请按此连结,参阅「神奇的闪光纸[I]」

原理和概念

● 硝化纤维或硝基纤维素(Nitrocellulose),又名纤维素硝酸酯(cellulose nitrate),也称为闪光纸(flash paper),通常由棉绒纤维和木浆等纤维材料浸入浓硝酸和浓硫酸混合液或其他的硝化剂中製得,硝酸提供硝基,硫酸当作催化剂,纤维素转换成硝酸纤维素和水,其反应称为硝化反应(nitration),如下反应式所示。

3HNO3+ C6H10O5 → C6H7(NO2)3O5 + 3H2O

在上述反应式中,C6H10O5为纤维素的单体,C6H7(NO2)3O5为硝化纤维的单体。纤维素的结构式如图十五所示,硝化纤维的结构式如图十六所示。

化学示範实验:神奇的闪光纸[II]

图十五 纤维素的结构式

图片来源:Cellulose, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose

化学示範实验:神奇的闪光纸[II]

图十六 硝化纤维的结构式

图片来源:Nitrocellulose, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrocellulose

● 典型的硝化反应使用浓硝酸和浓硫酸,称为“混合酸(mixed acid)”,此混合酸产生硝酰阳离子(nitronium ion, NO2+),如下反应式所示。在此反应中,硫酸是不被消耗的,因此当作催化剂。浓硫酸也可以吸收反应副产物的水,以避免使纤维素和硝化纤维溶于水而使纸张糊掉。

HNO3 + 2H2SO4 → NO2+ + 2HSO4– + H3O+

● 硝化纤维是一种高度易燃的化合物,当作推进剂或低阶炸药。在1880年代,被樟脑塑化的硝化纤维可被用于照相底片、X光底片和电影底片,被称为硝酸盐底片(nitrate film)。不稳定的硝酸盐底片在经过无数次的火灾之后,1930年代开始使用安全的X光片底片,1948年安全的电影胶片才问世。

● 相较于较纤维素,硝化纤维的燃点较低。原本的纸张含纤维素需要较高的温度才能燃烧,只有线香点到的地方才会烧起来,没有点到的地方不会燃烧。然而,硝化后的纸张含硝化纤维,较低的温度就能够立即燃烧闪光纸。事实上,硝化纤维具有闪点12.7℃和自燃温度170℃。

● 从微观上而言,硝化纤维的分子结构(如见图十六)比纤维素(如见图十五)要複杂得多,-NO2基比-OH基佔有的空间较大,因此硝化纤维的分子有立体障碍而且其分子间的氢键较纤维素为弱,此分子增加原來纤维素分子之间的距離,也降低它们之间的作用力。纸张内的纤维素之间的氢键变弱因而降低燃烧反应的活化能,以致硝化纤维较纤维素容易燃烧。

● 一般而言,某些官能基如硝基(–NO2)、硝酸基(–ONO2)和叠氮基(–N3),当有内在的不稳定的情况下就会立即分解。就动力学而言,这些官能基存在着低活化能而容易进行分解反应,因此这些官能基对火焰或机械冲击具有高灵敏度性。在这些官能基中的化学键的特点主要是共价键,而不是具有高离子晶格能的热力学稳定性的离子键。此外,相较于热力学稳定的化合物,含这类官能基的化合物通常具有正值的形成焓以及分子内有一点点的立体障碍,导致其热力学不稳定。例如,叠氮化铅(Pb(N3)2),氮原子彼此键结在一起,容易分解成Pb和N2。硝化纤维具有动力学不稳定,也具有热力学不稳定。虽然纤维素燃烧形成CO2和H2O为放热反应,但是硝基分解为吸热反应(正值的硝基形成焓)。总和地,硝化纤维的燃烧放热反应不多,以致闪光纸放在手掌心燃烧,感觉不会很烫。

● 再者,闪光纸瞬间燃烧,火焰接触手掌心的时间非常短暂,以致传到手掌心的热量不多,这也是手掌感觉不会很烫的另一项原因。

 
教学提示

1. 在步骤中所配製的混合酸,第一批放入5张秤量纸,反应时间约3~5分钟即可取出。第二批再放入另外5张秤量纸,反应时间需加长至约10分钟,这是因为混合酸已消耗一些,溶液的浓度也下降。依此比例时间,大约仅可以製作第三批闪光纸,愈后面的放入的秤量纸,其燃烧效果愈差,燃烧的速率也愈慢,且燃烧后有明显的灰烬。提醒:最好使用新鲜的浓硝酸和浓硫酸,製作的闪光纸才会整张完美,其燃烧效果才有立即燃烧的效果

