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钢铁有熔点,那木材之类的为什么没有熔点?一烧就变黑了?

2019-12-14

本文参加百家号 #科学了不起# 系列征文赛。

有一位童鞋在平台上提问:钢铁有熔点,那木材之类的为什么没有熔点?一烧就变黑了?

在每个人曾经接受的义务教育中,大量地将物理概念灌输给大家,其中就包含熔点、沸点、固体、液体、气体等概念。但说实话,其实说的不够明白,定义太多就像是背书,把本来非常有趣的物理搞得非常枯燥。

可能有的朋友会说:提这个问题的人一看就是初中物理没有学好!

其实没有必要那么苛刻,在我个人的经验来看,就是有很多细节问题可能没有被别人注意到。我小时候也有过一个怎么也想不通的问题——物体有固、液、气三态,那么牙膏属于哪一种呢?

后来我请教了大表哥,他略为思考,告诉我:“牙膏是混合物,里面既有固体也有液体,所以是这个样子。”我当时一下子就懂了,原来这么简单。

晶体与非晶体是熔点的关键

这个问题也是一样,物质的三态其实只能针对纯净物,而熔点与沸点只能只能针对晶体,这些概念是有明确地限制范围的,事实上世界上绝大多数物质都是没有熔点的,晶体是很少见的。

那什么是晶体呢?就是能构成原子级几何结构的物质,可以是单一的一种元素,也可以是一些化合物。大家知道,分子是有形状的,原子与原子之间存在夹角,这些微观的几何结构可以在组合成宏观物体时体现出来,大家可以举一个非常经典的例子——水。

一个氧与两个氢成120°夹角,这就是水分子的结构。这120°是圆周的1/3,所以……会产生什么呢?答案是六边形,没错,就是雪花的形状。

要组成雪花,还需要一个小东西的帮助,叫氢键。每个水分子的氢也有机会与其它水分子的氧产生结合力,虽然还达不到化学键的强度,但也不可小觑了,水的液态体积小于固态正是拜它所赐。在两个水分子形成氢键后,其中有一个氧原子就会出现周围被三个氢原子等角包围的形状,也就是每个角120°。

那么这样会形成什么结构呢?只要看一眼上面这个图就能恍然大悟,当然是正六边形,水在凝结过程中正是由四处运动的、游离的水分子,通过像积木一样的“镶嵌”进固体中,这被称为晶体的成长(水只是熔点比较低而已,与其它矿物和金属的熔点本质是一样的)。

正是因为这样的成长过程,所以晶体都有固定的熔点,因为要想从组合好的晶体上拆下分子来,就需要持续地输入能量,在把所有晶体全部折散之前,分子表现出的平均动能不会变,也就是温度不会上升(但是系统总能量确实是增加了,因为游离的分子比结合的分子能量要高)。

钢铁也是晶体,金属的晶体形式比较特殊,名为金属晶体。它的结构虽然与矿物晶体不同,但是也一样组成了特定的空间结构,所以拥有特定的熔点与沸点,这是晶体的共通特征。

为什么木头会变性?

木头为什么不仅没有熔点还会因加热而变性?

这其实是两个问题:1、混合物没有固定熔点。2、不同分子的温度耐受力不一样

首先大家要知道木头是混合物,它的主要组成是纤维素、半纤维素和木质素。这三种都是大分子有机物,而且由于这些大分子都是由大量的小有机分子聚合而成的,木质素是由三种醇单体(对香豆醇、松柏醇、芥子醇)形成的一种复杂酚类聚合物,而纤维素和半纤维素是高聚合多糖。因此它们没有固定的大小,可以很大,也可以比大更大,就算是单纯的纤维素也没有固定的空间几何结构,更不要说二者混合了。

其次,有机物的一大特征就是不耐热,因为相比于碳碳双键、碳碳三键、羟基、羧基、醚键、醛基、羰基间相互连接的脆弱化学键,还有更结实更简单粗暴的化学键组合方式。

比如纤维素中的元素比例有一个特点,氢与氧的比例总是2:1,所以在以前糖类也被称为碳水化合物。那么在受到超过200℃的高温时,其中的氢与氧就很容易相互结合,变成更低能更稳定的水分子挥发掉,只剩下的碳元素,这也就是碳化。如果在含有氧气的情况下,碳会燃烧,相对的,人们会利用缺氧环境制备易用的燃料木炭,也就是古代的“烧炭”。

在物理世界中,前提还是要注意一下的,当大家对一个事物进行判断时,最重要的就是得先分清楚大家想研究的对象是不是可以应用此概念。

编辑:酋知鱼

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