请按此连结,参阅「竹筒炮的製作〔I〕」

原理和概念

● 碳化钙(俗称电石,Calcium carbide,CaC2),与水(H2O)反应产生乙炔气体(acetylene, ethyne),其反应相当快速,过程中还放出大量的热,如反应式[1]所示:

CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(aq) + heat    [1]

● 乙炔为高爆炸性的气体,与适量的空气(适量的氧气)混合,极易产生爆炸,产物之一为二氧化碳气体,如反应式[2]所示。乙炔与不充足的氧气混合,导致不完全燃烧,产物为一氧化碳气体或黑色碳粒,如反应式[3]或[4]所示。

2C2H2(g) + 5O2(g) → 4CO2(g) + 2H2O(g)    [2]

2C2H2(g) + O2(g) → 4C(s) + 2H2O(g)    [3]

2C2H2(g) + 3O2(g) → 4CO(g) + 2H2O(g)    [4]

● 在标準状态下,C2H2(g)、O2(g)、CO2(g)和2H2O(g)的生成焓(ΔfH°) 分别为:227.4、0.0、-394和-241.8 kJ/mol。在标準状态下,反应式[2]的焓变化:4(-394) kJ/mol + 2(-241.8) kJ/mol – 2(227.4) kJ/mol – 5(0.0) kJ/mol = -2514 kJ/mol。亦即,2莫耳的乙炔与5莫耳的氧气的反应会放出2514 kJ的热。此焓的变化使气态的产物(二氧化碳和水蒸气)瞬间膨胀,因而产生令人震耳欲聋的巨响。

● 一般市售的电石多为灰黑色,碳化钙的含量约80~85%,其余为CaO、Ca3P2、CaS、Ca3N2等。因为此类化合物与空气中的水蒸气作用而分解出少量的PH3、NH3、H2S等气体,所以电石常有令人作呕的味道。

教学提示

● 细竹竿的前端削尖后,粗竹管内部的竹节既薄又脆,极易贯穿,不可用力过猛,否则不小心会贯穿整个竹节,整枝粗竹竿会报废。

● 用湿抹布,按住圆孔时间不宜过长,否则累积的乙炔气体太多,爆炸威力相当惊人,最后连整枝粗竹管都会炸开,相当危险!

● 点燃引爆时,旁观者距离竹筒炮至少3公尺。强烈建议点燃者应该带上耳塞,以免耳膜受伤。

● 以抹布沾取煤油,煤油不可太多。旁边最好準备一桶水,引爆后可直接熄灭火炬。

● 于竹筒炮管的各竹节处以铁丝缠绕数圈固定,以防止竹节被炸开的危险。图六为未以铁丝缠绕固定而竹节被炸开。

化学示範实验:竹筒炮的製作(How to Make a Ba

图六 未以铁丝缠绕固定而竹节被炸开

问题与参考答案

1. 当电石加入水后发生什幺变化?

答:在竹筒炮管的圆孔处(引爆口)冒出大量的白色烟雾,当停止反应时留下一些灰白色的固体,此固体为氢氧化钙(Ca(OH)2)。

2. 竹筒炮在引爆的过程中所发生剧烈的反应,其涉及什幺化学原理呢?

答:电石加水的反应是一个激烈的化学反应,并且放出大量的热。反应迅速产生大量的乙炔气体。当高爆炸性的乙炔与竹筒内的空气以适当比例混合后,于小孔处点火引爆,乙炔与氧气发生氧化还原反应,产生二氧化碳与水蒸汽,并释出大量的热;受热的气体瞬间膨胀,因而产生令人震耳欲聋的巨响。本次示範实验涉及的化学反应,如下反应式所示:

CaC2(s) + H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(aq) + heat

2C2H2(g) + 5O2 → 4CO2(g) + 2H2O(g) + heat


安全

● 竹筒炮的製作及引爆竹筒炮时,应该戴手套、安全眼镜以及耳塞。
● 竹筒炮的製作及引爆竹筒炮有高度的危险性,适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 演示后残留在竹筒炮管内的废弃石灰水,不可直接倒入水槽而污染环境,应该倒入无机物废弃桶中回收处理,或用盐酸中和稀释排放。

参考资料

1. Calcium carbide, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_carbide.
2. 乙炔,维基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/乙炔。
3. 台东县长滨国小民族教育资源教室,http://327758.webhop.net/school/2-3-6.html。
4. 全国第三届社区竹管炮创意比赛,http://blog.yam.com/chihu/article/19593362。
5. 影片配乐(cc) Celestial Aeon Project – Mind’s Eye,http://www.jamendo.com。

你会喜欢下面的文章? You'll like the following article.