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火焰五四三~焰色、氧化焰、還原焰 次要群組 [化學教學::氧化還原] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2013-06-10 12:59:26
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放在抽氣罐中持續震動的鬧鈴,隨著空氣越來越少,傳出的聲音越變越弱,終至無聲……這個有名的實驗,可以用來驗證聲音的傳遞需要介質。

這個抽氣機也能用來講解大氣壓力~


放在抽氣罐中的氣球,隨著空氣越來越少,罐內壓力變小而氣球體積慢慢變大。


但,如果是帶著火焰的蠟燭放在抽氣罐中,再抽去空氣,結果會是什麼樣?

 

之一  抽氣罐中的蠟燭

四月初,帶導師班學生到科博館進行戶外教學,其中一場科學演示~氣球的物理,科博館講師示範空氣砲吹蠟燭,也示範氣球在抽氣減壓裝置下的膨脹現象。

打開馬達,當抽氣機使罐內壓力變小時,內有微量氣體的氣球因壓力差而自然膨脹,這個現象讓還沒學到大氣壓力的學生們感到非常有興趣。這時,學生提出一個問題:『如果把剛剛的蠟燭放在抽氣機中抽氣,蠟燭會變怎樣?』我們的孩子不是來找碴,純粹和導師一樣好奇。

這個問題簡單!『裡面沒有空氣,蠟燭當然就熄滅了!』看似想當然耳的答案,講師會為孩子們示範嗎?『想要看嗎?』講師笑笑,他也沒做過,於是將帶有火焰的蠟燭放進抽氣機中,開始抽氣,如預期~隨著空氣逐漸抽去,蠟燭最後熄滅了。可是…熄滅是結果,中間過程呢?

過程很快,除了火焰變小外,似乎閃過一個畫面。是否注意到了呢?火焰的顏色乎也在改變,怎麼回事?於是,請講師再操作一次,錄影下來,也請學生瞧個仔細。影片如下:

當時沒能細看,後來透過影片反覆播放, 我們看到火焰是由外而內慢慢被抽離,剩下焰心,氧氣不足下充滿蠟蒸氣的藍焰!


『熄滅之前,蠟燭的火焰會由原本的金黃色,慢慢轉成藍色呢!』

火焰的顏色為何會變?和講師討論,他說:『平常是氧化焰,當氧氣不足時就變成還原焰了。』學過氧化還原,卻不知道......火焰也有氧化還原之分,引發了我的好奇。

 

之二  蠟燭燃燒的化學反應與火焰構造

氧化要產生火焰,是要有氣體分子的碰撞才會發生,火焰的形狀與對流有關,有重力的環境下,熱空氣密度小上升,形成常見的錐狀火焰,在無重力環境下,燭火的形狀則是圓的。

燃燒反應的主角是燃料分子和氧氣發生碰撞。蠟燭是由石蠟組成,石蠟是固態的碳氫化合物,碳氫化合物中的碳原子、氫原子,經由燃燒過程和氧原子結合,而分別形成二氧化碳和水。從反應物碳氫化合物到產生二氧化碳和水的過程,並非一次碰撞就能完成,蠟燭燃燒其實是一個多步驟的化學反應,燃料(碳氫化合物)、氧、中間產物間進行多次碰撞的化學變化。

蠟必須先變成蠟蒸氣。如下圖A,氣體的蠟油分子由燭芯往外擴散,而空氣中的氧氣分子同時由外往燭火擴散,兩者相互碰撞,擴散交界處形成火焰面。而燃燒產生的二氧化碳和水分子,如圖B,也會由火焰面往內或往外擴散出去,正因為反應物與產物的進出方向不同,而產生火焰的多層結構。

除了蠟蒸氣,火焰中還有許多碳微粒,這是因為蠟油分子吸收能量而切斷化學鍵,產生大量游離的碳原子,碳原子在火焰面和氧原子結合成為二氧化碳或一氧化碳,也可能與水分子碰撞而產生氫氣。

