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越烧越重?连牛顿看了都要沉默的“反直觉”燃烧|正经玩

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常识告诉我们:

东西烧完以后,会变成灰烬,

重量变轻,甚至“灰飞烟灭”。

可是,如果我告诉你,

有一种东西越烧越重

你信吗?

难道是谁在燃烧的时候偷偷加了料?

实验器材

电子天平、钢丝绒、纸张、打火机、隔热盘、所标杯


实验步骤

将隔热盘放在电子天平上,按下“归零”键。放上一张纸,记录下初始重量。(可以多次测量看看称的精度如何)


用打火机点燃纸张,观察燃烧过程。随着纸张化为灰烬,你会发现天平上的数字不断变小,最后几乎近于0

安全提示:请在家长陪同下在通风处操作,远离可燃物,注意消防安全!


第三步:

清理天平,重新放上隔热垫并归零。取一块蓬松的钢丝绒(可以稍微拉扯得松散一些),放在天平上,记录下初始重量。



第四步:

用火柴或打火机点燃钢丝绒。你会看到火星像微缩版的烟花一样在钢丝绒内部迅速蔓延。更离谱的是——着天平的屏幕,你会发现随着燃烧的进行,天平上的数字不降反升,钢丝绒变重了!


第五步:

等待残留物完全冷却后,清理并妥善处理实验器材。

原理解说

为什么纸烧没了,钢丝绒却越烧越重?难道这打破了著名的“质量守恒定律”吗?

其实,秘密就藏在空气里。从科学的角度来说,燃烧本质上是一种剧烈的氧化还原反应。

我们先来看看纸张。纸的主要成分是纤维素(主要由碳、氢、氧元素组成)。当纸张燃烧时,它与空气中的氧气反应,主要生成二氧化碳(CO₂)和水蒸气(H₂O);若燃烧不充分,还可能产生一氧化碳、炭黑等产物,并留下少量灰烬。 由于主要产物都是气体,在燃烧的高温下直接飘散到了空气中,所以从天平的视角看,纸“变轻”甚至“消失”了。

再来看看今天的主角——钢丝绒。钢丝绒的主要成分是铁(Fe)。日常中铁块难以被点燃并持续燃烧,一方面是因为块状铁与空气的接触面积小,氧化反应速率缓慢,释放的热量十分有限;另一方面是铁的导热性很强,反应产生的热量会迅速向金属内部传导散失,无法让局部温度稳定维持在铁的燃点以上。

但当铁被加工成极细的钢丝绒并呈蓬松状态时,单位质量的铁与空气中氧气的接触面积会大幅提升数个量级,反应条件被极大改变。此时用火源引燃,钢丝绒就能在空气中持续剧烈燃烧,对应的化学反应方程式为:

点 燃

燃烧过程中,铁单质与空气中的氧气发生氧化还原反应,主要生成固态的四氧化三铁。

注:实际燃烧产物通常以四氧化三铁为主,也会伴随少量三氧化二铁、氧化亚铁等其他铁氧化物,具体组成与燃烧温度、氧气浓度、反应时长等条件密切相关。

不难发现,反应物里有气体,而生成物基本都是固体!这就意味着,钢丝绒在燃烧的过程中,将空气中原本游离的氧气固定了下来,使其成为了固体氧化物的一部分,并留在了天平上。 因此,增加的重量,其实就是钢丝绒在燃烧时结合的氧气的重量!

那这违背了质量守恒定律吗?当然没有。

早在18世纪,法国化学家拉瓦锡就通过精密的定量实验推翻了当时盛行的“燃素说”。如果我们把纸张和钢丝绒分别放进完全密闭的容器里燃烧,连容器带里面的所有东西一起称重,就会发现:不管是烧完变成气体和灰烬的纸张,还是结合了氧气的铁,反应前后整个密闭容器的总质量都一分不多、一分不少。


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1.xiaoyan的投稿


2.陈金石的投稿


恭喜xiaoyan陈金石

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