火 究 竟 是 什 么 ？
吴 志
【提要】这篇文章科学价值高于多数诺贝尔奖论文，可以据此开发出水燃料汽车，甚至能为人类带来能源革命，进入水能源时代，并彻底解决二氧化碳排放、温室效应和地球变暖的问题，具有重大的科学价值、技术价值、经济价值和社会价值
最近从网上看到一篇文章，说现代科学这么发达，为什么科学家解释不了火是什么呢？我高中的数学科代表，也是我这辈子遇到的唯一天才，最近还微信问我：火究竟是什么？他是恢复高考后第一批本科生，学的是理工科，毕业后当铁路工程师，有不少发明创造，现在也被火迷惑了。
想想也是，真的没有老师和书本解释清楚火是什么，只说是化学反应。还有一些解释，给人的感觉是力有不逮，未及要害，似是而非，模棱两可，莫名其妙，云里雾中，还是没能解释清楚。我是高中化学科代表，火的问题应该由我来回答。其实，研究科学也不需要高深学问，有高中物理知识和化学知识也能研究重大科学课题，但必须思考问题和创造知识，基础知识只能作为铺垫。现在每个高中以上学历的人，都比牛顿在大学和中学学到的知识更多。现在就让我把火解释清楚，以木柴燃烧为例。
燃烧是木柴分子解体和重组的过程，氧抢夺木柴中的碳，生成二氧化碳和一氧化碳，还生成其他一些次要物质。氧是在大气中存在的，碳是在木柴中存在的，在常温下木柴中的碳与其他元素结合成稳定结构，氧没有能力抢夺碳，各自相安无事，燃烧不起来。当遇到高温时，如钻木、摩擦、雷电或点燃时，木柴中的稳定结构就被破坏了，造成分子解体，碳被拆解出来，在高温的作用下向周围空间飞出，这样氧就能抢夺碳了，在氧与碳的结合过程中，也就是氧与碳的原子核分别吸引对方电子的过程中，两种原子（或离子）快速靠近和激烈碰撞，导致电子释放出光子，就可以看到一团火了。除了光子还有红外线释放，所以人虽然没有接触到火，也能感觉到火的温度。
在这团火中充满弥漫物质，或说弥漫物质就是火团，这些物质来自木柴和空气，物质越多，温度越高，火团越大，添柴和吹风都是增添燃料的过程。这团弥漫物质为什么不向远方飞去呢？一是动力不够，没有强大的能量把这些原子发射出去。二是相互吸引，氧离子与碳离子之间有吸引力，这样对方就飞不远了。所以。火是有明显边界的。实际上也有少量碳离子飞出去，但外面的氧以分子的形式存在，难以同碳离子结合，没有激烈碰撞和结合，也就没有光子释出。氧气分子也需要高温才能拆解为氧原子或氧离子。
火团中的弥漫物质除了碳、氧和其他物质外，也有燃烧产生的二氧化碳、一氧化碳等物质。这些气体会飘浮起来，从空中逃逸。所以，燃烧之后就剩一点灰了。木柴燃烧后产生的灰分主要是钙、钾、镁、钠、锰、铁、磷、硫等，是不参与化学反应或较少参与化学反应剩余下来的，在木柴中这些元素不多，所以灰是不多的。
在木柴中含量较多的元素是碳49～50%，氧45～50%，氢 6%，氮0.1～1%，分子式是C47O46H6N，其他元素忽略不计了。因此，木柴中被拆解出来的氧和氢也参与化学反应，也是自身重组的过程，自身的氢氧有多少参与燃烧有待研究。煤炭、石油等也含有氧和氢。
温度是分子或原子运动的激烈程度，在燃烧过程中各种分子或原子的运动速度是很高的，若把手伸进火中，这些高速运动的分子、原子和离子撞击皮肤和肌肉细胞，就把细胞破坏了，这就是烧伤了。甚至人体细胞和骨骼也参与燃烧，这样就会被烧成炭，局部或全部烧成炭，若彻底燃烧就只剩下灰了。那么烧红的铁是不是火呢？不是火，只是在高温下铁分子激烈运动，原子外围电子相互碰撞，释放出光子，看起来就像一团火一样。
常见的燃烧有两种，一种是氧抢夺碳，一种是氧抢夺氢，氧抢夺碳的燃烧火焰是橙黄色的；氧抢夺氢的燃烧火焰是蓝色的。多数燃烧是两者兼而有之。常见的燃料是碳氢化合物，即含有碳和氢的化合物。