其他尚未反應的碳原子因為量多,則相互碰撞而結合成為碳微粒。火焰的金黃色,便與碳微粒有很大的關係,火焰由外而內如下:

  

外焰:燭焰的最外圍,由於空氣充足而完全燃燒,所以溫度最高。(所含的碳粒較少,光度比內焰暗,火焰是淡黃色)
內焰:焰心的外圍,焰心的蠟氣體在這裡燃燒,因為有多量的碳粒在內焰燃燒反射,所以內焰是燭焰最亮的部分,火焰是金黃色。
焰心:靠近燭芯的部分,是燭焰的最內層,淡藍色火焰。由未燃燒的蠟氣體所組成,溫度低,光度暗。(有時候焰心不容易看見,甚至外焰也不容易被肉眼觀察到。)

 

之三  藍焰,是冷還是熱?

蠟燭的藍焰在焰心,溫度低,而瓦斯的藍焰,則代表火焰燃燒完全,溫度很高。同樣是藍焰,為何冷熱不同?


在氧氣充足、燃料適中時則形成藍色瓦斯爐火。

蠟燭的燃燒反應是燃料分子與氧氣因擴散而生成,燃料和氧化物只有在火焰面彼此相遇、碰撞而產生能量與火焰,焰心因為充滿蠟蒸氣,光度暗而出現微弱的藍焰。

瓦斯爐的火焰則不同,燃料分子和氧分子在燃燒反應前就已經混合。藍焰為代表完全燃燒,黃紅色的火焰代表燃燒不完全。為什麼火焰有藍有黃呢?在林大惠教授撰寫的『燃燒火焰知多少』一文便提及,『在以碳氫化合物的藍焰來說,黃色火焰來自於火焰高溫區中存有大量的碳顆粒,藍色火焰則代表火焰高溫區擁有較多的中間型分子,如一氧化碳分子、氫氧及碳氫自由基等。紅色火焰則代表火焰高溫區存在大量的水分子,因而呈現紅色。』

藍焰也發生在銅鹽,這與金屬的焰色有關,就未必與溫度高低、是否完全燃燒有關了。

關於焰色與溫度,請見之前文章:藍綠對決~銅離子的焰色是藍還是綠? 火是什麼顏色?(上) 焰色篇 火是什麼顏色?(下) 色溫篇   關於蠟燭擴散火焰知識,參考自『科學發展2002年 7月 355期 p4~p11』成功大學機械工程學系林大惠教授撰寫,『燃燒火焰知多少』一文。

 

之四  氧化焰與還原焰

接著回到氧化焰、還原焰的問題。氧化焰是指燃料能完全燃燒的火焰,有大量空氣供給,氧氣充足,CO較少,具有氧化能力。還原焰則是不完全燃燒的火焰,內部一氧化碳和氫氣多,燃料並分解為含碳的產物,碳粒子被燃燒成游離狀態,能發出強光,具有很強的還原作用,以蠟燭火焰來說,『外焰是氧化焰,內焰是還原焰。』還有一種中性焰,燃燒時產生的一氧化碳、氫氣與進入的空氣量幾乎相等,處於平衡狀態。

誰會在意火焰為氧化焰或還原焰呢?陶藝家會在意火焰,這牽涉到燒窯時瓷器與釉上金屬氧化物的變化。『因火焰煅燒的位置與溫度之不同,而使同一金屬鹽窯燒後產生與預期不同的結果…』在古時候稱為窯變,其實這與氧化焰、還原焰有關。

以下關於窯變資料,參考自+{中華百科全書‧典藏版}+ 例如銅鹽的釉色變化,本應呈綠或藍色,但出窯時,有些卻變成紫紅色,在氧化焰中成為氧化銅(CuO),但在還原焰中則形成氧化亞銅(Cu2O),呈紫或紅色。而鐵鹽在氧化焰中形成氧化鐵(Fe2O3),呈黃色或褐色,若在還原焰中則形成氧化亞鐵(FeO),呈青色。

 

分類:科學五四三 2011/05/13 10:19

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