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[理论学化学] 氯酸鉀愛爆炸

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发表于 2013-4-2 23:19:51 | 显示全部楼层 |阅读模式

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陳偉民（新莊高中教師）－遠哲科學教育基金會發現月刊第147期

最近在網路上看到一個「有趣」又「危險」（這兩者好像是連體嬰）的實驗影片：有人在試管內加熱氯酸鉀，然後把干貝熊軟糖（gummi bear）丟進去，立刻就引發爆炸，有興趣的讀者可至下列網址觀看（需要跨长城）：http://tw.youtube.com/watch?v=1zWykQ8Xc6w

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這個實驗太危險，看看就好，千萬別動手做。

因為干貝熊軟糖的成分含有糖、澱粉等含碳物質，這些都是可燃物，與氯酸鉀（KClO3）混合加熱會引起爆炸。

從前的中學教材有個實驗，用氯酸鉀製氧，二氧化錳為催化劑，因為氯酸鉀若與可燃物質（包括紙屑或衣料纖維）混合受熱，就會爆炸，所以實驗過種要極度小心。首先，氯酸鉀和二氧化錳混合的過程，要把藥品放在紙上，以不同方向摺疊紙張數次，使藥品混合，不可以用研缽研磨，否則會引起爆炸。寫在課本上的這些安全事項，都是有人付出慘痛的代價換來的。

在1930年10月27日，美國加州一位名叫Elge Mastrangelo的高一學生，在化學老師Williams先生的指導下，和其他兩位同學一起進行火藥實驗，這是當年化學課本中的一個實驗，他們要把焦炭、硫和硝酸鉀混在一起，這是黑色火藥的配方，難怪事後法院會質疑有必要讓十六歲的孩子進行這麼危險的實驗嗎？其實這已經是他們第三次進行這個實驗了，前兩次都平安無事，或許因為這樣，老師和學生都有些漫不經心。但這次他們犯了兩個錯誤，第一，誤把氯酸鉀當成硝酸鉀，放入混合物中，事後Mastrangelo辯稱這兩種藥品都是白色晶體，他無法分辨；第二，未依照書上指示，用摺疊紙張的方式混合藥品，而是用鐵製的研鉢及杵研磨混合的藥品，結果研磨過程中，藥品發生爆炸，Mastrangelo的左手炸斷，右眼炸瞎，左眼視力受損，最後右眼必須裝上玻璃眼球，受傷極為嚴重。

用氯酸鉀製氧的實驗，為了防止藥品中含有少量可燃物質，在混合後還必須先取少量藥品，以小火加熱看看，如果有火花，就要放棄這批藥品。在我的教學生涯中曾有一次發生這種事，當學生告訴我他們看到火花時，我立即指示全班停止實驗，回收藥品，取出新的藥品，當場開瓶重做。

1953年美國加州有另一個案例，當年Jean Reagh是一名16歲的高中生，同時參加了儲備軍官訓練團的軍事訓練。在事發前兩天，他向化學老師Dealtry小姐要求可否給他一點磷，讓他在儲備軍官訓練團的演習中製造煙幕？在事發前一天，Dealtry小姐給了他一小塊白磷，因為白磷在空氣中可自行引燃，他打算用白磷引燃紅磷。但老師告訴他，學校的紅磷不太夠。Jean Reagh事後在法庭上說，他當場問老師，如果加一點氯酸鉀和糖到紅磷中會不會增加煙霧？老師說會。當然在法庭上，老師否認她說過這樣的話，我相信沒有一位合格的化學老師會說這樣的話。事發當天，學生帶了一個玻璃容器到學校，老師允許他進入原本上鎖的房間，拿了約100立方公分的紅磷，Reagh把紅磷放進玻璃容器裡。等下了課，其他學生離開後，趁老師在隔壁辦公室跟別的化學老師在聊天之際，Reagh又拿了約35立方公分的糖和15立方公分的氯酸鉀，統統放進裝有紅磷的玻璃容器。然後他向老師道別後，走下樓梯，這時容器裡的藥品自動引爆，而學生的左手被炸斷了。

從上述幾項爆炸反應中，我們學到什麼？氯酸鉀與可燃物（包含軟糖、紙屑、硫、炭粉、紅磷和糖等）混合後，不可加熱，不可研磨，不，最好連混合都不要，因為在最後這個案例中，沒有加熱，沒有研磨，只是下樓梯時的震動與摩擦就引爆了這個可怕的混合物了。

日常生活中有沒有把上述藥品混合在一起的實例呢？有，它叫火柴。

現代人用的火柴，又稱安全火柴，不過火柴可不是一開始就這麼安全好用。以下我將簡單介紹火柴的演變過程。

大約在1826年，美國人John Walker用一根棍子去攪拌化學混合物，無意間在棍子末端有黏了一團混合物，包含有硫化銻、氯酸鉀、黏膠和澱粉，結果只要摩擦就會起火。他沒有把這項發現拿去申請專利，而是表演給朋友看。其中Samuel Jones看了以後，認為有商機，就大量生產這種火柴，在美國西南部販售。這種火柴可在任何粗糙平面上點燃，我們在西部片中看到那時候的人用火柴在桌上，在皮衣上輕輕一劃，就可點亮火柴，感覺上很不安全。而且這種火柴，燃燒時很劇烈，有時候火花四濺，會噴得很遠，而且燃燒產物有硫化物，所以氣味不太好聞。