上图是从本生灯出来的火，工作人员在调燃料与氧气的比例，调到最佳比例燃烧最充分，温度也最高，氢的燃烧就多；调的比例不合适，燃烧不充分，温度不太高，碳的燃烧就多。最佳燃烧是让碳与氢充分燃烧。家用煤气炉也可以调节火焰，都知道要尽量调到蓝色，但没什么人知道是为了让更多氢燃烧，在科学上似乎没有这方面的研究。
要想灰分少，燃料中的杂质就要少，即不参与燃烧的杂质少，如钙、钾、镁、钠、锰、铁、磷、硫等较少，酒精的分子式是C2H6O，只含有碳、氢、氧，都是参与燃烧的，所以烧得干干净净。酒精像许多燃料一样是碳氢化合物，燃烧既是烧碳，也是烧氢，从火焰颜色就可以判断，既有碳燃烧，也有氢燃烧，你中有我，我中有你，混合一起。
汽油是五碳至十二碳烃类（碳氢化合物）的混合物 ，主要成分是碳，次要成分是氢，所以也烧得很干净。但汽车用久后汽缸中为什么会积碳呢？因为拆解出来的碳太多，进来的氧不够分配，导致燃烧不充分，多余的碳有的粘附在汽缸里，有的从排气管排出，严重的会冒黑烟。
行文至此，已经把火解释清楚了，普罗大众知道这么多就够了，但对于想深入研究的学者来说，还需要有更深入、更具体的解释，这样能获得更多的技术运用。还是以木柴燃烧为例进一步分析。木柴主要成分是纤维素，纤维素是一种多糖，分子式是(C6H10O)n，当温度升高到临界点时，这种结构就会解体，因为原子外围的电子在高温下加速运动，有些电子就飞了出去，分子结构就解体了。主要是在两个原子之间充当共价键的电子飞了出去，共价键中的电子受两个原子核牵拉，最不稳定。
木柴在充分燃烧时，空气中的氧抢夺碳，形成二氧化碳，化学反应式是C + O2 = CO2，条件是点燃，即升温至临界点，剩下的H10O5拆解为5个或更少水分子，组成水中的氧可能来自木柴，也可能来自空气。当然，H10O5不是某种分子，是指木柴中含有的成分。
究竟有无氢燃烧呢？这点很重要，从理论上和实践上看都是有的。在充分燃烧的火中，木柴中所有分子拆解成原子或离子了，不可能含有氢的分子不拆解，火能拆解一切分子，只要温度足够高。木柴火焰温度600-800℃，边焰温度1000-1300℃，蓝色边焰温度1400-1600℃。无论在哪个温度区间，拆解木柴分子都不在话下，包括把氢拆出来，氢与碳是紧密结合的，不把两者拆开，木柴就烧不起来了。分子在高温下就会原子化或离子化，离子体就是这么产生的。有人把火视为气体，这是拆解出来的碳和氧结合成二氧化碳或一氧化碳，木柴本身不含有这两种物质。当氢被拆解出来后，遇到氧就结合成水了，这就是氢燃烧了。水到哪里了？变成水蒸气从空中逃逸了。
氢在空气中的燃点是570℃，在空气中的火焰温度是1430℃，在氧气中的火焰温度是2830℃。氢燃烧时火焰呈蓝色。在木柴燃烧中，蓝色是比较少的，要么是氢含量不多，烧完了也不明显；要么是氢燃烧不足，可能是温度不够高，拆解的氢比较少；要么是进来的氧不够多，满足不了大量氢燃烧的需求。
氢参与少不等于不参与。木柴激烈燃烧时由橙红色变成黄白色，这说明有氢参与燃烧。若往火炉煽风或鼓风，炉内氧气多了，就有更多氢参与燃烧，这样火就变得更白了。白色是综合色，包括了红黄蓝三原色，其中有蓝色，也就是有氢燃烧。
煤中含有一定比例的水分对燃烧是有好处的，或者在炉火正旺时，往炉内喷适量雾化水，也许能起到“添油”作用。最好是高温蒸气水，水量的掌握要恰到好处，火候的掌握也要恰到好处。
木柴中也有水分，也会发生这种情况，即使干木柴本身也有氢被拆解出来。氢燃烧是氢与氧相结合，还是生成了水。换句话说，木柴中的H10O5或H2O，先拆解，后重组，这就是氢燃烧。木柴中有多少氢与氧参与这个过程，还需要进一步研究，情况不同，有所不同，没有固定比例。但是，木柴、煤炭、汽油、柴油和煤油的燃烧，主要还是烧碳，这表明燃烧效率还可以大幅提高。
