3D 化學實驗：威猛的粉塵爆炸

3D 化學實驗：威猛的粉塵爆炸 (Powerful Dust Explosions)
國立彰化師範大學化學系 彭郁惠、顧展兆、楊水平

前言

2015 年 6 月八仙樂園派對粉塵爆炸事故是臺灣人心中永遠的痛，因使用玉米澱粉和食用色素所製成的色粉在舞台燈的高溫下，引發粉塵爆炸導致火災事故，造成重大的傷亡。為使民眾和學生深入瞭解粉塵爆炸的原理及概念，避免悲劇再度重演，本實驗使用家用產品奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉，以瞬間擠壓方式，均勻地分散粉末在火焰上，發生旺盛的燃燒反應，產生粉塵爆炸的效果。

實驗影片

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藥品與器材

1. 奶精粉 適量（約 30 g）
2. 麵粉 適量（約 30 g）
3. 糖粉 適量（約 30 g）
4. 黑胡椒粉 適量（約 30 g）
5. 鋁箔盒 1 個
6. 空寶特瓶（容量 300-400 mL） 1 瓶
7. 鑽孔器具（或用十字起子取代） 1 組
8. 酒精膏 適量
9. 點火槍 1 個
10. 漏斗 1 個
11. 燒杯 (100 mL) 4 個
12. 藥匙 1 個
13. 電子秤 1 台

實驗步驟

1. 利用鑽孔器具或十字起子，寶特瓶的瓶蓋鑽成數個孔洞，如圖一所示。〔註：孔洞的大小和數量可自行斟酌，能讓適量的粉末通過而造成噴出的效果即可，本實驗使用的瓶蓋鑽了五個孔洞。〕
   

   圖一、寶特瓶的瓶蓋鑽成數個孔洞

2. 取適量的奶精粉，透過漏斗倒入寶特瓶裡。用藥匙攪動，使粉末容易進入寶特瓶中，如圖二所示。
   

   圖二、倒入奶精粉到寶特瓶中

3. 在室外，放置一個倒置的鋁箔盒在一張無靠背的椅子上。用手使力，使鋁箔盒的底部形成凹槽。倒入適量的酒精膏在凹槽內，用點火槍點燃火焰，並立即遠離火源，如圖三所示。
   

   圖三、酒精膏當作火源

4. 用手掌，堵住寶特瓶瓶口的孔洞；接著倒置寶特瓶，使奶精粉集中在瓶口，如圖四所示。
   

   圖四、使奶精粉集中在寶特瓶的瓶口

5. 手持寶特瓶，瓶口對準火源，快速地擠壓瓶身，使奶精粉末朝火源噴出，會發現火焰燃燒更激烈，如圖五所示。移到身體在不同的位置，使噴出的粉末在不同的方向。
   

   圖五、快速地擠壓瓶身，使奶精粉末朝火源噴出

6. 步驟2的奶精粉以麵粉、糖粉及黑胡椒粉取代，並重複步驟 3~5。

實驗結果

下面分別是奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉燃燒的情形，分別如圖六～九所示。左圖是 2D 的照片，右圖是 3D 照片，必須帶紅藍眼鏡才能觀看立體效果。

圖六、奶精粉燃燒的情形，2D 照片（左）；3D 紅藍照片（右）

圖七、麵粉燃燒的情形，2D 照片（左）；3D 紅藍照片（右）

圖八、糖粉燃燒的情形，2D 照片（左）；3D 紅藍照片（右）

圖九、黑胡椒粉燃燒的情形，2D 照片（左）；3D 紅藍照片（右）

原理和概念

• 燃燒三要素與粉塵爆炸四要件

燃燒三要素 (Fire triangle) 是指可燃物（如燃料）、助燃物（如氧氣）、以及溫度或熱量要達到燃點，三要素必須並存才能發生，燃燒三要素又稱為火三角，如圖十左所示。可燃物是燃燒反應中的還原劑，助燃物是燃燒反應中的氧化劑，氧氣是燃燒反應中最常見的助燃物，例如汽油點火燃燒，汽油是可燃物（還原劑），氧氣是助燃物（氧化劑），汽油成分中的異辛烷燃點為 418 ℃。

