化学示範实验:吹不熄蜡烛的製作(How to Make Ma

2020-06-19
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请按此连结,参阅「吹不熄蜡烛的製作[I]」

原理和概念

● 蜡烛燃烧与熄灭:火柴燃烧的热,熔化少量的固体蜡而形成液体的蜡油,然后藉由毛细作用,沿着棉芯上升。接着蜡油气化,蜡蒸气与上方的氧气发生燃烧反应,产 生火燄。当对蜡烛大力地吹气时,由于温度瞬间降低(温度是燃烧的三要素之一),并且吹散可燃物(蜡蒸气),因此蜡烛的火焰熄灭了。

● 「吹不熄的蜡烛」复燃的原理:当此蜡烛燃烧时,蜡蒸气与氧气发生燃烧反应,而且镁金属与氧气亦发生氧化还原反应,此二反应都是大量放热反应。当吹熄蜡烛时,虽然蜡烛熄灭了,但是烛芯上的镁粉仍处于高温的状态,造成镁金属发生氧化反应而放出热与光(有火花出现),此热足以使固体蜡烛熔化和气化,并且提供蜡烛燃烧的活化能,接着蜡烛再度复燃。

● 蜡烛由石蜡(paraffin wax)製造而成,石蜡是指烷烃(alkanes)的混合物,其通式为CnH2n+2,20 ≤ n ≤ 40。石蜡为白色、无臭、无味、蜡状固体,具有典型的熔点约47-64℃。石蜡完全燃烧的反应如反应式[1]、[2]和[3]所示:

2C20H42 + 61O2 → 40CO2 + 42H2O + heat    [1]

C25H52 + 38O2 → 25CO2 + 26H2O + heat    [2]

2C36H74 + 109O2 → 72CO2 + 74H2O + heat    [3]

● 金属镁(magnesium)在空气中燃烧形成氧化镁(magnesium oxide),这是一个有趣的氧化还原反应,因为此反应呈现燃烧的金属,也产生不少的白色强光,而且其燃烧的白色产物亦可见到,其反应如反应式[4]所示:

2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) + heat + light    [4]

● 镁在氧气中燃烧的标準反应焓(△H°),亦即氧化镁的标準形成焓(△H°f)之文献值为-601.6 kJ/mol。反应式[4]可以改写为反应式[5]。

2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) + 1203.2 kJ/mol    [5]

教学提示

● 此示範实验的教学可以融入燃烧三要素、蜡烛燃烧、镁燃烧、镁氧化、燃烧反应、放热反应、活化能等概念,以及蜡烛燃烧与熄灭、「吹不熄的蜡烛」复燃的原理在化学教学之中。

● 黏着烛芯和镁粉可用甘油或PVA胶水。若仅靠蜡的黏着力,当蜡熔化后,吸附的镁粉会沿烛芯往下滑落到蜡油的底部,造成上半部的烛芯所沾镁粉量变少,而难以 使「吹不熄蜡烛」复燃。然而使用PVA胶水当作黏着剂,会造成燃烧不完全,有大量积碳,复燃效果差。经过测试,使用甘油当作黏着剂,复燃效果较好而且较无 碳黑产生。

● 镁粉的涂抹宜薄而且均匀;涂抹太多易结块,反而不利复燃。

● 若欲使用「吹不熄的蜡烛」于生日场合,则白色蜡烛宜加入红色或其他油性色素。

● 蜡烛吹熄后,亦可于烛蜡上方的烟雾处点火,即可观看火焰沿烟雾的轨迹方向下向复燃,由此可证明蜡烛的燃烧,其实是蜡蒸汽的氧化的结果。

● 示範实验宜在通风处进行,并且旁边有灭火设施。

● 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

● 这个示範实验剩余的药品和器材可再次使用,最好装在一个标示「吹不熄的蜡烛」或放在相似主题的置物箱中备用,方便上课之用。

问题与参考答案

1. 观察蜡烛燃烧时,火焰上半部份与下半部颜色有何差异?
答:火焰上半部的颜色呈现亮黄色,下半部的焰色呈现淡蓝色。从焰色的角度来看,亮黄色的产生应该是碳的氧化,产生二氧化碳;淡蓝色的产生应该是氢的氧化,产生成水。

2. 若无烛芯,打火机可以点燃蜡条或果冻蜡吗?
答:打火机很难点燃蜡条(或果冻蜡),因蜡烛的燃烧是蜡蒸气的氧化作用,若无烛芯,则熔化的蜡油无法藉由毛细作用上升,进而气化,造成「局部」的蜡蒸气,处于高浓度的状况,蜡条当然不易点燃。

3. 蜡烛火焰为何会被吹熄,沾镁粉的蜡烛为何会复燃?
答:当对蜡烛吹气时,会有两种效应产生:一是可燃物蜡蒸汽的温度下降,二是蜡蒸汽被气流吹散,无法集中在局部的小区域,浓度下降,不利蜡烛的燃烧。然而镁 粉的燃烧是属于固体的氧化作用,吹气并不影响此反应的过程,镁粉仍然处于高温的状态,而与空气中的氧气反应而放出热和光,持续融化固体的蜡,并气化再复 燃。

安全

● 製作及演示时,最好戴手套和安全眼镜。
● 烛芯沾黏镁粉的过程,务必不可加入强氧化剂,否则极易发生严重的爆炸反应。进行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 演示后的残蜡为可燃物,可回收再使用。沾镁粉的烛芯亦可回收再使用。

参考资料

1. How to Make Candles That Can’t be Blown Out, http://www.ehow.com/how_4489575_ … .html#ixzz1Sz86AGTj.
2. How do trick birthday candles work? http://science.howstuffworks.com … ons/question420.htm.
3. Paraffin, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Paraffin.
4. Magnesium monoxide, NIST Chemistry WebBook, http://webbook.nist.gov/cgi/cboo … =2#Thermo-Condensed.
5. 吹不熄的蜡烛,屏东女中,第四十届中小学科展作品,http://science.ntsec.edu.tw/ezfi … 2_5494942_75490.pdf。
6. 阿条老师的easy理化教室,http://www.tkgsh.tn.edu.tw/教学资源/理化科/htmmagic/firefire.htm。
7. 吹不熄的蜡烛,youtube,http://www.youtube.com/watch?v=LCVHyO6F-8E。

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