化學示範實驗：黑色異形在蔗糖脫水中誕生（Alien Born in the Dehydration of Sugar）

化學示範實驗：黑色異形在蔗糖脫水中誕生（Alien Born in the Dehydration of Sugar）
國立玉里高級中學化學科黃有道老師/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

「黑色異形」在無名火中誕生，它雖不重，但很黑，還帶點焦糖的芳香味道。此示範實驗是透過不用火且突然燃燒的一連串化學反應，首先利用濃硫酸使蔗糖脫水並且放出熱量，引發蔗糖與氯酸鉀的激烈反應，然後引燃蔗糖而使蔗糖碳化。學生最感驚奇的是不需要點火就可以引燃蔗糖。

示範實驗影片

請按此連結：黑色異形在蔗糖脫水中誕生（Alien Born in the Dehydration of Sugar），YouTube。

 

示範步驟

一、示範前準備

1. 取約4刮勺（約18克）的蔗糖置入研缽中，用力地研磨成細粉狀。然後加入約1刮勺（約3克）的氯酸鉀，輕輕地研磨此混合物成為細粉狀，如圖一所示。稱此混合的粉末為「神奇粉末A」。

圖一  研磨混合物成為細粉狀（「神奇粉末」）

2. 另取約4刮勺（約18克）的蔗糖置入研缽中，用力地研磨成細粉狀。然後加入約1刮勺（約6克）的氯酸鉀，輕輕地研磨此混合物成為細粉狀。稱此混合的粉末為「神奇粉末B」。

3. 以1支PE滴管吸取約0.5 mL的濃硫酸，然後插入一支試管中，備用。放置此試管於一個錐形瓶中使之直立著而不傾倒，如圖二所示，稱此濃硫酸為「神秘液體」。

圖二  試管中裝少許的濃硫酸（「神秘液體」）

二、表演「黑色異形」的誕生

1. 攜帶「神奇粉末A」、「神奇粉末B」、「神秘液體」、二個空鋁罐、二塊鋁箔和一支藥匙到教室外通風處或在實驗室的通風櫃中。

2. 先取一塊鋁箔墊在教室外的地面上或通風櫃的桌面上，然後取一個空鋁罐倒立放置在鋁箔上作為燃燒的平台。

3. 放置「神奇粉末A」於倒立的鋁罐底部凹槽內，並且盡量堆成高山狀，如圖三所示。

圖三  「神奇粉末A」置於倒立的鋁罐底部凹槽內

4. 接下來，滴入一滴「神秘液體」於「神奇粉末A」上，如圖四所示。滴入「神秘液體」後，PE滴管務必迅速移開，否則可能會被立即起火燃燒的蔗糖燒到。

圖四  滴入一滴「神秘液體」於「神奇粉末A」上

5. 請學生注意觀察變化的情形。圖五至圖八為「神奇粉末A」燃燒的過程以及「黑色異形」的誕生。

 圖五  「神奇粉末A」立即起火燃燒

圖六  「神奇粉末A」燃燒越來越激烈

 圖七  在「神奇粉末A」燃燒的過程中「黑色異形」慢慢誕生

 圖八  「黑色異形」誕生的外觀

6. 重複步驟3-4，用「神奇粉末B」取代「神奇粉末A」。

圖九  滴入一滴「神秘液體」於「神奇粉末B」上

7. 再次請學生注意觀察變化的情形。圖十至圖十四為「神奇粉末B」燃燒的過程以及另一個「黑色異形」的誕生。

圖十  「神奇粉末B」立即起火燃燒且非常激烈

圖十一  「神奇粉末B」燃燒非常激烈，「黑色異形」誕生之中

 圖十二  在「神奇粉末B」燃燒過程中「黑色異形」突然誕生

圖十三  「黑色異形」誕生的外觀之一

圖十四  「黑色異形」誕生的外觀之二

8. 請學生描述本示範實驗所發生的變化現象，並且思考變化現象背後的化學原理和概念。

9. 在思考一段時間後，老師先告訴學生剛剛使用的「神奇粉末A」、「神奇粉末B」和「神秘液體」是什麼化學藥品，然後老師引導學生討論變化現象背後的原理和概念。

藥品與器材

1. 蔗糖（Sucrose, C₁₂H₂₂O₁₁） 3刮勺（約18克）x 2
2. 氯酸鉀（Potassium chlorate, KClO₃） 1刮勺（約3克）和2刮勺（約6克）
3. 藥匙  2支
4. 研缽和杵  2組
5. 濃硫酸（Conc. sulfuric acid, 18 M H₂SO₄） 0.5 mL
6. PE滴管  1支
7. 試管  1支
8. 錐形瓶  1個
9. 空鋁罐  1個
10. 鋁箔（約30 cm x 30 cm） 2張

原理和概念

● 濃硫酸為常見的化學試劑，具有極強的腐蝕性，因此在使用時應該非常小心。濃硫酸亦有很強的脫水性，能使碳水化合物脫水以及留下黑色的碳，利用濃硫酸使蔗糖的脫水反應為放熱反應，如反應式[1]所示：

C₁₂H₂₂O₁₁(s) → 12C(s) + 11H₂O(g) + 429 kJ    [1]