可燃物在燃燒發生前會裂解為簡單的氣體分子，在外界因素（如光或熱）的影響下，分子中的共價鍵裂解而形成化學活性非常強的原子或原子團，稱此為游離基。由於燃燒過程中存在未受抑制的分解物（游離基）作為中間體，稱為鏈式反應 (chain reaction)。因此有火燄的燃燒三要素應增加一個必要條件—鏈式反應，稱此為燃燒四面體 (fire tetrahedron)，如圖十右所示。

圖十、燃燒三要素（左）；燃燒四面體（右） （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Fire_triangle）

爆炸 (Explosion) 是一物質系統在極短時間和有限的空間內迅速發生物理變化或化學反應，瞬間釋放大量的能量，使爆炸的周圍氣體急遽膨脹，壓力急速上升，瞬間對周圍環境的介質做功，轉變成機械能、光或熱等其他能量形式，釋放到壓力較低的環境，通常會伴隨光、熱、聲響的效應。

粉塵爆炸有四個必要條件： (1) 可燃的粉塵 (combustible dust)：以固體粉末為主，例如奶精粉、麵粉、糖粉及黑胡椒粉；(2) 懸浮在空氣中粉塵有足夠高的濃度 (dispersion of dust)：粉塵的濃度必須有效的濃度才會爆炸，粉塵濃度太低，反應速率不夠快，而濃度太高，氧化劑的量不足而不容易發生爆炸；(3) 氧化劑 (oxidant)：最常見的氧化劑為空氣中的氧氣；(4) 引火源 (ignition source)：常見的火源有靜電放電、摩擦、設備產生之電弧、表面發熱、火焰等。在粉塵爆炸的傳統的分析，侷限空間 (confinement of dust) 被認為是第五個條件，這並非是一項必要條件，此條件可以產生極大的物理損害和化學傷害。

圖十一、粉塵爆炸有五項條件 （圖片來源：https://en.wikipedia.org/wiki/Dust_explosion）

• 比較燃燒三要素與粉塵爆炸四要件

燃燒三要素：可燃物、助燃物、達到燃點。燃燒四面體：可燃物、助燃物、達到燃點、鏈式反應。粉塵爆炸四要件：可燃的粉塵、足夠高的濃度、氧化劑、引火源。比較這三個觀點，燃燒三要素、燃燒四面體及粉塵爆炸四要件有三項共同要件：可燃物、助燃物、達到燃點。比較燃燒三要素與粉塵爆炸四要件，粉塵爆炸多了一項「懸浮在空氣中粉塵有足夠高的濃度」要件；堆疊起來的玉米澱粉本身並不可燃，但是噴灑在空中而使粉末分散開來，粉塵就有足夠高的濃度，以致顆粒的表面積增加很多，原本不可燃的玉米澱粉就變成可燃物。若把噴灑的玉米澱粉粉末視為可燃物，則玉米澱粉的粉塵爆炸也是合乎燃燒三要素。

然而，燃燒三要素和粉塵爆炸比燃燒四面體少一項「鏈式反應」的要件，事實上玉米澱粉的粉塵爆炸需要鏈式反應的要件才能發生。此外，本實驗營造的粉塵爆炸現場和八仙樂園派對的事故現場都是開放空間，這些事實支持粉塵爆炸的第五個條件但非必要條件—侷限空間。

• 爆炸極限與點燃溫度

分散的可燃物（如氣態或汽化的燃料），與空氣的混合，其濃度處於可燃燒的下限 (lower explosive limit, LEL) 和上限 (upper explosive limit, UEL) 之範圍就可以燃燒，此範圍稱為可燃性限值 (flammability limits) 或爆炸極限 (explosive limits)。爆炸極限範圍隨著溫度和壓力而變化，通常在 25℃ 和大氣壓力下，以體積百分比表示，在內燃機（如汽油或柴油引擎）內放入最好的燃燒或爆炸的混合物是相當重要的，通常燃料和空氣以化學計量的莫耳比是最佳的混合。若粉塵濃度低於爆炸下限，則懸浮顆粒間的距離較大，傳遞能量的速率較慢而不易發生爆炸；若濃度高於爆炸上限，則氧化劑的量不足，難以幫助燃燒而不易發生爆炸。氫氣可燃性限值在 4-75%，其爆炸極限是 17-56％，其自動點燃溫度在 500℃。亦即氫氣在空氣中的體積濃度在 17-56％ 之間時，在 500℃ 就會爆炸，而其濃度小於 4.0％ 或大於 75％ 時，即使遇到火源，也不會爆炸。高雄氣爆事件的可燃物—丙烯 (propylene)，其可燃性限值在 2-11.1%，自動點燃溫度在 458℃。八仙樂園派對粉塵爆炸的可燃物—玉米澱粉，其爆炸的濃度下限 30 g / m³，自動點燃溫度在 400℃。糖粉爆炸的濃度下限為 100 g / m³，自動點燃溫度在 480℃。