氢燃烧是可逆的，这是氢燃料的最大优势之一。只要有水就永远烧不完，拆了烧，烧了拆，循环往复，永远持续，只要不流失或少流失就能烧很久，这不仅意味着水可以作为燃料，还是一种没有污染、可以回收的燃料，作为汽车、轮船、火车、飞机的燃料是非常理想的。怎么才能做到呢？从理论上看，一是有较高温度。大概是一千度至几千度之间，越高越好。二是有雾化水。水雾化得越小越好，最好雾化为水分子，雾化水的温度越高越好。换句话说，是用高温烧雾化水，若能把水烧着，这样人类的能源问题就不是问题了，二氧化碳污染问题就不是问题了，地球变暖问题就不是问题了。这意味着煤炭和石油时代的终结，氢时代的到来，换句话说是碳燃料时代终结，氢燃料时代来临。
万一在高温高压下也烧不着雾化水呢？只要能让普通燃料中的氢充分燃烧，也是重大技术进步和能源革命，燃烧效率估计能够提高50-100%。另外，可以研究回收和燃烧二氧化碳，只要温度足够高或有恰当的催化剂，就能把氧与碳拆解，再把它们输入较低温度的腔室，它们又能重组在一起了（燃烧）。一氧化碳就是在燃烧中合成，又能被燃烧的气体，本质上是另一个氧结合进来。既然如此，二氧化碳也有可能，但需要先拆解再结合。任何一种燃料，都应该这样循环往复利用，而不是把生成物当废物，用完就抛弃。
人类要做的是：燃烧——回收——拆解——再燃烧。在地球中，碳的丰度是较高的，排在第17位，石头中也有碳，如石灰石的分子式是CaCO3，拆解后就得到一个碳和三个氧，这些都是燃料。当然，存在于植物、煤、石油中的碳更容易拆解。这个世界没有什么物质是废物，就看人类会不会利用。
碳与氧结合，氢与氧结合，都是两种原子激烈碰撞，先是碳与氢分别被释放到空气中，然后与氧结合发生激烈碰撞，在碰撞中电子释放出光子，人就看到了火光。一个原子或正离子在抢夺相邻原子外围电子时，两个原子外围电子发生碰撞，这就是原子碰撞，电子带有光子等电磁粒子，这些电磁粒子就会被释放出来，如释放出光子和红外粒子。也有另一种情况，正离子抢夺空气中的自由电子，把自由电子吸过来后，与原有电子发生碰撞，同样会释放出电磁粒子。
化学反应的基础是吸力与斥力，有斥力时就推开，如高温时物质拆解；有吸力时就组合，如高温时物质组合。吸力与斥力来自磁性或电性，磁与电是一回事，只是表现方式不同而已。
由于周围气流的原因，这团被释放到空中的原子、离子和电子是不断晃动的，于是看起来火苗是晃动的，室内的蜡烛则比较稳定，但或多或少还是有点晃动。简单来说，火是一团原子、离子和电子弥漫在空中，它们发生激烈碰撞，重组为新的物质，并释放出光和热。
燃烧产生的二氧化碳和水，都是无色透明的，向空中升腾了，看到白烟或黑烟时则是燃烧不充分，表明有原子或离子向空中升腾，还会产生一氢化碳，也是无色透明的。木炭燃烧几乎没有烟，因为燃烧比较慢，碳拆解比较少，有足充的氧气进来与游离碳结合。
根据本文原理，可以用火制水，在一个密闭的燃烧室中烧火，燃料是常见可燃物，把产生的废气引入水中，最好是低温水，这样水就会越来越多，一氧化碳和二氧化碳则从水中浮起来向空中释放。这样的装置，在沙漠、海船和飞船上会用得着，淡水不够时就烧出一些来。这个原理要不要做实验证实呢？可做可不做，因为汽车尾气就含有水，只是气态水而已，排出尾气管后就向空中升腾了，但在冬天早上温度较低时，发动汽车后尾气管出来的往往是白烟，懒洋洋地向上方弥漫和升腾，这是气体水遇冷凝结形成的水蒸气，由于水比较重，显得懒洋洋，所以车主见多不怪，不会认为是汽油燃烧不充分冒出白烟。汽油中含有较多氢，一些氢与氧结合生成了水。若是汽油燃烧不充分喷出的白烟，是一团团高速向尾气管后方喷出的，这些废气轻于水蒸气，一看就知是汽车发动机有问题了。
煤气燃烧以蓝色为主，火焰温度1840℃,表明一千多度就可以拆解较多氢参与化学反应了，温度越高拆解的氢就越多。煤气火焰温度已高于铁的熔点1535℃，为什么没把煤气炉烧化呢？因为火是向上的，上面的铁锅装有水，热量传递到水中，铁锅温度就不会上升了；炒菜的铁锅温度会高些，热量传递到油、菜和水中，若干烧很快就会把锅烧化。火苗之所以向上，是受热膨胀的气体比重轻，向上浮升，周围空气填补进来，就形成了向上的火焰。
