close

Sir Humphry Davy by Thomas Lawrence (圖片引自維基共享資源).jpg

圖片:首次純化出鎂元素的英國化學家戴維爵士(Sir Humphry Davy)(圖片引自維基共享資源)

人類其實並非很晚才接觸到鎂,因為鎂正好是海洋當中的主要離子組成之一。在海洋當中氯離子絕對是極大宗,約占了54%;甚下來次多的是鈉離子,約占了30%,這兩者組成的氯化鈉正是是鹹味的來源。然而,海鹽當中還有鈣、鎂、硫、鉀等離子,約占了16%。其中海水中的苦味,有大部分正是來自於氯化鎂硫酸鎂。但由於鎂是非常活潑的金屬,所以人類一直沒能見識到真正較為精純的鎂。直到1808年,英國化學家戴維(H.Davy)運用熔融電解法才首先製得了金屬鎂。在某些故事書、舞台劇或是影劇當中,戴維曾在1812年的科學巡迴展演活動當中展示過鎂帶的燃燒,並且這項展示實驗也被時齡二十歲,在台下旁聽的法拉第所看到和振奮到。不過由於1828年法國科學家比西才運用金屬鉀還原熔融的無水氯化鎂而得到純鎂。因此對於鎂的燃燒實驗,早期戴維的操作一定和現今我們所熟悉的鎂帶燃燒實驗有很大的不同,當時在十九世紀應該仍是流行鎂粉之類的實驗材料,且純度應該不像現在那麼高。鎂的燃燒亮度極大,會發出強烈的白光;也因此早期的攝影當中由於1830年代科學家所發明的石灰燈並不好用,鎂帶的燃燒很快便在1859年被應用於照相(特別是作為高速拍攝的光線輔助)。後來科學家又發明了結合鎂和氯酸鉀的混合粉末─也就是鎂光粉取代鎂帶在攝影的應用。不過鎂光粉仍然不好用,而且很危險,古早電影當中照相總是會有啪的一聲巨響,便是攝影助理在點燃鎂光粉。由於粉末很容易散開,也很常發生攝影人員被燒傷的情形。1927年,美國通用電氣發明了以鎂金屬絲線製作的閃光燈泡─鎂光燈,這是首次將電力閃光燈與快門同步的技術,此後鎂光燈開始很長時間作為照相補光的用途。直到氙氣閃光管的出現取代了鎂光燈,爾後又有晶閘管的閃光燈,以及近幾年越來越普及的強光LED燈。照相的技術雖然推陳出新,不過由於鎂光燈是人類最早得以實現便利照相補光的技術,因此直至今日閃光燈仍然常常被代稱為『鎂光燈』。

鎂帶燃燒.jpg

圖片:現今屬於經典實驗的鎂帶燃燒曾經在十九世紀廣泛運用做為照相時的補光。

鎂帶雖然已經不再是照相的重要配備,但是自十九世紀以來就是用以解說高活性金屬燃燒很重要的化學教材。有些人以為鎂的大量應用已經是上個世紀的事情,鎂已經屬於夕陽材料。但事實上,鎂從未退出過,光是它在動植物身上的重要性(以人體為例,鎂便是三百多種酵素的重要材料;而對植物來說,鎂更是葉綠素的中心元素,鎂可以占到植物乾物質重量的0.75%,它也是土壤環境最容易流失的元素之一,經常透過滲漏和逕流流失到自然界的淡水水體並快速排入海洋),就不太可能退出工業,早在十八世紀,含鎂的苦滷(氯化鎂)和瀉鹽(硫酸鎂)就已是重要的藥物成分,在今日,鎂仍持續被應用於醫藥化學。而針對材料工業,鎂也僅僅只是改變了用途,從早期的攝影照明以及傳統金屬加工(例如1950年代所發展出含鎂的高強度鑄鐵材料─球墨鑄鐵)等,如今更轉變為新型的奈米複合材料。