到了1830年，有個叫Charles Sauria的人，改用白磷製火柴頭，然而白磷的毒性很強，一盒火柴上的磷就足以使一個人致命。許多人因而生病；兒童若舔食火柴，骨骼容易畸形；在火柴工廠工作的人都有骨骼方面的毛病。到了這一步，火柴愈改愈危險了。

到了1892年，Pusey發明了裝訂成冊的火柴，不過他把摩擦面放在內面，結果只要你拉扯一根火柴，50根火柴會一起燃燒。鑽石火柴公司把Pusey的專利買下後，把摩擦面貼在外面。我小時候還見過這種裝訂成冊的火柴，通常隨菸贈送，或是商店在外殼印上廣告圖文後，當廣告品贈送，有點像現在的廣告面紙。它的火柴棒不是木頭製的而是紙做的，兩排火柴棒裝訂在一起，使用時扯斷一根紙製的火柴棒，把火柴頭夾在外殼與摩擦面之間，用力往外一拉，就會產生火焰。

到了1910年，鑽石火柴公司發明一種無毒的火柴，以三硫化四磷代替有毒的白磷。當時美國塔虎脫總統為了讓更多人免於受有毒的白磷火柴之害，曾勸鑽石火柴公司放棄專利，讓無毒火柴更普及。但最後鑽石火柴公司仍然取得專利，而美國國會則以高稅金壓制有毒的白磷火柴。這種無毒火柴可在任何粗糙平面上點燃，雖然沒有毒，但仍然有可能因為意外的摩擦而起火，很不安全。

我們現在用的火柴叫安全火柴，是在1844年由瑞典人Gustaf Erik Pasch發明，再歷經多年改良而成。因為它把會燃燒的物質分成兩部分，一部分在火柴頭，一部分在火柴盒的側面，除非這兩部分摩擦，否則不會引燃。火柴頭的主要物質是氯酸鉀、硫和澱粉，火柴盒側面則有玻璃粉、紅磷和炭黑。一旦摩擦，玻璃粉增加摩擦阻力，產生高溫，引燃紅磷，氯酸鉀放出氧氣，幫助硫粉和炭黑燃燒。

你看看，無論是最早期Walker發明的火柴，還是現代的安全火柴，幾乎無可避免地把氯酸鉀和可燃物混合在一起了，所以火柴其實是有潛在的爆炸危險，對不對？

如果你想知道如何引爆火柴頭上的成分，可參考德光女中的網頁：

http://www.tkgsh.tn.edu.tw/%E6%9 ... 7%91/html/kclo3.htm

看了這個網頁，你可能會比較放心，原來現代的火柴要用力敲擊才會引爆，其實蠻安全的。主要是因為火柴頭中的藥品劑量很少，且以黏膠固定這些混合物，以減少無意間的磨擦，還添加了石膏等不會燃燒的東西。

如果在火柴頭添加幾滴硫酸，火柴頭就會自燃，很多人會做這個趣味實驗，但通常對其中的原理都沒有提出很好的解釋，我認為是硫酸與氯酸鉀反應後產生氯酸（HClO3），氯酸是極不安定的物質，很容易發生自身氧化還原反應：

8HClO3 → 4HClO4 + 2H2O + 2Cl2 + 3 O2

放出大量氧氣，引燃火柴頭中的可燃物質。

人類追求進步是永無止境的，如果有一絲一毫潛在的危險，那是不是仍有改進空間？如果氯酸鉀不安全，其他氯酸鹽會不會好一點？不過，氯酸銨（NH4ClO3）比氯酸鉀更危險，遭到可燃物汙染時，只要遇震動或熱就會爆炸。氯酸鈉（NaClO3）也有爆炸性，但它的問題在於太容易潮解了，只要放在空氣中數個小時，就會吸收水分變成泥狀，所以不好用。

如果過氯酸鹽取代氯酸鉀，可不可行呢？的確有人發明了用過氯酸鹽取代氯酸鉀的火柴配方，可用的過氯酸鹽包括過氯酸鉀（KClO4）、過氯酸銨（NH4ClO4）、過氯酸鈉（NaClO4）和過氯酸鋇（Ba(ClO4)2）。其實這些過氯酸鹽幾乎和氯酸鹽一樣都是製造火藥或火箭燃料的原料。只不過當與硫混合時，過氯酸鹽表現得比氯酸鹽安全；如需研磨，過氯酸鹽也表現得比較安全。一併提供給讀者們參考。

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来源：http://chem.kshs.kh.edu.tw/epape ... paper_no36teach.htm

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