2. 製作闪光纸时,使用浓硫酸及浓硝酸浸泡时,务必在抽风柜中操作!因为製作过程可能产生二氧化氮(NO2)气体,此气体有毒!请小心。浓硫酸及浓硝酸具有强腐蚀性,必须戴塑胶手套製作闪光纸。

3. 闪光纸要用塑胶密封袋密封保存,并储存于低温阴凉处,需要示範时再取出使用。若直接放在空气中,或放在盒子里,经大约数星期后,可能会因水蒸气潮解而变成糊状物。

4. 燃烧闪光纸时,当燃烧约一半之量时立即往上方抛出。勿手持闪光纸燃烧到结束,否则可能会烧到手。注意:燃烧的闪光纸勿朝人丢出!若担心烧到手指,可以用镊子夹住闪光纸再行点燃。中小学生勿独自燃烧闪光纸,必须有老师和家长监督。由于燃烧闪光纸有火产生,因此示範时旁边必须準备一具灭火器,以方便易燃物着火时灭火。

5. 闪光纸放置于手掌心燃烧时,会稍微有刺热的感觉。无此经验者,可以先用小张闪光纸试试感觉,再使用大张一点测试看看。若使用大张闪光纸,先弯折成碗状,再倒立地放在手掌心燃烧,可降低接触手掌心燃烧的时间,如此可以避免长时间接触燃烧的火焰而烫伤。当点燃闪光纸时,应该有技巧地点燃上方,使燃烧火焰不直接接触到手掌心,如此也可以避免长时间接触燃烧的火焰而烫伤。若感觉有点疼痛而不舒服,可以立即抛开闪光纸。

6. 除了秤量纸之外,平板卫生纸也可以製作闪光纸,但要注意下面几个问题:(i)单张卫生纸由两层堆叠而成,放入混合酸前应该先分开成两张。(ii)卫生纸容易吸收空气中的水蒸气,因此一定要先用烘箱加以烘乾,然后放入混合酸。否则,直接放入混合酸,会立刻变成糊状而无法製作整张完美的闪光纸。(iii)混合酸的温度一定要降至40℃以下,才能放入卫生纸进行硝化反应。若温度过高,卫生纸也会立即变成糊状而无法保持整张闪光纸。

7. 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。

8. 这个示範实验所使用的溶液和器材均可重複使用,最好装在一个标示「神奇的闪光纸」或放在相似主题的置物箱中备用。

问题与参考答案

1. 硝化过和未硝化的纸张,燃烧的情形有什幺不同呢?
答:如果用线香点燃一般的秤量纸(或卫生纸),只会在接触的地方燃烧一个小洞,整张的秤量纸(或卫生纸)不会完全燃烧。但是硝化过的秤量纸(或卫生纸)用线香点燃时,整张纸瞬间燃烧起来,没有留下任何灰烬。

2. 在硝化反应中,浓硫酸扮演什幺角色呢?
答:在硝化反应中,硫酸是不消耗的,因此当作催化剂。浓硫酸也可以吸收反应副产物的水,以避免使纤维素和硝化纤维溶于水而使纸张糊掉。

3. 以微观角度,说明硝化纤维比纤维素比较容易燃烧。
答:从微观上而言,硝化纤维的分子结构比纤维素要複杂得多,-NO2基比-OH基的体积较大而且极性较小,因此硝化纤维的分子有立体障碍而且其分子间的氢键较纤维素为弱,此分子增加原來纤维素分子之间的距離,也降低它们之间的作用力。氢键变弱导致降低燃烧反应的活化能,以致硝化纤维较纤维素容易燃烧。

安全

● 製作闪光纸时,使用浓硫酸及浓硝酸浸泡时,务必在抽风柜中操作!製作过程可能产生NO2气体,有毒!请小心。浓硫酸及浓硝酸具有强腐蚀性,必须戴塑胶手套製作闪光纸。

● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 使用过后之硫酸及硝酸,务必用碳酸氢钠中和后以大量的清水稀释排放。


参考文献

1. Cellulose, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Cellulose.
2. Nitration, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Nitration.
3. Nitrocellulose, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Nitrocellulose.
4. The Properties of Nitrocellulose, http://www.ehow.com/about_5078853_properties-nitrocellulose.html.
5. Explosive material, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Explosive_material.
6. Flash Paper,2007白沙化学惊奇秀,http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/5刘佳欣6.pdf。

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