火，有多复杂？

从远古人类学会用火开始，火，就与人类文明的发展密切联系在了一起。不过，人类对待火的态度却很复杂，它不仅有温暖光明的一面，同样还有狂暴黑暗的一面。2019年4月15日下午，法国巴黎圣母院发生火灾，这一世界级人类文化遗产受损严重；再之前一年的2018年，巴西国家博物馆发生大火，博物馆中的大量藏品付之一炬。除了建筑火灾，每年发生在野外的森林火灾也一样会造成巨大的危害。

法国巴黎圣母院火灾。图片来源于网络

要想控制火，首先要了解火。虽然火看起来再简单不过，甚至连小学生都知道火的产生需要氧气和可燃物，但实际上，科学界时至今日对于火的理解仍然少的可怜。早在170年前，“电学之父”迈克尔•法拉第（Michael Faraday）便从科学的角度为听众阐述了蜡烛的燃烧（The Chemical History of a Candle）。就蜡烛的燃烧而言，形成的是扩散火焰（diffusion flame），燃烧仅发生在燃料与空气之间的界面上，该区域称为反应区，而火焰内部本身则是完全无氧的环境。事实上，蜡烛的可燃物是石蜡（熔点49-51 ℃，沸点300-550 ℃），点燃时石蜡首先溶解，然后再在超过沸点的温度下气化，气体燃烧产生的高温让气体分子进入激发态，激发态的分子会发生电子跃迁，能量以光的形式释放出来，这是一种发光现象。除此之外，还有另一种发光现象：等离子发光。燃烧过程也会产生等离子态的物质，等离子态分子非常不稳定，由等离子态变为气态的过程也会发光。我们肉眼所见的蜡烛火焰其实就是这两种发光现象的综合。

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前面的描述在本质上忽略了很多化学细节，燃烧是一个非常复杂的化学反应过程。以最简单的碳氢化合物——甲烷的燃烧为例，反应式很简单：CH₄+ 2O₂→ CO₂+2H₂O，但这省略了各种基元反应，只表现了反应最初和最后的整体情况。这一过程实际上包括以不同速率发生的数百种不同化学反应，产生数百种不同的中间体和副产物。这些反应速率取决于温度，而温度在整个火焰中都存在巨大的变化。此外，燃烧的副产物包括烟黑（soot），它是一种具有相当大热容量的固体，也会被加热并发光，这就让燃烧过程更为复杂。2018年，美国桑迪亚国家实验室的Hope Michelsen和Olof Johansson等研究者结合实验和理论计算等手段，发现气态燃料转变为烟黑颗粒这一过程本身也非常复杂，包括自由基与烃类物质间的加成反应，以及通过共振稳定自由基机理驱动的一系列自由基链反应（Science, 2018, 361, 997，点击阅读详细）。相关工作能发表在顶级期刊Science 上，也从某种程度上说明了燃烧相关研究取得重大突破有多受关注。可能也正因为发生了如此复杂多样的反应，产生了如此复杂多样的中间体和副产物，火才那么难以被科学家们琢磨清楚。

火焰中共振稳定自由基驱动烟黑颗粒的形成。图片来源：美国桑迪亚国家实验室

除了传统的明黄色火焰，科学家们也在研究新的火焰状态。马里兰大学的科学家发现了一种由传统的黄色火焰旋涡（fire whirl）进化而来的蓝色火焰旋涡（blue whirl），燃烧更彻底，效率更高，几乎不会产生常规燃烧常见的副产物烟黑，称得上是清洁型燃烧（PNAS, 2016, 113, 9457，点击阅读详细）。

蓝色火焰旋涡。图片来源：马里兰大学

有研究燃烧的，就有研究如何抑制燃烧的。水可以灭火，这大家都知道，但有些环境下却不适合直接喷水，比如电气火灾等。人们为此发明了二氧化碳、干粉、泡沫等多种灭火器。美国宾夕法尼亚州立大学Kyle J. M. Bishop等人另辟蹊径，从火焰中存在的等离子体入手。他们创建了一个振荡电场，并通过该电场驱动的点平面电晕放电形成了稳定气流，他们称之为“电风（electric wind）”（J. Appl. Phy., 2013, 114, 143302）。这一过程被他们用于在实验室中扑灭约1米高的火焰。不过，在现实世界中如果想用这种电风扑灭火焰，所需的电场强度太高而难以实现。此外，他们还利用声波（55-60 Hz，约130分贝）来阻碍空气进入火焰，从而让火焰的反应区“窒息”。同样，这种脑洞大开般的方法要用在现实世界中仍有不少的路要走。

除了火焰和高温会带来伤害，火灾中由于起火物和环境因素的不同，还会产生各种各样的有害气体及烟尘。美国是饱受山火肆虐威胁的国家，山火不仅会烧毁森林，还会产生巨量烟尘污染空气。美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的Firex项目虽然确定了烟尘中呋喃类化合物形成的化学机理 ^[1]，但仍有大部分反应是未知的。2010年，研究人员发现火灾产生的NO_x中异氰酸（HNCO）占比约30%，仍存在大量影响建模的未知半挥发性有机化合物。即便鉴定出它们，它们如何产生、如何变化、如何受周围环境影响，都不是容易研究的课题。除了火灾，在不少国家——尤其是发展中国家，农业生产中会人为放火焚烧农田上的秸秆，以便于下一次耕种，如果能理解环境因素对于燃烧产物的影响，就可以尽可能的减少秸秆焚烧对空气质量的影响。

印度农民焚烧秸秆。图片来源于网络

与野外火灾相比，城市火灾产生的气体及烟尘可能成分更加复杂，对人体危害可能更大。以上文提到的巴黎圣母院火灾为例，有些心细的人注意到大火中出现了奇怪的黄色烟（下图红圈）。这可能是因为巴黎圣母院尖塔和屋顶中使用了大量的含铅材料（总量可能有数百吨），一部分在大火中熔化，一部分散入空气中。如此巨量的含铅烟尘造成了巴黎圣母院周边的铅污染，其中两名儿童在随后被查出血液含铅量超标。当地政府于是在巴黎圣母院附近区域使用高压喷洒的方式，向周围土壤中施放能去污的表面活性剂和胶粘剂，从而深度清理因圣母院大火造成的铅污染。卫生部门还建议附近居民用湿布擦拭家中物品，因为物品表面可能覆盖火灾所产生的含铅粉尘，并呼吁附近居民，特别是孕妇和儿童等接受血铅检测。^[2-3]

法国巴黎圣母院火灾。图片来源于网络

尽管目前人们对火的了解仍不是非常透彻，但是如何预防和处置火灾并防止发生次生灾害，毫无疑问需要科学家、消防部门、建筑师以及我们每个人的通力合作。除了从化学的角度了解火的本质，从材料的角度预防火灾以外，更重要的是普通民众必须要有防火意识和安全意识。防范火灾，任重道远，你我同行。

参考资料：

1. Fire Influence on Regional to Global Environments and Air Quality (FIREX-AQ)

https://csl.noaa.gov/projects/firex-aq/whitepaper.pdf

2. 法国巴黎圣母院开始清除铅污染

http://www.xinhuanet.com/2019-08/13/c_1124871898.htm

3. The complexity of fire

https://www.chemistryworld.com/features/the-complex-chemistry-of-fire/4012100.article