越烧越重？连牛顿看了都要沉默的“反直觉”燃烧

原创：中科院物理所

　　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

　　第一步：

　　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）

　　第二步：

　　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，最后几乎趋近于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——盯着天平的屏幕，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。

　　上期回顾

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