2010年2月9日

「碳」為觀止─烴類燃燒反應與碳簇概述


作者/周芳妃(任教於北一女中化學科)

烴類(hydrocarbons)又稱碳氫化合物,日常生活中許多燃料都屬於碳氫化合物,包含了汽油、柴油、蠟燭、液化石油氣與天然氣等。一般人都知道碳氫化合物在空氣中完全燃燒時,可生成二氧化碳與水。依據化學劑量的觀念以及氣體性質,常溫常壓下,大多數氣體體積比與其分子數比相等,以此可估算碳氫化合物達到完全燃燒條件的空氣體積比為多少。

以下便是乙炔(C2H2)達到完全燃燒條件下的反應:
2C2H2(g)+ 5O2(g)→ 4CO2(g)+ 2H2O(1)

由上述反應式,可看出每1單位體積的乙炔至少需要2.5 單位體積的氧氣才可達到完全燃燒。由於氧氣在空氣所占的體積百分比接近20%,因此推算每1單位體積的乙炔至少需要12.5 單位體積的空氣才可達到完全燃燒。

現在思考另一個問題:如果在空氣不充足的條件下,燃燒乙炔又會有什麼結果?以下進行一項兼具聲、光、色及趣味效果的示範實驗。乙炔是碳氫化合物,難溶於水,可利用排水集氣法收集乙炔氣體。設計排水集氣法的水量條件,就可使不同體積比例的乙炔和空氣混合,最後點火並觀察燃燒現象。電石的主要成分為碳化鈣(CaC2),碳化鈣遇水會發生快速的反應,產生易燃性的乙炔氣體,因此平時必須將電石小心收藏在乾燥的地方。以電石製備乙炔的反應式如下:

CaC2(s)+2H2O(1)→C2H2(g)+ Ca(OH)2(aq)

實驗結果發現每一支試管的燃燒現象幾乎都不相同。舉例來說,試管中水量事先調整為二分之一試管量時,在排水集氣後試管內的乙炔和空氣體積比約為1:1。用點燃的火柴靠近此試管,打開試管塞之後,此氣體混合物瞬間就被點燃並產生火光,然後除了試管口持續有火焰之外,也有一團火球就從試管口往試管底移動,連帶著在試管中拖曳出一條黑煙,有些黑煙飄浮物也會從試管口冒出去。火球到達試管底就馬上消失了,此時整支試管都已是黑碳,而試管口的火焰又開始往試管內移動,最後火焰消失,剩下一整支試管的黑碳。

如果實驗中減少乙炔的含量,當試管內的乙炔和空氣體積比大約為1:8以上時,用火柴點燃氣體的瞬間,就會產生很大的爆鳴聲,試管內並瞬間出現明亮藍白色火焰,最後看到試管內只剩大量水滴而沒有黑煙(詳細流程影片連結)。

乙炔經燃燒後產生的黑煙中會含有一些奈米碳粒,其含有複雜多樣的同素異形體。有些奈米碳粒可溶解於甲苯溶劑中,有些則難。多樣的奈米碳粒之甲苯膠體溶液外觀可出現紅、紫或黃棕等顏色。若以適當波長雷射光源照射含有奈米粒子的膠體溶液,通常可在溶液中觀察到明顯光束,此種現象稱為膠體溶液的廷得耳效應。將少量甲苯加入上述試管中,溶解過濾可收集到澄清黃棕色溶液,以綠光雷射筆照射此溶液,可明顯觀察到溶液中出現很亮的光束。【更詳細的內容,請參閱第482期科學月刊】

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