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再看仙女棒的火花 次要群組 [化學教學::速率平衡] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2013-06-13 18:58:39
關鍵字 1火花 2氧化 3仙女棒
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理化教學常常受限進度與時間不一定能整節做活動,常常只利用下課前個"十分鐘科學" 。這天,為了補拍一些相片(順便出清手邊的仙女棒),就帶導師班學生做個十分鐘的小實驗”透透氣”,觀察仙女棒。

仙女棒適合談氧化與反應速率。物質與氧結合的化學反應稱為『氧化』,生鏽是緩慢氧化,燃燒則是物質快速氧化並產生光和熱。仙女棒的鐵絲不會燃燒,外層金屬粉末(如鐵粉)卻會燃燒並產生金黃色的火花,這是因為粉末與空氣的接觸面積增大,而使氧化反應變激烈。(附註:反應的快慢稱為『反應速率』,除了受顆粒大小(表面積)影響外,也與物質本身活性有關,其它如增加反應物濃度、提高反應溫度或加入催化劑(或助燃劑)等,都能加快反應速率。)


學生好奇的是~『為什麼它的火光會像小星星一樣,前端出現分岔?』

『為什麼仙女棒會有分岔的火光?』以前曾在文章仙女棒教學篇~仙女棒的觀察與聯想 推測:『…可能是因為仙女棒上的金屬粉末是透過黏著劑附著在棒上,在燃燒仙女棒的同時,一團團金屬粉末表面先燃燒、飛濺開,等到燃燒到一定的程度後,內部再度燃燒,才會形成二度爆炸…』當時的想法是來自煙火的二次爆炸,直到最近,再好好檢視仙女棒,卻發現這樣的推測顯然需要修正,因此透過這篇重新審視這個問題。在網路上找到一個慢動作的仙女棒火花影片(影片斷斷續續傳得較慢,建議先暫停傳到1/3再觀看):

『除了仙女棒燃燒,哪些情況會出現分岔的火光?』金屬(特別是鐵器)削切加工、擦撞時會產生火花,也是會有類似分岔的結果,這火光讓我想起仙女棒,或許二者之間有關連。透過資料搜尋發現,發現在機械系有所謂的『火花試驗』:將鋼棒加一定之壓力在高速旋轉的砂輪摩擦,可由產生的火花特性,迅速鑑定鋼料的種類及化學成份。

『金屬摩擦過程為何會產生光亮的線條?』鋼料被砂輪磨出許多微細的粉屑,摩擦產生高熱,高溫的粉屑沿砂輪面之切線方向快速噴出,粉屑與空氣接觸而氧化使溫度更高,於是在空中形成一條條的光亮線條(流線)。

那麼,『為何光亮線條上還會生出像爆炸的分岔火花呢?』在第一個慢動作的仙女棒影片中沒有看到流線(流線應該來自視覺暫留),而爆炸似的分岔看得非常清楚。原來,這與粉屑中含碳有關。高溫使噴出粉屑內的碳燃燒產生二氧化碳,高壓膨脹的氣體由鐵屑氧化膜表面噴出或破裂,因此產生分枝(火花)。

含碳量不同會影響火花爆裂程度,含碳量愈多,火花長度愈短、流線愈多且爆裂。不同的合金粉末也會因為燃燒氧化程度不同而產生不同型態的火花。 附註:關於火花試驗參考資料請見這裡,投影片前14頁;而金門農工在43屆也有一份相關的科展研究:探索金門鋼刀的奧秘-利用火花試驗探討鋼刀的材質特性

*******

回到最初的問題:『為什麼仙女棒會有分岔的火光?』仙女棒表面並非緊密,因此燃燒時高溫粉末往外飛濺,在空中氧化燃燒先形成光亮的線條,高溫再進一步使粉末內的碳與氧燃燒形成二氧化碳,而這些二氧化碳使鐵粉往不同方向爆開,因而使火花形成像小星星般的分岔效果。 


仙女棒的線條短,分岔多,顯然含碳量不低呢!

 

之前仙女棒文章(尚在yahoo):仙女棒教學篇~仙女棒的觀察與聯想 仙女棒DIY篇~自製的『魔』女棒 ;鐵的生鏽~為什麼一定要有氧和水?與鐵氧化有關的文章:氧化不簡單(1)~鐵的燃燒與生鏽及其系列文。

分類:科學五四三 2011/10/27 14:41

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