在本示範實驗中，當濃硫酸（「神秘液體」）滴到蔗糖（「神奇粉末A」或「神奇粉末B」的成分之一）中，蔗糖立即進行脫水反應並且放出大量的熱（429 kJ/mol sucrose）。

● 在反應式[1]中，蔗糖脫水放出大量的熱可以達到蔗糖與氯酸鉀反應的活化能使其反應，如反應式[2]所示。此反應亦為放熱反應，而且放出大量的熱（2029 kJ/mol sucrose），同時也發出強光。

C₁₂H₂₂O₁₁(s) + 8KClO₃(s) →

12CO₂(g) + 11H₂O(g) + 8KCl(s) + 2029 kJ    [2]

由於反應[2]的氯酸鉀為限量試劑，蔗糖為過量試劑，因此在反應式[2]放出大量的熱量下，過量的蔗糖繼續進行脫水反應並且放出大量的熱，如反應式[1]所示：

反應式[1]釋放出大量的熱又繼續提供給反應式[2]所需的活化能，而造成連鎖反應。這些反應的過程中產生的氣體夾雜在黏稠狀的焦糖和黑碳中，導致黑色的炭柱慢慢地形成或黑色的噴出物突然出現，此蓬鬆殘渣猶如「黑色異形」出現了。

● 另外，有文獻提到：氯酸鉀與濃硫酸反應會產生化學性質非常活潑的氯酸（KClO₃）以及硫酸鉀，如反應式[3]所示：

2KClO₃(s) + H₂SO₄(aq) → 2HClO₃(aq) + K₂SO₄(s)    [3]

當反應式[3]所產生的氯酸遇到蔗糖時，會發生激烈的反應，並且放出大量的熱量，如反應式[4]所示：

8HClO₃(aq) + C₁₂H₂₂O₁₁(s) → 11H₂O(g) + 12CO₂(g) + 8HCl(ag)    [4]

反應式[4]釋放出大量的熱又繼續提供給反應式[1]所需的活化能，而造成連鎖反應。這些反應的過程中產生的氣體夾雜在黏稠狀的焦糖和黑碳中，導致黑色的炭柱慢慢地形成或黑色的噴出物突然出現，此蓬鬆殘渣猶如「黑色異形」出現了。

教學提示

1. 本示範實驗可以討論的主題有：硫酸的性質、氧化還原反應、氣體的性質─氧氣、影響反應速率的因素和反應熱。

2. 教師準備時間：10分鐘；課堂時間：示範實驗當場研磨藥品，讓學生完全看到過程20分鐘。

3. 在研磨蔗糖和氯酸鉀混合物時，務必不可用力重擊或加熱，否則容易突然起火燃燒。這個示範實驗也有潛在的危險性，最好由老師示範，不要讓學生自己動手做。

4. 教師可以事先嘗試各種比例的蔗糖與氯酸鉀，以盡量增加炭渣殘量以及減少實驗產生的煙霧為原則。

5. 這個示範實驗的反應非常劇烈並伴隨強光、濃煙及炭渣噴濺，教師示範必須在教室外通風處或在實驗室的通風櫃中進行，也要提醒學生切勿靠近。示範此實驗的旁邊，必須準備一具滅火器，以備不時之需。

6. 此示範實驗涉及燃燒反應而產生的大量煙霧，有可能引發消防警報大響，請務必事先瞭解，採取因應措施或知會相關單位。

7. 若濃硫酸存放時間過久，則可能因吸收水氣而濃度下降，導致示範效果不佳。如有此疑慮，示範前應該事先測試以確保實驗順利進行。

8. 在示範前，若「神奇粉末A」和「神奇粉末B」以紙張分別包妥並註明，而且用滴瓶裝少許的「神秘液體」並用標籤註明，則更容易創造歧異事件，引起學生的好奇，激發學習的興趣。

9. 提醒示範者：現場演示示範實驗所展現的變化現象的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。

10. 這個示範實驗剩餘的濃硫酸應該用橡皮塞塞緊試管，藥品和器材可重複使用，最好裝在一個標示「黑色異形在蔗糖脫水中誕生」或放在相似主題的置物箱中備用，方便上課之用。

問題

1. 滴入「神秘液體」滴到「神奇粉末A」中發生什麼現象？
2. 滴入「神秘液體」滴到「神奇粉末B」中發生什麼現象？
3. 濃硫酸（「神秘液體」）如何引起燃燒反應？
4. 為什麼黑色的炭柱會慢慢地形成或黑色的噴出物會突然出現？

安全

1. 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
2. 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

參考資料（擷取日期：2010年8月）

1. How To Perform the Instant Fire Chemistry Demonstration, About.com, http://chemistry.about.com/od/de … /ht/instantfire.htm.
2. Potassium Chlorate and Sugar: Instant Fire, http://www.angelo.edu/faculty/kb … re/instant_fire.htm.
3. Shakhashiri, B.Z. Chemical Demonstrations, A Handbook for Teachers of Chemistry, University of Wisconsin Press: Madison, WI, 1983; Vol. 1, pp. 77-78.
4. Potassium chlorate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chlorate.
5. Sugar Dehydration Without Sulfuric Acid, http://www.chem.umn.edu/services … ar_dehydration.html.
6. 浴火重生的黑魔龍，李俊穎，http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/7李俊穎6.pdf。