化學示範實驗：魔術玻棒點燃蠟燭和仙貝（Candle and Senbei Ignited by Magic Wand）﹝II﹞

化學示範實驗：魔術玻棒點燃蠟燭和仙貝（Candle and Senbei Ignited by Magic Wand）﹝II﹞
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

請按此連結，參閱「魔術玻棒點燃蠟燭和仙貝﹝I﹞」

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，當濃硫酸滴到蔗糖中，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。這些連鎖反應產生大量的熱而造成高溫，足以點燃蠟燭的燭蕊，然後繼續燃燒蠟燭。

● 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。這些連鎖反應產生大量的熱而造成高溫，足以點燃蠟燭的燭蕊，然後繼續燃燒蠟燭。

● 蠟燭由石蠟（paraffin wax）製造而成，石蠟是指烷烴（alkanes）的混合物，其通式為C_nH_2n+2，20 ≤ n ≤ 40。石蠟為白色、無臭、無味、蠟狀固體，具有典型的熔點約47-64℃。石蠟完全燃燒的反應如反應式[5]、[6]和[7]所示：

2C₂₀H₄₂ + 61O₂ → 40CO₂ + 42H₂O + heat    [5]

C₂₅H₅₂ + 38O₂ → 25CO₂ + 26H₂O + heat    [6]

2C₃₆H₇₄ + 109O₂ → 72CO₂ + 74H₂O + heat    [7]

● 在點燃仙貝（米果）的示範中，氯酸鉀與濃硫酸反應會產生化學性質非常活潑的氯酸及硫酸鉀，如見反應式[3]。當反應式[3]所產生的氯酸遇到澱粉時，會發 生激烈的反應，並且放出大量的熱量，類似反應式[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。這些連鎖反應 產生大量的熱而造成高溫，足以點燃仙貝並繼續燃燒。因此，不需蔗糖也可以燃燒仙貝。

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、反應熱。

2. 這個示範實驗以製造驚異的效果為主要目的。教師準備時間：20分鐘（包括準備藥品與器材以及研磨藥品）；課堂時間：示範實驗以幽默神奇方式呈現約5分鐘示範。

3. 在研磨蔗糖和氯酸鉀時，由於氯酸鉀為強氧化劑，因此不可與其他還原物質摩擦，也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. 神奇蠟燭最好用剛挖掉的蠟燭小碎塊輕輕地蓋上蔗糖和氯酸鉀的混合物，以避免學生看到燭蕊旁填充的白色藥品，降低驚奇的效果。示範前，最好不讓學生知道使用的藥品，以利創造歧異事件，引起學生好奇，激發學習的興趣。

5. 這個示範實驗的反應非常劇烈並伴隨強光，少許的濃煙及炭渣噴濺，教師必須提醒學生切勿靠近。此示範實驗有火產生，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，則可能因吸收水蒸氣而濃度下降，導致示範失敗。如有此疑慮，示範前應該事先測試以確保實驗順利進行。

8. 蠟燭的燭蕊上如有殘留過多的石蠟，可能使點燃失敗。再者，蔗糖與氯酸鉀混合比率約2：1，過多的氯酸鉀會使燃燒時間縮短，而無法及時地點燃燭蕊。

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「魔術玻棒點火蠟燭和仙貝」或放在相似主題的置物箱中備用，方便上課之用。

問題

1. 「魔術玻棒」點到「神奇蠟燭」的燭蕊會發生什麼現象？
2. 「魔術玻棒」點到「神奇仙貝」會發生什麼現象？
3. 為什麼「魔術玻棒」能夠點燃「神奇蠟燭」？
4. 為什麼「魔術玻棒」能夠點燃「神奇仙貝」？

安全

● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
● 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

1. Paraffin, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Paraffin.
2. How To Perform the Instant Fire Chemistry Demonstration, About.com, http://chemistry.about.com/od/de … /ht/instantfire.htm.
3. Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd Ed., 1988, Volume 2, pp 107-108, Washington, D.C., American Chemical Society.
4. Shakhashiri, B.Z. Chemical Demonstrations, A Handbook for Teachers of Chemistry, University of Wisconsin Press: Madison, WI, 1983; Vol. 1, pp. 77-78.
5. 咦！蠟燭怎麼自己亮起來囉！中學化學示範實驗，http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26450。