人类一直认为，燃烧是烧碳，意识不到也是烧氢，如煤气燃烧既是烧碳，也是烧氢，可能烧氢是主要的，这是火焰颜色告诉我们的。化学反应式也说明有碳和氢燃烧，天然气是煤气中的一种，主要成分是甲烷，完全燃烧时化学反应式是：
CH4+2O2=CO2+2H2O （反应条件为点燃)
可以看到有水生成，氧抢夺氢才会生成水，这就是氢燃烧了。所以，氢是人类最常用的燃料，包括水中的氢。即使人类不能完全把水变成燃料，也可以把更高比例的水变成燃料，提高10%的燃烧率都是巨大的能量来源，在理论上水几乎可以彻底燃烧。常识告诉人类，水火不容，没想到水居然是一种燃料，还有可能是最佳燃料。
煤气有好几种，主要成分是碳、氢和氧，大城市常用的是天然气，成分是烷烃，这是一个大类，包括几十种烷，含一个碳的叫甲烷，含两个碳的叫乙烷，含三个碳的叫丙烷，含四十个碳的叫四十烷。在天然气中主要成分是甲烷，分子式是CH4，燃烧时是分子解体，氧抢夺碳和氢，生成二氧化碳和水，从分子式可见氢比碳还多。
人类知道水中有氢，总想把氢提取出来作为能源，常见的方式是电解水获得氢，但费了九牛二虎之力，得不偿失，耗费的能量多于获得的能量，于是只能望洋兴叹了。不妨改变一下思路：直接把水拿来烧！行不行？科学告诉我们：行！因为火能拆解一切分子，或说温度能拆解一切分子，包括水分子在内。爆炸、撞击、电流也能拆解分子，达到临界强度就行。
如果还有人怀疑火能拆解水，那么可以想一下太阳的情况。太阳表面温度是5505℃，主要成分是氢，约占75%，氢是以等离子体的状态存在的，也就是说所有氢都被拆解成离子了，无论初始是氢原子、氢分子或氢在什么分子中。只要人类能让温度达到5505℃，就能把所有分子中的氢拆解出来。人类是制造温度的高手，几千度、几万度不在话下，人类制造出来的最高温度是5.1亿℃，比太阳核心的温度还高三十多倍。
现实需要的是，用简单廉价的方式制造出高温，从而把氢从水中分离出来，目前能想到的有几种方法，可以一一试验：一是用氢燃烧分解氢。密闭燃烧室不让温度逃逸，再往燃烧室吹氧，大概可以得到三千度左右的高温。二是用激光照射雾化水，让氧与氢分离。三是用微波振荡水分子，让氧与氢分离，形成等离子体，微波能产生几千至几万度高温。四是用电弧产生高温，让氧与氢分离，形成等离子体，电弧能产生几千、几万度高温，最高达一百多万度，而且能稳定持续制造高温，是一种理想的方式。
制造出高温，还要制造出耐高温材料，用来制造汽缸，汽车、火车、飞机、轮船和水燃料发电站用的气缸。氢的燃烧温度在1430-2830℃之间，把水中氢拆解出来的最佳温度，估计在3000-5000℃之间，把温度提高到最佳值，氢就被彻底拆解和充分燃烧了。但铁的熔点是1535℃，这样就把汽缸烧化了，得找到合适材料做汽缸。单质金属熔点最高的是钨，熔点3410℃；单质非金属熔点最高的是碳，熔点3500℃，熔点最高的化合物是五碳化四钽铪，熔点4215℃。不过，据说耐高温金属陶瓷可以承受5000℃以上高温，这是制造汽缸的理想材料。也可以用普通金属制造汽缸，给发动机做一套水冷系统，用循环水包裹汽缸，这样汽缸就烧不坏了。
在汽缸内点火的，最简单的还是用氢气火焰，这样温度也比较高了，或许能把雾化水拆解和点燃了。如果拆解和燃烧不充分，可尝试加入催化剂。做事要从经济上考虑问题，越简单、越廉价越好，如果行不通再考虑高大上的方法。
这么看来，制造出一个水燃料发动机或发电机是能做到的。因为从理论上走通了，只是技术上怎么做的问题。已经告诉你怎么做饺子了，动手做那就简单了，可以手工捏，可以机器做；可以用水煮，可以隔水蒸。至于面怎么揉，皮怎么擀，馅怎么调，可以八仙过海，各显神通。
