3D 化学实验:炫目的钢丝绒

前言

钢丝绒是生活中常见的物品,不论木工、摄影或家中清洁都会用到,可在五金行和百货行购得。本实验利用9V电池点燃钢丝绒并不断甩动,产生炫目的火花,效果十足。

实验影片

请按此连结,戴红蓝眼镜,观看3D化学实验:炫目的钢丝绒 Dazzling Steel Wool 3D红蓝,YouTube。

请按此连结,戴偏光眼镜,观看3D化学实验:炫目的钢丝绒 Dazzling Steel Wool 3D偏光,YouTube。

请按此连结,观看2D化学实验:炫目的钢丝绒 Dazzling Steel Wool 2D影片,YouTube。

药品与器材

所有药品与器材如图一所示。

3D 化学实验:炫目的钢丝绒

图一:本实验的药品与器材

在空中甩动钢丝绒,可产生各种样式的火花,如图六~八所示。以下照片的左图是2D的照片,右图是3D照片,必须戴红蓝眼镜才能观看立体效果。

3D 化学实验:炫目的钢丝绒

图六:钢丝绒产生的火花样式之一

3D 化学实验:炫目的钢丝绒

图七:钢丝绒产生的火花样式之二

3D 化学实验:炫目的钢丝绒

图八:钢丝绒产生的火花样式之三

钢丝绒(Steel wool)是由柔软、有弹性的低碳(少于2%)铁细线所组成,主要用在木工的曲面研磨或清洁玻璃,近年来钢丝绒可用来产生火花的特性,被用在许多摄影作品上。常见的钢丝绒规格如表一所示,本实验使用的规格为00#。

表一:常见的钢丝绒规格
3D 化学实验:炫目的钢丝绒在自然界中,通常不会发现铁或钢(主要由铁组成)的金属。所有钢或铁都是由人类从铁矿石中提炼出来的。即使被提炼,铁通常不会长时间保持纯金属的形式,它会与水和氧气结合形成各种氧化铁,亦即生鏽。这表明当有氧气时,铁的最稳定状态不是纯金属的形式,它会优先与氧气作用,以氧化铁的形式存在。通常铁发生反应有两种:其一为生鏽,涉及水和氧,并且可以在室温下发生。其二即使周围没有水,铁也能直接与氧气反应,产生热量,此反应在高温下容易发生。只要周围有足够的氧气,钢丝绒越热,铁的氧化反应越可能发生。若来自反应的热量累积,则足以使得钢丝绒的相邻区域燃烧起来。电池如何使钢丝绒起火?金属具有很好的导电性,当用电池的正极端和负极端触摸钢丝绒,电流沿着连接两端钢丝绒流动,因钢丝绒的长度短而造成短路(short circuit)。电流实际上只是带电粒子的流动。当很多电子在电线中移动时,基本上电子与金属中的原子碰撞,而减慢它们流动的速率,这现象被称为电阻。电子与原子的碰撞会产生热量,当大电流流过足够细小的钢丝绒,产生足够的热量。再者,导线越热,电阻越大,因此导线变得越来越热,直到它熔化,并且与空气中的氧气发生燃烧反应。当燃烧反应沿着一条钢丝绒传播并进入其他条钢丝绒时,它散发出大量的热量,其中一些热量被转换成光,如图九所示。3D 化学实验:炫目的钢丝绒

图九:钢丝绒燃烧有一些热量被转换成光

当9V电池接触到钢丝绒时,大量的电流从正极端通过高电阻的铁细线再回到电池的负极端而形成短路,同时产生高温,加上钢丝绒的表面积大,促使铁(Fe)与氧(O2)反应产生氧化铁(Fe3O2),其反应如式[1]所示,这个反应也会释放出高温,继续让周围的铁细线反应,直到整个钢丝绒反应完为止。当快速地甩动钢丝绒,同时也加快氧气的提供,让反应更剧烈。

2Fe(s) + 3O2(g) → 2Fe2O3(s)……….[1]为什幺钢丝绒可以燃烧?这是两个因素的组合:更多的氧气可用性和更容易积累的热量。若铁是非常细的丝绒状时,则它与空气接触的表面积就变大。这意味着更多的铁可以与空气中的氧气结合,因此大量的热量在小区域内积聚。然而,当氧化铁积聚到一定程度而足以阻止氧气进入钢丝绒内部时,钢丝绒就会停止燃烧。在钢丝绒内部可能还含有一些铁,这些铁不能继续反应,因为没有氧可以到达那里。实际上,这种表面积效应是十分常见的原则。例如,木材很难着火,而纸就很容易。非常细的粉末,表面积变大,与空气接触反应可能很快地发生,造纸厂和麵粉厂曾经发生几起爆炸事件。

教学提示

安全

废弃物处理

反应完的钢丝绒直接丢弃即可。

参考资料

上一篇:
下一篇: