燃燒反應

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引言

飛機、宇宙火箭和模型火箭透過運用力學原理在大氣層中飛行。這類機械包含先進的推進系統，產生動力和推力以推動飛行器。這些飛行器內部的動力是透過燃燒燃料或燃燒產生的。作為燃料的物質與氧化劑結合形成化學產物。這些新生成的化學物質稱為廢氣。當產生廢氣時，會以熱量的形式產生能量。要啟動燃燒，需要熱源。因此，熱量不僅是啟動燃燒反應的必要條件，也是燃燒的產物。

什麼是燃燒反應？

燃燒反應是一種放熱化學反應，燃料（或還原劑）與氧化劑結合產生氧化產物。該過程在高溫下進行。由於該反應涉及物質的同時還原和氧化，因此它是一種氧化還原反應。

例如，劃燃火柴產生的摩擦會提高火柴頭部的溫度（或能量）（超過活化能），此時化學物質會發生反應併產生更多的熱能，這些熱能傾向於逸散到大氣中。潮溼的火柴頭或吹風的存在會阻礙溫度的升高。因此，火柴頭無法燃燒。汽車中燃燒燃料產生煙霧是另一個常見的燃燒例子。

燃燒反應的例子

甲烷燃燒

甲烷是一種天然氣，是最清潔的化石燃料。所謂最清潔，是指它不會產生任何有害的毒素。它完全分解成水和二氧化碳。

丁烷燃燒

丁烷的分解燃燒過程應用於打火機。丁烷比其他化石燃料便宜得多。這也是一種清潔燃料，但也會向大氣中釋放大量的二氧化碳。

丁醇燃燒

丁醇的燃燒過程發生在交通運輸中。丁醇具有低蒸汽壓和高能量密度。因此，它可以被認為是一種生物燃料。這種燃燒過程用於內燃機或IC發動機。

燃燒反應的型別

燃燒反應大致分為兩類

完全燃燒

顧名思義，反應物在雙氧的存在下完全燃燒，產生廢氣和產物。當化合物被點燃時，形成的產物通常是化合物的氧化物。例如，碳會形成二氧化碳，硫會形成二氧化硫，鐵會形成二氧化鐵等等。這種型別的燃燒在涉及大規模產生火災的工業中很常見。在這種工業中，空氣提供反應進行所需的氧氣。

不完全燃燒

當氧氣不足以將燃料分解成氧化物和水時發生。與完全燃燒不同，燃燒產物是碳煙塵、一氧化碳（一種有毒氣體）和氫氧化物。不完全燃燒也發生在火焰阻擋器中。在木材或煤炭中，燃燒前會發生熱解。這可能會產生對人類和環境有害的毒性物質。吸入一氧化碳會導致意識喪失，最終導致死亡。

為什麼燃燒反應是氧化反應？

氧化反應是指發生加氧的反應。在燃燒反應中，氧氣與反應物質結合形成氧化物。氧化物可以是二氧化物或一氧化物，這取決於發生的燃燒型別。因此，燃燒反應是氧化反應。

燃燒方程式

甲烷燃燒

$$\mathrm{CH_{4}(g)\:+\:2O_{2}(g)\:\rightarrow\:CO_{2}(g)\:+\:H_{2}O(g)(完全燃燒)}$$

$$\mathrm{4CH_{4}(g)\:+\:7O_{2}(g)\:\rightarrow\:2CO_{2}(g)\:+\:2CO(g)\:+\:8H_{2}O(l)(不完全燃燒)}$$

萘的燃燒

$$\mathrm{C_{10}H_{8}(g)\:+\:12O_{2}(g)\rightarrow\:4CO_{2}(g)\:+\:6H_{2}O}$$

乙烷燃燒

$$\mathrm{2C_{2}H_{6}(g)\:+\:7O_{2}(g)\:\rightarrow\:4CO_{2}(g)\:+\:6H_{2}O}$$

丁烷燃燒

$$\mathrm{2C_{4}H_{10}(g)\:+\:13O_{2}(g)\:\rightarrow\:8CO_{2}(g)\:+\:10H_{2}O}$$

甲醇燃燒

$$\mathrm{2CH_{3}OH(g)\:+\:3O_{2}(g)\:\rightarrow\:2CO_{2}(g)\:+\:4H_{2}O}$$

丙烷燃燒

$$\mathrm{2C_{3}H_{8}(g)\:+\:7O_{2}(g)\:\rightarrow\:6CO_{2}(g)\:+\:8H_{2}O}(完全燃燒)$$

$$\mathrm{2C_{3}H_{8}(g)\:+\:9O_{2}(g)\:\rightarrow\:4CO_{2}(g)\:+\:2CO(g)\:+\:8H_{2}O}(不完全燃燒)$$