人类把铀、钚等重金属拆解，获得了巨大能量；把氢等轻物质聚合也获得了巨大能量。同样道理，把普通原子或分子拆解和聚合，也同样能获得巨大能量，包括把水拆解也能获得巨大能量。无论采用什么方式把水中的氢氧拆开，它们在分离的瞬间都会高速冲向四周，这就是能量的释放，会激烈冲击周围物质。因此，拆解水不仅获得氢和氧两种燃料，在拆解过程中也是制造能量的过程。
拆解与聚合工程，除了获得能量，还能获得无穷无尽的利益。比如，把泥土、空气和水合成粮食和肉类，把废弃的塑料、橡胶、纤维等高分子拆解为有用的小分子。或者通过拆解加聚合，聚合加拆解的过程，制造出想要的物质。氢核聚变，铀核裂变，只是人类走出的第一步，征途漫漫，没有穷尽。
一个新学科出现了：拆解与聚合工程。这么看来，物理学家和化学家就有施展才华的大舞台了。不然，很多人无所事事，不是看报、喝茶、上网、玩手机，就是去钻牛角尖，如黑洞、虫洞、引力波、弦、十一维、空间弯曲、量子纠缠、量子叠加等，只要依据不足，都属于想象和猜想。甚至还有科学家说，二十世纪物理和化学没有什么好研究的了，基本原理都被科学家发现了。
国内有个汽车工厂研究水氢汽车，但失败了，还被媒体嘲笑说是骗子和骗局，但人家是干实事的啊，失败又如何？从理论上说，只要能把水中的氢拆解出来，水就可以成为燃料了。他们的方法是使用催化剂，用铝合金与水发生化学反应，把氢拆解出来。为什么失败了呢？工厂太小，人才太少，只有技术人员，没有高水平的科学家，没能首先从理论上走通。水是地球最稳定的结构之一，二氢一氧结合后，就很难有其他物质能拆解它们了，包括催化剂在内。不排除有某种催化剂在高温高压下能拆解，但这样的催化剂不是那么好找。所以地球上有很多水，只能在物理力量的作用下发生变化，如在冰、水和水蒸气之间转化，或通电后把氢和氧强行拆分开来。
地球水来自氢与氧的燃烧，水之所以少在于氧少，氢是宏量元素，氧是微量元素，要经多次核聚变才能生成氧，氧的数量决定水的数量。氢燃烧时，氢氧最好调到最佳比例，这个比例就是二氢一氧，这样燃烧最充分。
发生火灾时泼水就能灭火。原因是：①水温很低，泼到火中迅速吸走温度，把温度降到了燃点以下。②水的覆盖性很强，泼到木柴中就把木柴包裹了，木柴再也不能向空中释放原子和离子。③水的吸附能力很强，从空中泼下来，就把火焰中的原子和离子吸附到水中了。④水包裹了木柴，也就把木柴与氧气阻隔了。这么一来水就具有较强的灭火功能了。
为什么油着火了不能泼水？油是浮在水上面的，水无法包裹油，水只会被火焰拆解参加燃烧，让燃烧来得更激烈。沙为什么能灭火？把燃料覆盖了，不让其继续释放原子与离子，还能阻隔燃料与氧气接触。泡沫为什么能灭火？也是把燃料覆盖了，不让其继续释放原子与离子，由于比水轻能浮在油上，也能阻隔油料与空气的接触，若是木柴则是包裹木柴，不让木柴与空气接触，另外泡沫还能吸附被释放到空中的原子与离子。
从这篇文章可以看出，我们研究和解释身边常见的现象，就有可能获得巨大的能量来源。人类文明很大程度是靠火推动的，第一次文明来源于柴草炭（进入熟食时代和冶炼铜铁）；第二次文明来源于煤炭（进入工业时代，以蒸汽机和煤炭发电为代表）；第三次文明来源于石油（汽车、轮船、燃油火车、飞机、火箭和燃油发电等）；第四次文明来源于铀核裂变和氢核聚变；第五次文明来源于水燃料（直接把水作为燃料）。
越是身边的事物，科学价值越大，只要解释清楚就找到了真理，在寻找真理过程中，还会有意外发现和惊喜。若研究凭空想象出来的虚无事物，可能离真理较远，也容易走到死胡同去。可以研究，可以尝试，可以走错，只是会浪费许多聪明绝顶科学家的宝贵时间和精力，研究成果获得认同度也较小。有些科学家是把明白事物解释糊涂，有些科学家是把糊涂事物解释清楚。
2019年9月28日完成初稿
2021年10月8日完成修改
