3D 化學實驗：驚蟄的四條黑蛇

3D 化學實驗：驚蟄的四條黑蛇 (Growing Four Black Snakes)
國立彰化師範大學化學系 彭郁惠、顧展兆、楊水平

前言

此實驗使用砂糖和小蘇打粉，並加入打火機油和酒精膏，再利用點火槍點燃，使砂糖進行脫水反應，慢慢地產生長條狀、黑黑的碳，就宛如黑蛇從沙堆裡慢慢地探出頭來，接著開始緩慢地成長並移動身軀，具有趣味性和科學性，能激發學生學習化學的興趣。

實驗影片

請按此連結，戴紅藍眼鏡，觀看3D化學實驗：驚蟄的四條黑蛇Growing Four Black Snakes 3D紅藍，YouTube。

請按此連結，戴偏光眼鏡，觀看3D化學實驗：驚蟄的四條黑蛇Growing Four Black Snakes 3D偏光，YouTube。

請按此連結，觀看2D化學實驗：驚蟄的四條黑蛇Growing Four Black Snakes 2D影片，YouTube。

藥品和器材

1. 特級細砂糖 32 g
2. 小蘇打粉 8 g
3. 酒精膏 適量
4. Zippo打火機專用油 適量
5. 點火槍 1支
6. 藥匙 1支
7. 砂石 適量
8. 鋁箔盒 1個
9. 燒杯 4個

實驗步驟

1. 秤取約8 g的砂糖和約2 g的小蘇打粉，放入一個小燒杯，攪拌以促使混合均勻。共準備四份此混合物，如圖一所示。
   

   圖一、砂糖和小蘇打粉的混合物

2. 裝入砂石在鋁箔盒中，並用手指在砂石上做出四個凹陷的坑，如圖二所示。
   

   圖二、在砂石上做出四個凹陷的坑

3. 在四個凹陷處，撒上適量的Zippo打火機專用油，再倒入適量的酒精膏，如圖三所示。
   

   圖三、撒上打火機專用油（左）；再倒入酒精膏（右）

4. 在四個凹陷處，放入砂糖與小蘇打粉混合固體，放入時盡可能集中在一起，如圖四所示。
   

   圖四、放入砂糖與小蘇打粉混合固體

5. 利用點火槍點燃打火機專用油，並立即遠離火源，如圖五所示。
   

   圖五、點燃打火機專用油

6. 慢慢地，四條「黑蛇」漸漸長出來，如圖六所示。
   

   圖六、四條「黑蛇」漸漸長出來

7. 等火焰熄滅，摸摸看「黑蛇」的觸感，並思考「黑蛇」的主要成分為何，如圖七所示。
   

   圖七、摸摸看「黑蛇」的觸感

實驗結果

下面是蔗糖燃燒脫水形成「黑蛇」的情形，如圖八～九所示。以下照片的左圖是2D的照片，右圖是3D照片，必須戴紅藍眼鏡才能觀看立體效果。

圖八、蔗糖燃燒脫水形成「黑蛇」，2D照片（左）；3D紅藍照片（右）

圖九、蔗糖燃燒脫水形成「黑蛇」的不同角度，2D照片（左）；3D紅藍照片（右）

原理和概念

• 砂糖主要成分為蔗糖（Sucrose），化學式為C₁₂H₂₂O₁₁，是一種碳水化合物，藉由糖苷鍵鍵結一個葡萄糖分子和一個果糖分子所形成的雙醣。蔗糖加熱分解後，蔗糖會經由脫水作用產生碳和水，其中暗黑色的碳固體，即是形成黑蛇的主要成分，其反應如式[1]所示：
  C₁₂H₂₂O₁₁(s) + heat → 12C(s) + 11H₂O(g)—-[1]

• 小蘇打粉即是碳酸氫鈉（NaHCO₃），遇熱時會分解成碳酸鈉、二氧化碳及水蒸氣，其中二氧化碳及水蒸氣進行膨脹作用，讓蔗糖燃燒後的黑碳變得更蓬鬆，以致像黑蛇般移動，其反應如式[2]所示：
  2NaHCO₃(s) → Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)—-[2]

• 酒精膏主要成分為酒精，酒精即是乙醇（C₂H₅OH），具有可燃性，酒精與空氣中的氧氣發生氧化反應，燃燒生成水蒸氣和二氧化碳，並放出大量的熱，此熱量提供給蔗糖進行脫水作用和碳酸氫鈉進行分解反應。再者，生成水蒸氣和二氧化碳可使蔗糖燃燒後的黑碳變得更蓬鬆，幫助「黑蛇」生長，其反應如式[3]所示：
  C₂H₅OH(l) + 3O₂(g)→ 2CO₂(g) + 3H₂O(g)—-[3]

教學提示

1. 教師準備時間：10分鐘；課堂時間：當場示範實驗，讓學生完全看到過程20分鐘。
2. 此示範實驗有潛在的危險性，最好由教師示範，自行斟酌是否要讓學生自己動手做。
3. 教師可以事先嘗試各種比例的糖粉及小蘇打粉，看哪一種比例的效果最佳。
4. 此示範實驗的反應劇烈並伴隨強光，教師應提醒學生切勿靠近。示範此實驗的旁邊，必須準備一具滅火器，以備不時之需。
5. 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。

安全

• 注意用火安全問題，點燃火焰後，應立即離開火源，並準備滅火器，以備不時之需。
• 實驗過程應全程攜帶安全眼鏡和手套。
• 示範這個實驗教師應實行適當的風險評估。
• 廢棄物處理
• 黑碳倒入一般垃圾，鋁箔盒資源回收。
• 砂石倒到砂堆上或留著備用。

問題與參考答案

1. 為什麼本實驗的「黑蛇」是呈現暗黑色呢？它是什麼物質？它是怎麼生成？
   答：蔗糖加熱分解後，蔗糖會經由脫水作用產生碳和水蒸氣，其中暗黑色的碳固體，即是形成黑蛇的主要成分，其反應如下所示：
   C₁₂H₂₂O₁₁(s) + heat → 12C(s) + 11H₂O(g)

1. 哪些氣體可以幫助黑蛇變得更鬆軟，而使「黑蛇」可以移動？這些氣體的來源為何？化學反應式為何?
   答：二氧化碳及水蒸氣。小蘇打粉遇熱時會分解成碳酸鈉、二氧化碳及水蒸氣；酒精與空氣中的氧氣發生氧化反應，燃燒生成水蒸氣及二氧化碳。這些產物可使蔗糖燃燒後的黑碳變得更蓬鬆，幫助「黑蛇」成長，其反應如下所示：
   2NaHCO₃(s) → Na₂CO₃(s) + H₂O(g) + CO₂(g)
   C₂H₅OH(l) + 3O₂(g)→ 2CO₂(g) + 3H₂O(g)

參考資料

1. How To Make Black Snakes or Glow Worms, About Education, http://goo.gl/vbxsp.
2. Sucrose, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sucrose.
3. Ethanol, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol.
4. Sodium bicarbonate, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_bicarbonate.
5. Amazing Fire Snake – The Black Snake Science Experiment, Youtube, https://www.youtube.com/watch?v=Hibxz9_ZW18.
6. 化學示範實驗：黑色異形在蔗糖脫水中誕生，科學Online—科技部高瞻自然科學教學資源平台，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=19857。