燃燒與燃燒有什麼不同？

燃燒	燃燒
使材料或物質著火的過程。	燃料與氧氣或氧化劑結合的過程。
它導致火焰的形成。完全燃燒會形成藍色火焰，不完全燃燒會形成黃色橙色火焰。	它可能點燃火焰也可能不點燃火焰。完全燃燒會形成藍色火焰，不完全燃燒會形成黃色橙色火焰。
釋放的能量相對較低。	釋放的能量相對較高。
光總是與熱能一起產生。	光可能與熱能一起產生也可能不產生。
燃燒形成的產物是二氧化碳、一氧化碳、固體碳（煙塵）和水蒸氣。	產物取決於發生的燃燒型別。完全燃燒會形成二氧化碳和水。不完全燃燒會形成一氧化碳和碳。
它是一種燃燒型別。	它大致分為完全燃燒和不完全燃燒。
它需要易燃材料以及反應物質。	它可能需要也可能不需要易燃材料以及反應物質。
它通常發生在固體燃料中	它通常發生在碳氫化合物中。

燃燒反應的應用

燃燒反應有許多應用：

• 燃燒反應用於燃氣烤架、燃氣灶、炊具、壁爐等。

• 甲醇燃燒產生木醇

• 丁烷在家用打火機內燃燒。

• 在冶金工業中，燃燒用於產生蒸汽。

• 燃燒用於爆炸物。

• 燃燒用於內燃機。

• 火箭推進也涉及燃料的燃燒。

• 燃燒用於所有汽車的發動機。

燃燒的有害影響

完全燃燒和不完全燃燒都有許多有害影響：

• 不完全燃燒會產生碳煙塵。煙塵對人體有害，可引起哮喘和其他嚴重的呼吸問題。它甚至可能導致癌症。

• 不完全燃燒產生的一氧化碳進入呼吸系統後，會取代氧氣與血紅蛋白結合。

• 一氧化碳和二氧化碳可以與大氣中的水和氧氣結合，產生酸雨。這種酸雨由硫酸和硝酸組成，會危害該地區的生物圈。

• 一氧化碳進入人體後會引起嘔吐、頭痛和噁心。

• 燃燒產生的過量二氧化碳會對人體健康產生不利影響。

• 二氧化碳是一種溫室氣體，會導致全球變暖。

結論

燃燒是人類社會中一個重要且有用的過程。從家用燃氣灶和汽車到大型工業和火箭推進，燃燒反應是許多主要過程背後的驅動力。儘管燃燒反應是基礎性的，但它們也有許多缺點。燃燒反應會產生大量有害的副產物。這些副產物對人和環境都有毒。燃燒反應通常不是非常環保的反應。燃燒反應通常涉及燃燒化石燃料，而化石燃料是非可再生資源。因此，必須以受控的方式進行燃燒，以防止寶貴的化石燃料枯竭。

常見問題

1.壬烷不完全燃燒的平衡方程式是什麼？

$$\mathrm{C_{9}H_{20}(l)\:+\:\frac{27}{7}O_{2}(g)\:\rightarrow\:8CO_{2}(g)\:+\:CO(g)+\:10H_{2}O}(l)$$

$$\mathrm{C_{9}H_{20}(l)\:+\:13O_{2}(g)\:\rightarrow\:8CO_{2}(g)\:+\:C(g)+\:10H_{2}O}(l)$$

$$\mathrm{C_{9}H_{20}(l)\:+\:\frac{27}{7}O_{2}(g)\:\rightarrow\:7CO_{2}(g)\:+\:CO(g)+\:+\:C(S)\:+\:10H_{2}O}(l)$$

2.什麼是生物燃料？

由生物質衍生的燃料稱為生物燃料。它可以是固體、液體或氣體。例如：由木炭、甘蔗或玉米制成生物乙醇，或透過厭氧呼吸分解廢物產生沼氣。

3.什麼是可燃物質？

易燃併發生燃燒的物質稱為可燃物質。例如：液化石油氣、壓縮天然氣、木材、紙張、衣物等。

4.什麼是不可燃物質？

即使達到適當的溫度，也不容易點燃或燃燒的物質稱為不可燃物質。例如：磚、混凝土、玻璃等。

5.什麼是理想燃料？

理想燃料是指燃燒時不會產生一氧化碳等有害氣體或碳等有毒殘留物質的燃料。它應具有高熱值，並且應價格低廉、方便獲取、易於運輸和燃燒。