教學提示

1. 教師準備時間：10 分鐘；課堂示範時間：示範實驗讓學生完全看到過程 10 分鐘。
2. 本示範實驗的化學反應非常劇烈並伴隨強光、煙及聲響，教師示範時必須在教室外通風處進行，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。
3. 此示範實驗涉及燃燒反應而產生的大量煙霧，若在室內示範，則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。
4. 糖粉、麵粉、黑胡椒粉及奶精粉的使用量可自行斟酌，教師也可以嘗試使用其他種類的粉末，但是正式示範前必須事先演練。
5. 除使用寶特瓶外，教師還可使用其他容器替代，也可試試看瓶蓋上的孔洞數量和大小以何者的效果為最佳。
6. 示範此實驗必須把粉末均勻地吹向火焰處，不可對有人的方向吹。
7. 提醒示範者：現場演示此示範實驗的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。

安全

• 注意用火的安全問題，點燃火焰後，應立即離開火源，並準備好滅火器。
• 示範的過程應全程攜帶安全眼鏡和手套。
• 示範這個實驗教師應進行適當的風險評估。

廢棄物處理

燃燒過的粉末倒入一般垃圾、鋁箔盒丟棄到資源回收桶，其他器材以清水沖洗即可。

問題與參考答案

1. 造成粉塵爆炸必備的四個條件為何？
   答：可燃粉塵、氧化劑、有效濃度及引火源。

2. 氣體或粉塵量越多、濃度愈高愈容易造成爆炸嗎？請詳述原因。
   答：否。若濃度高於爆炸上限，則氧化劑的量不足，難以幫助燃燒而不易發生爆炸。

3. 八仙樂園派對為什麼會造成粉塵爆炸？請詳述。
   答：因為八仙樂園使用玉米澱粉和食用色素所製成的色粉為粉塵顆粒的可燃物；粉塵顆粒與氧氣接觸的表面積非常大，導致燃燒反應速率非常快速；當以二氧化碳鋼瓶噴出粉塵達到有效濃度，也就是當濃度介於爆炸上限與爆炸下限之間的情形下；當晚使用的 BEAM200 電腦燈，燈泡裏頭溫度破千，長時間開啟電腦燈，表面溫度也能高於 400℃，超過玉米澱粉的燃點；當晚排對場地的人潮眾多又擁擠，可視為一個侷限的空間。這些條件符合粉塵爆炸的要件，因此發生粉塵爆炸的悲劇。

參考資料

1. Fire triangle — https://en.wikipedia.org/wiki/Fire_triangle
2. Explosion — https://en.wikipedia.org/wiki/Explosion
3. Dust explosion — https://en.wikipedia.org/wiki/Dust_explosion
4. Flammability limit — https://en.wikipedia.org/wiki/Flammability_limit
5. Dust Explosions: A Root Cause Analysis Primer — http://goo.gl/hK9uw7
6. Combustible Dust — Canadian Centre for Occupational Health and Safety. https://goo.gl/BqS1ZS
7. Physical Properties of Hydrogen — Periodic Table of Elements. http://goo.gl/MeDDuL
8. Dust Explosions – The Basics. http://goo.gl/tMzmbZ
9. 2015年八仙樂園派對粉塵爆炸事故｜維基百科，https://goo.gl/eku8z5
10. 流言追追追5-12粉塵爆破｜YouTube。https://goo.gl/WuNNFE