化學示範實驗：竹筒炮的製作（How to Make a Bamboo Cannon）〔II〕

Posted on 2011/07/18 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 有 2 則迴響 7,762 views

化學示範實驗：竹筒炮的製作（How to Make a Bamboo Cannon）〔II〕
國立大甲高級中學化學科廖旭茂老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「竹筒炮的製作〔I〕」

原理和概念

● 碳化鈣（俗稱電石，Calcium carbide，CaC₂），與水（H₂O）反應產生乙炔氣體（acetylene, ethyne），其反應相當快速，過程中還放出大量的熱，如反應式[1]所示：

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

● 乙炔為高爆炸性的氣體，與適量的空氣（適量的氧氣）混合，極易產生爆炸，產物之一為二氧化碳氣體，如反應式[2]所示。乙炔與不充足的氧氣混合，導致不完全燃燒，產物為一氧化碳氣體或黑色碳粒，如反應式[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]

● 在標準狀態下，C₂H₂(g)、O₂(g)、CO₂(g)和2H₂O(g)的生成焓（Δ_fH^°）分別為：227.4、0.0、-394和-241.8 kJ/mol。在標準狀態下，反應式[2]的焓變化：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莫耳的乙炔與5莫耳的氧氣的反應會放出2514 kJ的熱。此焓的變化使氣態的產物（二氧化碳和水蒸氣）瞬間膨脹，因而產生令人震耳欲聾的巨響。

● 一般市售的電石多為灰黑色，碳化鈣的含量約80~85%，其餘為CaO、Ca₃P₂、CaS、Ca₃N₂等。因為此類化合物與空氣中的水蒸氣作用而分解出少量的PH₃、NH₃、H₂S等氣體，所以電石常有令人作嘔的味道。

教學提示

● 細竹竿的前端削尖後，粗竹管內部的竹節既薄又脆，極易貫穿，不可用力過猛，否則不小心會貫穿整個竹節，整枝粗竹竿會報廢。

● 用濕抹布，按住圓孔時間不宜過長，否則累積的乙炔氣體太多，爆炸威力相當驚人，最後連整枝粗竹管都會炸開，相當危險！

● 點燃引爆時，旁觀者距離竹筒炮至少3公尺。強烈建議點燃者應該帶上耳塞，以免耳膜受傷。

● 以抹布沾取煤油，煤油不可太多。旁邊最好準備一桶水，引爆後可直接熄滅火炬。

● 於竹筒炮管的各竹節處以鐵絲纏繞數圈固定，以防止竹節被炸開的危險。圖六為未以鐵絲纏繞固定而竹節被炸開。

圖六未以鐵絲纏繞固定而竹節被炸開

問題與參考答案

1. 當電石加入水後發生什麼變化？

答：在竹筒炮管的圓孔處（引爆口）冒出大量的白色煙霧，當停止反應時留下一些灰白色的固體，此固體為氫氧化鈣（Ca(OH)₂）。

2. 竹筒炮在引爆的過程中所發生劇烈的反應，其涉及什麼化學原理呢？

答：電石加水的反應是一個激烈的化學反應，並且放出大量的熱。反應迅速產生大量的乙炔氣體。當高爆炸性的乙炔與竹筒內的空氣以適當比例混合後，於小孔處點火引爆，乙炔與氧氣發生氧化還原反應，產生二氧化碳與水蒸汽，並釋出大量的熱；受熱的氣體瞬間膨脹，因而產生令人震耳欲聾的巨響。本次示範實驗涉及的化學反應，如下反應式所示：

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時，應該戴手套、安全眼鏡以及耳塞。
● 竹筒炮的製作及引爆竹筒炮有高度的危險性，適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

● 演示後殘留在竹筒炮管內的廢棄石灰水，不可直接倒入水槽而污染環境，應該倒入無機物廢棄桶中回收處理，或用鹽酸中和稀釋排放。

參考資料

1. Calcium carbide, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_carbide.
2. 乙炔，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/乙炔。
3. 臺東縣長濱國小民族教育資源教室，http://327758.webhop.net/school/2-3-6.html。
4. 全國第三屆社區竹管炮創意比賽，http://blog.yam.com/chihu/article/19593362。
5. 影片配樂(cc) Celestial Aeon Project – Mind’s Eye，http://www.jamendo.com。