3D 化學實驗：炫目的鋼絲絨

3D 化學實驗：炫目的鋼絲絨 (Dazzling Steel Wool)
國立彰化師範大學化學系 林聖揚、顧展兆、楊水平

前言

鋼絲絨是生活中常見的物品，不論木工、攝影或家中清潔都會用到，可在五金行和百貨行購得。本實驗利用9V電池點燃鋼絲絨並不斷甩動，產生炫目的火花，效果十足。

實驗影片

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藥品與器材

1. 鋼絲絨（00#） 適量
2. 棉繩（直徑約5 mm） 約40公分
3. 燒杯（內裝少許的水） 1個
4. 電池（9V） 1個

所有藥品與器材如圖一所示。

圖一：本實驗的藥品與器材

實驗步驟

1. 取一條約40公分棉繩，在一端打一個活結，如圖二左所示。
2. 整個活結完全浸泡到水中，如圖二右所示。


圖二：棉繩打活結（左），浸泡到水中（右）

3. 取適當長度的鋼絲絨（不宜過長），如圖三左所示。
4. 對折鋼絲絨之後，用活結束緊牢固鋼絲絨，如圖三左所示。


圖三：取得鋼絲絨（左），用活結束緊牢固鋼絲絨（右）

5. 演示者帶機車安全帽，並穿實驗衣或耐火材質的衣服。
6. 用9V電池的兩極，輕輕地碰觸鋼絲絨即可點燃，如圖四左所示。


圖四：電池兩極輕碰鋼絲絨即可點燃

7. 點然後，演示者立即手持棉繩的另一端，快速地甩動鋼絲絨，產生炫目的火花，如圖五所示。


圖五：快速地甩動鋼絲絨，產生炫目的火花

實驗結果

在空中甩動鋼絲絨，可產生各種樣式的火花，如圖六～八所示。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。

圖六：鋼絲絨產生的火花樣式之一

圖七：鋼絲絨產生的火花樣式之二

圖八：鋼絲絨產生的火花樣式之三

原理與概念

• 鋼絲絨（Steel wool）是由柔軟、有彈性的低碳（少於2%）鐵細線所組成，主要用在木工的曲面研磨或清潔玻璃，近年來鋼絲絨可用來產生火花的特性，被用在許多攝影作品上。常見的鋼絲絨規格如表一所示，本實驗使用的規格為00#。

表一：常見的鋼絲絨規格


• 在自然界中，通常不會發現鐵或鋼（主要由鐵組成）的金屬。所有鋼或鐵都是由人類從鐵礦石中提煉出來的。即使被提煉，鐵通常不會長時間保持純金屬的形式，它會與水和氧氣結合形成各種氧化鐵，亦即生鏽。這表明當有氧氣時，鐵的最穩定狀態不是純金屬的形式，它會優先與氧氣作用，以氧化鐵的形式存在。通常鐵發生反應有兩種：其一為生鏽，涉及水和氧，並且可以在室溫下發生。其二即使周圍沒有水，鐵也能直接與氧氣反應，產生熱量，此反應在高溫下容易發生。只要周圍有足夠的氧氣，鋼絲絨越熱，鐵的氧化反應越可能發生。若來自反應的熱量累積，則足以使得鋼絲絨的相鄰區域燃燒起來。
• 電池如何使鋼絲絨起火？金屬具有很好的導電性，當用電池的正極端和負極端觸摸鋼絲絨，電流沿著連接兩端鋼絲絨流動，因鋼絲絨的長度短而造成短路（short circuit）。電流實際上只是帶電粒子的流動。當很多電子在電線中移動時，基本上電子與金屬中的原子碰撞，而減慢它們流動的速率，這現象被稱為電阻。電子與原子的碰撞會產生熱量，當大電流流過足夠細小的鋼絲絨，產生足夠的熱量。再者，導線越熱，電阻越大，因此導線變得越來越熱，直到它熔化，並且與空氣中的氧氣發生燃燒反應。當燃燒反應沿著一條鋼絲絨傳播並進入其他條鋼絲絨時，它散發出大量的熱量，其中一些熱量被轉換成光，如圖九所示。


圖九：鋼絲絨燃燒有一些熱量被轉換成光

• 當9V電池接觸到鋼絲絨時，大量的電流從正極端通過高電阻的鐵細線再回到電池的負極端而形成短路，同時產生高溫，加上鋼絲絨的表面積大，促使鐵（Fe）與氧（O₂）反應產生氧化鐵（Fe₃O₂），其反應如式[1]所示，這個反應也會釋放出高溫，繼續讓周圍的鐵細線反應，直到整個鋼絲絨反應完為止。當快速地甩動鋼絲絨，同時也加快氧氣的提供，讓反應更劇烈。

2Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe₂O₃(s)……….[1]

• 為什麼鋼絲絨可以燃燒？這是兩個因素的組合：更多的氧氣可用性和更容易積累的熱量。若鐵是非常細的絲絨狀時，則它與空氣接觸的表面積就變大。這意味著更多的鐵可以與空氣中的氧氣結合，因此大量的熱量在小區域內積聚。然而，當氧化鐵積聚到一定程度而足以阻止氧氣進入鋼絲絨內部時，鋼絲絨就會停止燃燒。在鋼絲絨內部可能還含有一些鐵，這些鐵不能繼續反應，因為沒有氧可以到達那裡。實際上，這種表面積效應是十分常見的原則。例如，木材很難著火，而紙就很容易。非常細的粉末，表面積變大，與空氣接觸反應可能很快地發生，造紙廠和麵粉廠曾經發生幾起爆炸事件。

教學提示

1. 鋼絲絨燃燒過程中，高溫會燒斷棉繩，造成燃燒未成完表演便中斷。為了解決這個問題，在棉繩打結端用水浸濕，當火花燒到繩子時，水會先吸收熱量變成水蒸氣，而沒有多餘的熱使繩子燃燒。同樣地，事先沾濕衣物和手套，在甩動鋼絲絨時就不會被噴濺的火花燙傷。
2. 飛濺的火花有一定危險性，表演時務必在空曠處並疏散人群，以避免火花噴灑到旁觀者。
3. 鋼絲絨越粗燃燒越久，飛濺的火花也越大，然而太粗無法點燃；相對地，越細燃燒越快，火花較多且細小，測試後效果以0#~000#為佳。
4. 若要做出令人驚豔的效果，可多嘗試不同角度的動作，但同時請注意自身與周邊人群的安全；並注意周遭有無易燃物。
5. 本實驗適合在夜間表演，鋼絲絨的火花才會耀眼奪目且令人驚艷。

安全

1. 在操作實驗時，務必做好防護措施，例如：安全帽、工作手套、長袖和長褲。若必要，沾溼手套與衣物，以防燙傷。
2. 在操作實驗時，必須避開乾燥的草地、紙張或任何的易燃物，同時準備好滅火器。
3. 操作時應在空曠處並疏散人群。
4. 對本實驗實行適當的風險評估是教師的責任。

廢棄物處理

反應完的鋼絲絨直接丟棄即可。

參考資料

1. Steel wool, https://en.wikipedia.org/wiki/Steel_wool.
2. How to: Burning Steel Wool, http://www.untamedscience.com/blog/steel-wool-science/.
3. Dr Yan on burning steel wool, BBC, http://www.bbc.co.uk/bang/handson/steel_wool.shtml.
4. スチールウール, https://ja.wikipedia.org/wiki/スチールウール.
5. 電池でスチールウールが燃えるという実験につ, http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q12121278492.
6. 乾電池でスチールウールが燃えるんです, http://abcdefg.jpn.org/kousaku/steelwool/cc.html