很多學生認識鎂的第一個實驗便是鎂帶的燃燒。這個實驗有些教材擺在國中或高中的單元實驗,有些則是擺在示範實驗。擺在示範實驗的版本比較糟糕,這是有些人從學生時代到長大從未實地觀察過鎂帶燃燒的原因,因為有些教師會把這個實驗跳過,或是僅只播放教學影片帶過之類的。其實鎂帶的實驗非常重要,尤其是了解金屬燃燒很重要的實驗。在我自己本身實際的教學現場當中,一定會讓學生實際操作這個實驗。而且我常把這項實驗直接擺進小學五年級燃燒單元的補充實驗,讓小朋友在較早的求學階段就見證和理解大自然當中特殊的金屬燃燒作用。近幾年各類精密工業、半導體工業其實對各類金屬原料的使用量都不小,但國內外都曾發生過金屬原料工廠的火災無法用水撲滅進而使得火災延長或造成更大危害的情形。其實關於金屬火災的化學知識應該是要更為普及的。像是2016年彰化縣溪湖鎮的鋁鎂合金工廠大火事件(鎂的大型火災也是不能以水撲滅的)、或是2020年旭富製藥工廠的大火當中含有金屬鈉儲存桶因此增加救火困難(類似鈉鉀這類的鹼金属在遇到水時容易發生劇烈化學反應生成大量氫氣並釋放大量的熱,容易引起次發性的爆炸)。

鎂的火災實際上也無法使用二氧化碳來滅火。因為鎂原子的特殊性質,它對結合態的氧原子具備強烈的佔有性和吸附性,加上鎂的化學活性比碳要強,因此,即便面對經常可以用來滅火的二氧化碳,它也是照樣把二氧化碳的結合氧搶過來,繼續其氧化燃燒,進而形成黑色的碳粒。事實上,鎂在面對二氧化碳與一氧化氮等非金屬氧化物氣體時,只要溫度條件許可,就會產生強烈反應,去搶奪氧。而且不僅僅是氧化的燃燒反應。如果反應過程的背景環境當中溫度持續上升而無法釋放、散失,原先所形成的氧化鎂,甚至還能在高溫環境下進一步又和原先已被鎂搶奪氧的碳反應,生成碳化鎂。之後形成環境中同時包括二氧化碳、氧化鎂與碳化鎂等生成物的情形。在指導中小學生的實驗當中,可以先以蠟燭在廣口瓶中的密閉燃燒來製造二氧化碳,之後再將廣口瓶正擺,然後將燃燒中的鎂帶伸入進富含二氧化碳的廣口瓶當中(注意!高熱的鎂帶不可以碰觸到廣口瓶以免爆裂),之後學生就能觀察到鎂帶繼續在二氧化碳中燃燒出白色的氧化鎂以及黑色的碳粒這樣的情形。並能了解到金屬燃燒必須要有特殊的應對措施。這項實驗因為所使用的鎂帶量甚少,在燃燒的過程當中是可以使用大量沖水來滅火的。這個實驗還有另一個版本的豪華改良版,那就是使用液態氮來將大量的氮氣填充入廣口瓶並取代廣口瓶原先的空氣,然後這時候再將鎂帶在外部空氣條件下點燃,之後以鐵夾夾著正在燃燒的鎂帶,再伸入到裝有廣口瓶的氮氣當中,這時會發現鎂帶在氮氣當中還是會劇烈燃燒,之後會生成黃綠色的氮化鎂粉末(事實上鎂帶在空氣中燃燒也會生成一小部分的氮化鎂,但主要仍然是白色的氧化鎂產物);也有的實驗室是用氯氣來燃燒鎂(但是更危險,不適合中小學生)。

鎂帶伸入二氧化碳瓶繼續燃燒.jpg

 

圖片:將鎂帶伸入充滿二氧化碳的廣口瓶當中會發現鎂帶仍能繼續燃燒。

 

相關閱讀:

1.【上了一課】不能用水撲滅D類金屬火災!鎂鋁加工廠火警 消防出動19車 ─帆珩消防專家

https://www.youtube.com/watch?v=U82B8fqZi38

2.旭富又爆! 廠內放8桶金屬鈉 指揮官火了 ─台視新聞TTV NEWS

https://www.youtube.com/watch?v=lK5GsPCyMj0 

arrow
arrow
    文章標籤
    化學 科學小實驗
    全站熱搜
    創作者介紹
    創作者 永續的蓋亞 的頭像
    永續的蓋亞

    小蟑螂的土土小窩

    永續的蓋亞 發表在 痞客邦 留言(0) 人氣()