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1斤木頭燃燒後只剩不到1兩的灰,另外的9兩多的物質哪去了?
2021/12/28
2021/12/28

在日常生活中,我們會經常看到木頭燃燒的現象,假如稍微仔細一點觀察,我們就會發現當一塊木頭充分燃燒後只會剩下一點點的灰燼,通常情況下1斤木頭燃燒後只剩不到1兩的灰。那麼問題就來了,除了這些灰燼之外,另外的9兩多的物質哪去了?

其實在很久很久以前,人們就在思考這個問題了,在探索的過程中他們也給出了很多理論來試圖解釋這一現象。在這些理論中,最有名的就是「燃素學說」了,該理論是1703年由德國化學家施塔爾在總結了前人的經驗後提出來的,他認為木頭燃燒後所失去的物質就是「燃素」,這種「燃素」是非常細小的微粒,它們可以存在于萬物之內,也可以彌散在空氣之中,當大量的「燃素」聚集起來時,就能夠形成火焰。

在隨後的幾十年時間裡,「燃素學說」在化學界裡大行其道,直到1756年,俄國化學家洛蒙諾索夫在實驗中將錫置入密封的容器裡進行煆燒,然後發現容器裡的物質在煆燒前後沒有發生任何的質量變化,並且經多次實驗後,他得出的結果都是一致的,于是他就對「燃素學說」提出了質疑,自此「燃素學說」在化學界裡的地位就受到了挑戰。

1777年,法國著名化學家拉瓦錫通過同樣的實驗得出了同樣的結果,這也正式宣告了「燃素學說」的終結,而取代它的則是「質量守恆定律」,這個定律指出,質量不能被創造,也不能被消失,在一個孤立系統中,不管發生什麼變化或過程,其質量的總量永遠都不會改變。

那麼木頭燃燒後減少的質量哪去了?難道質量不是守恆的嗎?

世間萬物都是由各種元素構成,一塊普通木頭的主要成分為木質素、纖維素、半纖維素等有機化合物和一定的水分,其元素比例大概為:碳(44%)、氧(42.5%)、氫(6%)、氮(0.5%),其他的則為一些微量元素如鉀、鈣、鐵、鎂、銅、鋅、磷、硫……等等。木頭燃燒的過程其實就是一系列的化學反應,其中涉及的化學反應方程式大致如下圖所示。

我們可以看到,理論上來講這些化學反應的最終生成物都是氣體(反應中生成的水會在高溫環境下變成水蒸氣),它們會迅速地彌散在空氣中,而我們所看到的灰燼,其實就是木頭中沒有參與燃燒反應的殘渣,比如說一些微量元素或者是無機鹽等等。當然,對于沒有完全燃燒的木頭,還會剩下更多的物質。

燃燒的木柴

因此可以說,根據「質量守恆定律」,木頭燃燒前後的質量並沒有改變,而之所以1斤木頭燃燒後只剩不到1兩的灰,只不過一些物質在這個過程中轉變成了我們看不到的氣體物質而已。

然而問題到這裡還沒有討論結束,因為著名物理學家愛因斯坦又指出,質量只是物質的一種屬性,它可以和物質的另一種屬性——能量以一種非常確定的當量關係進行互相轉換。也就是說,在一個孤立系統中,只要有能量的變化就一定伴隨著質量的變化,反之亦然。

木頭在燃燒的過程中會釋放出光和熱,這說明瞭木頭燃燒產生了能量,根據愛因斯坦的理論,這必定會造成質量的損失,損失了多少呢?根據質能方程 E = MC^2,可以得出這個損失的質量(M)等于木頭燃燒所釋放出的總能量(E)除以光速常量(C)的平方。

儘管這個損失的質量是一個非常非常小的數字(1斤木頭燃燒後大約會出現 1.5 x 10^-10 克的質量損失),但這對于嚴謹的科學而言是不可忽視的,正因為如此,現代科學將「質量守恆定律」和「能量守恆定律」通過質能關係合併到了一起,統稱「質能守恆定律」。

至此我們就可以給出這個問題的準確答案了,那就是木頭燃燒後減少的質量,絕大部分都沒有真正的消失,它們只是從一種物質轉化為另一種物質,但是在這個過程中,還是有極小的質量是真的消失了,因為它們轉化成了能量。



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