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化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De


2020-06-19



前言

用水彩笔沾取透明溶液在一张空白纸上随意绘画或写字,纸张吹乾或风乾后再以线香点燃,居然能烧出与绘画的图案或写出的字,而在未绘图区则安然无恙,这是怎幺回事呢?

示範实验影片

请按此连结:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal Decomposition of Nitrates),YouTube。


示範步骤

一、 示範前準备

1. 配製硝酸钾、硝酸钠、硝酸铅、硝酸锂和硝酸铵饱和溶液各30 mL,以玻棒搅拌直至固体不再溶解为止。

2. 取第一张空白纸,以水彩笔沾取饱和硝酸钾溶液于纸上绘画或写字(如写「化学」二字),如图一所示。

化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De

图一  以水彩笔沾取饱和硝酸钾溶液于纸上写字

3. 等待自然风乾或以吹风机慢慢吹乾,注意吹风时不要使溶液喷溅,如图二所示。

化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De

图二  以吹风机吹乾纸张

4. 取第二张空白纸,分别以不同的水彩笔依序沾取硝酸铅、硝酸钠、硝酸锂和硝酸铵饱和溶液于纸上依序画出四条平行线。

5. 等待自然风乾或以吹风机慢慢吹乾,注意吹风时不要使溶液喷溅。

二、 示範“星火燎原”

1. 带此二张已乾的纸张到教室上课。

2. 取一线香以打火机点燃,然后用点燃的线香戳第一张纸上的绘画或写字处,如图三所示。

化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De

图三  用点燃的线香戳原先写字

3. 在绘画或写字处会快速燃烧而形成原先的绘画或写字,如图四所示。

化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De

图四  燃烧而形成原先写好的「化学」二字

4. 然后用点燃的线香尽可能同时戳第二张纸上的四条平行线,以方便观察及比较。

5. 请同学观察此四条平行线是否燃烧并比较燃烧的速率,如图五所示。

化学示範实验:星火燎原—硝酸盐的热分解(Thermal De

图五  四条平行线燃烧的比较

溶液和器材

1. 硝酸钾饱和溶液  30 mL
2. 硝酸铅饱和溶液  30 mL
3. 硝酸钠饱和溶液  30 mL
4. 硝酸锂饱和溶液  30 mL
5. 硝酸铵饱和溶液  30 mL
6. 烧杯(50 mL)  五个
7. 玻棒  一支
8. 药勺  一支
9. 水彩笔  五支
10. 空白A4纸  二张
11. 线香  二支
12. 打火机  一个
13. 吹风机  一台

原理和概念

● 第一张纸点燃后,硝酸钾遇560℃高温分解为亚硝酸钾和氧气,其化学反应如下所示:

2KNO3(s) → 2KNO2(s) + O2(g)

硝酸钾分解的氧气能助燃纸张燃烧,又能帮助其它的硝酸钾继续分解,因此能沿着所绘图案一直燃烧下去。

● 第二张纸点燃后,硝酸钠在650-780℃分解为亚硝酸钠和氧气,其化学反应如下所示:

2NaNO3(s) → 2NaNO2(s) + O2(g)

硝酸钠分解的氧气能助燃纸张燃烧,又能帮助其它的硝酸钠继续分解,沿着绘图案燃烧的效果与硝酸钾大致相同。

● 当第二张纸点燃后,硝酸铅分解成氧化铅、二氧化氮和氧气,其化学反应如下所示:

2Pb(NO3)2(s) → 2PbO(s) + 4NO2(g) + O2(g)

硝酸铅分解的氧气能助燃纸张燃烧,又能帮助其它的硝酸铅继续分解,沿着绘图案燃烧的效果稍微比硝酸钾差一点。

● 当第二张纸点燃后,硝酸锂因锂离子有较高的电荷密度而分解的产物有些许的不同,其化学反应如下所示:

4LiNO3(s) → 2Li2O(s) + 4NO2(g) + O2(g)

沾硝酸锂的纸张沿着绘图案燃烧的效果稍微比硝酸钾差很多,燃烧常发生中断现象,这是硝酸锂极易潮解之故。

● 当第二张纸点燃后,硝酸铵分解不释出氧气,而产生氧化亚氮和水蒸气,其化学反应如下所示:

NH4NO3(s) → N2O(g) + 2H2O(l)

沾硝酸铵的纸张沿着绘图案燃烧的效果不佳,虽然氧化亚氮本身会分解出氧气,但是可能没有足够的氧化亚氮使纸张继续燃烧或可能温度太低无法继续分解。

● 燃烧三要素:燃料、燃点、氧气。燃料(可燃物):燃料,如纸、布、汽油、天然气、煤、木材等;燃料的主要成分为碳、氢、硫三种元素中的一种或数种。燃点,燃点是物体开始燃烧的温度,欲达到燃点,燃料燃烧需有热,热能可以分解燃料,产生可燃性气体而与空气中的氧发生化学作用。氧气(助燃物),氧气促成氧化作用而起燃烧作用,帮助燃烧。

点燃后绘图或写字区会燃烧,这是符合燃烧三要素。在未绘图或写字区不会燃烧,这是不符合燃烧三要素,可能未达到燃点或氧气浓度不足之故。

教学提示

1. 绘画的线条不可过粗,且须等待溶液渗入纸张,燃烧的效果比较佳。

2. 在示範前,教师事先完成吹乾绘画或写字的纸张。上课时,带这些纸张到教室演示,然后学生之间互动讨论。

3. 对于高年级的学生,可以複习硝酸盐类的分解反应式。

4. 燃烧的味道有点呛鼻,须于教室通风处操作。

5. 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。

问题和参考答案

1. 为什幺在以线香点燃后,纸张会沿绘图处燃烧?
答:因为硝酸钾分解的氧气能助燃纸张燃烧,又能帮助其它的硝酸钾继续分解,因此能沿着绘图或写字区一直燃烧下去。硝酸锂、硝酸铅和硝酸锂也会分解成氧气,因此绘图或写字区能够燃烧。点燃后绘图或写字区会燃烧,这是符合燃烧三要素。

2. 为什幺在以线香点燃后,纸张不会沿绘图处燃烧而中断了?
答:沾硝酸锂的纸张沿着绘图案燃烧的效果稍微比硝酸钾差很多,燃烧常发生中断现象,这是硝酸锂极易潮解之故。沾硝酸铵的纸张沿着绘图案燃烧的效果不佳,虽然氧化亚氮本身会分解出氧气,但是可能没有足够的氧化亚氮使纸张继续燃烧或可能温度太低(未达燃点)无法继续分解。

安全

● 示範这个实验最好戴安全眼镜及可丢弃的手套。
● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

参考资料(撷取日期:2010年7月)

1. 46. ‘Magic writing’, Classic Chemical Demonstrations, p 111, Royal Society of Chemistry, available at http://media.rsc.org/Classic Chem Demos/CCD-63.pdf.  
2. The thermal decomposition of nitrates – ‘writing with fire’, Practical Chemistry, http://www.practicalchemistry.or … itrates,280,EX.html.
3. Potassium nitrate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_nitrate.
4. Lead(II) nitrate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Lead(II)_nitrate.
5. 科学大探索-无字天书,http://content.edu.tw/primary/na … plore/explore11.htm.
6. 科学实验室-隐形墨水,http://scigame.ntcu.edu.tw/Site1/Game_others2.html.



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