燃烧中化学反应类型由燃烧本质已知，燃烧是一种放热发光的化学反应。从化学角度上讲，化学反应的类型较多，主要有下列六种：(1)化合反应：即由两种或两种以上物质生成另一种物质的反应。A+B→AB,比如O2+C→CO2(2)分解反应：即由一种物质生成两种或两种以上其它物质的反应。AB→A+B，比如2KClO3→2KCl+3O2(3)置换反应：即由一种单质与一种化合物起反应，生成了另一种单质和另一种化合物。A+BC→AC+B比如，酸和金属反应：Zn+2HCl→H2+ZnCl2Zn+H2SO4→H2+ZnSO4(4)中和反应：即由酸和碱作用而生成盐和水的反应。(5)氧化还原反应：即凡有电子得失的化学反应称为氧化还原反应。(6)复分解反应：即两种电解质相互交换离子，生成两种新的电解质，这种反应称为复分解反应。AB+CD→AD+BC,比如NaCl+AgNO3→AgCl+NaNO3燃烧中化学反应类型大致有三种：(1)简单组成的可燃物直接与氧化合（单质化合）C+O2→CO2;4P+5O2→2P2O5;4Na+O2→2Na2O(2)化合物先分解后化合（碳氢化物）CH4+2O2→CO2+2H2O;2C2H2+5O2→4CO2+2H2O(3)复杂的分解反应和复分解反应（指含氧物）4C3H5(ONO2)3(硝化甘油)→12CO2+10H2O+6N2；2NH4NO3→2N2+4H2O+O2第二节链锁反应理论通过对燃烧现象的进一步研究，人们发现很多燃烧反应不是直接进行的，而是通过游离基团和原子这些中间产物在瞬间进行的循环链式反应。链锁反应机理认为，在燃烧中存在自由基，燃烧是通过自由基的传递进行的。自由基是物质分子受光，热等作用分裂成的一种瞬变的，不稳定的活性原子或原子团。燃烧的过程就是自由基进行的一系列链式反应，光和热是燃烧过程中的物理现象。一、游离基的产生及特点（一）名词解释1.游离基（自由基）就是单质或化合物由于共价键的破裂而形成的含有不成对的价电子的原子或原子团称为游离基（也可以简述为：凡具有不成对电子的原子或原子团都被称为游离基或自由基）。2.共价键就是两个原子以共用电子对形成分子的化合键，称为共价键。共价键具有定向性和饱和性。(二)游离基的产生及其特点1.产生游离基（又称自由基），是化合物或单质分子中的共价键在外界（如光、热）的影响下分裂而成的含有不成对价电子的原子或原子团。2.特点(1)游离基来源于共价键分子；(2)共价键分子的共有电子对平分断裂（均裂）就产生游离基；(3)游离基没有饱和性，具有很强的活泼性。由于它有比平均分子动能更多的活化性，故一般是很不稳定的，容易自行结合成稳定的分子或与其它物质分子进行反应生成新的游离基。当设法使反应物产生少量的活化中心――游离基时，即可发生链锁反应。反应一经开始，就可经过许多链锁步骤自动发展下去，直至反应物全部变完为止。如活化中心（游离基）全部消失时，链锁反应就会中断，燃烧也就停止。二、链锁反应的简要历程（一）链锁反应概念链锁反应也称链式反应，即由游离基在瞬间进行的循环连续反应，称为链锁反应。(二)链锁反应的过程链锁反应一般由三个步骤组成：链引发、链传递、链终止。1、链引发借助于光照、加热等方法使反应物分子断裂产生自由基的过程，称为链引发。2、链传递它是自由基与反应物分子发生反应的步骤。在链传递过程中，旧自由基消失的同时产生新的自由基，从而使化学反应能继续下去。3、链终止自由基如果与器壁碰撞，或者两个自由基复合，或者与第三个惰性分子相撞后失去能量而成为稳定分子，则链被终止。例如：H2+Br2→2HBr由以下反应构成：M+Br2→2Br·+M(链引发)Br·+H2→HBr+H·H·+Br2→HBr+Br·H·+HBr→H2+Br·M+2Br·→Br2+M(链终止)(三)链锁反应的分类1、直链反应直链反应在链传递过程中每消耗一个自由基的同时又生成一个自由基，直至链终止。在整个链传递过程中，自由基数目始终保持不变。在链传递过程中，自由基数目保持不变的反应称直链反应。2、支链反应所谓支链反应，就是指一个自由基在链传递过程中，生成最终产物的同时产生两个或两个以上的自由基。自由基的数目在反应过程中是随时间增加的，因此反应速率是加速的。第三节燃烧的条件1.燃烧的要素条件燃烧现象十分普遍，但其发生必须具备一定的条件。作为一种特殊的氧化还原反应，燃烧反应必须有氧化剂和还原剂的参加，此外，还要有引发燃烧的能源。也就是说，燃烧要发生，必须具备三个要素，俗称“火三角”，即可燃物、氧化剂和引火源（点火源）。无焰燃烧的必要条件对于有焰燃烧来说，因过程中存在未受抑制的自由基作中间体，因而燃烧三角形需增加一个坐标，形成燃烧四面体，即有焰燃烧的发生需要四个必要条件：可燃物、助燃物（氧化剂）、引火源和链式反应。什么是无焰燃烧可燃物？以森林火灾为例：森林中的泥炭、腐殖质和腐朽木等可燃物，加热后因不能分解出足够数量的可燃性气体、燃烧时没有火焰，称为暗火。什么是有焰燃烧可燃物？有焰燃烧可燃物为乔木、灌木、杂草、枯枝落叶等森林可燃物，加热分解后，能产生可燃性气体，经点燃而发生火焰，称为明火。可燃物不论是气体、液体还是固体，也不论是金属还是非金属，也不论是无机物还是有机物，凡是在通常情况下能与空气中的氧或者其他氧化剂发生燃烧反应的物质，均称为可燃物。常见的可燃物的种类是很多的，无机物为：K、Na、Ca、Mg、Al粉、Zn粉、H2、CO、H2S、PH5、HCN等等。有机物为低分子化合物和高分子聚合物，包括：天然气、液化石油、汽油、煤油、棉花、木材等等。助燃物凡是与可燃物结