硝酸鹽的熱分解

    

分類：玩科學

2012/06/02 22:20

化學示範實驗：星火燎原—硝酸鹽的熱分解（Thermal Decomposition of Nitrates）

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• 化學與社會

2010/09/10

文章由 afra36 發表於

化學示範實驗：星火燎原—硝酸鹽的熱分解（Thermal Decomposition of Nitrates）
國立彰化師範大學化學系學生鄭佳華 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
前言
用水彩筆沾取透明溶液在一張空白紙上隨意繪畫或寫字，紙張吹乾或風乾後再以線香點燃，居然能燒出與繪畫的圖案或寫出的字，而在未繪圖區則安然無恙，這是怎麼回事呢？
示範實驗影片
請按此連結：星火燎原—硝酸鹽的熱分解（Thermal Decomposition of Nitrates），YouTube。

示範步驟
一、 示範前準備
1. 配製硝酸鉀、硝酸鈉、硝酸鉛、硝酸鋰和硝酸銨飽和溶液各30 mL，以玻棒攪拌直至固體不再溶解為止。
2. 取第一張空白紙，以水彩筆沾取飽和硝酸鉀溶液於紙上繪畫或寫字（如寫「化學」二字），如圖一所示。

圖一  以水彩筆沾取飽和硝酸鉀溶液於紙上寫字

3. 等待自然風乾或以吹風機慢慢吹乾，注意吹風時不要使溶液噴濺，如圖二所示。

 

圖二  以吹風機吹乾紙張

4. 取第二張空白紙，分別以不同的水彩筆依序沾取硝酸鉛、硝酸鈉、硝酸鋰和硝酸銨飽和溶液於紙上依序畫出四條平行線。
5. 等待自然風乾或以吹風機慢慢吹乾，注意吹風時不要使溶液噴濺。
二、 示範“星火燎原”
1. 帶此二張已乾的紙張到教室上課。
2. 取一線香以打火機點燃，然後用點燃的線香戳第一張紙上的繪畫或寫字處，如圖三所示。
 

圖三  用點燃的線香戳原先寫字

3. 在繪畫或寫字處會快速燃燒而形成原先的繪畫或寫字，如圖四所示。

圖四  燃燒而形成原先寫好的「化學」二字

4. 然後用點燃的線香盡可能同時戳第二張紙上的四條平行線，以方便觀察及比較。
5. 請同學觀察此四條平行線是否燃燒並比較燃燒的速率，如圖五所示。
 

圖五  四條平行線燃燒的比較

溶液和器材

1. 硝酸鉀飽和溶液  30 mL
2. 硝酸鉛飽和溶液  30 mL
3. 硝酸鈉飽和溶液  30 mL
4. 硝酸鋰飽和溶液  30 mL
5. 硝酸銨飽和溶液  30 mL
6. 燒杯（50 mL）  五個
7. 玻棒  一支
8. 藥勺  一支
9. 水彩筆  五支
10. 空白A4紙  二張
11. 線香  二支
12. 打火機  一個
13. 吹風機  一台
原理和概念

● 第一張紙點燃後，硝酸鉀遇560℃高溫分解為亞硝酸鉀和氧氣，其化學反應如下所示：

2KNO₃(s) → 2KNO₂(s) + O₂(g)

硝酸鉀分解的氧氣能助燃紙張燃燒，又能幫助其它的硝酸鉀繼續分解，因此能沿著所繪圖案一直燃燒下去。

● 第二張紙點燃後，硝酸鈉在650-780℃分解為亞硝酸鈉和氧氣，其化學反應如下所示：

2NaNO₃(s) → 2NaNO₂(s) + O₂(g)

硝酸鈉分解的氧氣能助燃紙張燃燒，又能幫助其它的硝酸鈉繼續分解，沿著繪圖案燃燒的效果與硝酸鉀大致相同。
● 當第二張紙點燃後，硝酸鉛分解成氧化鉛、二氧化氮和氧氣，其化學反應如下所示：

2Pb(NO₃)₂(s) → 2PbO(s) + 4NO₂(g) + O₂(g)

硝酸鉛分解的氧氣能助燃紙張燃燒，又能幫助其它的硝酸鉛繼續分解，沿著繪圖案燃燒的效果稍微比硝酸鉀差一點。
● 當第二張紙點燃後，硝酸鋰因鋰離子有較高的電荷密度而分解的產物有些許的不同，其化學反應如下所示：

4LiNO₃(s) → 2Li₂O(s) + 4NO₂(g) + O₂(g)

沾硝酸鋰的紙張沿著繪圖案燃燒的效果稍微比硝酸鉀差很多，燃燒常發生中斷現象，這是硝酸鋰極易潮解之故。
● 當第二張紙點燃後，硝酸銨分解不釋出氧氣，而產生氧化亞氮和水蒸氣，其化學反應如下所示：

NH₄NO₃(s) → N₂O(g) + 2H₂O(l)

沾硝酸銨的紙張沿著繪圖案燃燒的效果不佳，雖然氧化亞氮本身會分解出氧氣，但是可能沒有足夠的氧化亞氮使紙張繼續燃燒或可能溫度太低無法繼續分解。
● 燃燒三要素：燃料、燃點、氧氣。燃料（可燃物）：燃料，如紙、布、汽油、天然氣、煤、木材等；燃料的主要成分為碳、氫、硫三種元素中的一種或數種。燃點， 燃點是物體開始燃燒的溫度，欲達到燃點，燃料燃燒需有熱，熱能可以分解燃料，產生可燃性氣體而與空氣中的氧發生化學作用。氧氣（助燃物），氧氣促成氧化作 用而起燃燒作用，幫助燃燒。
點燃後繪圖或寫字區會燃燒，這是符合燃燒三要素。在未繪圖或寫字區不會燃燒，這是不符合燃燒三要素，可能未達到燃點或氧氣濃度不足之故。
教學提示
1. 繪畫的線條不可過粗，且須等待溶液滲入紙張，燃燒的效果比較佳。
2. 在示範前，教師事先完成吹乾繪畫或寫字的紙張。上課時，帶這些紙張到教室演示，然後學生之間互動討論。
3. 對於高年級的學生，可以複習硝酸鹽類的分解反應式。
4. 燃燒的味道有點嗆鼻，須於教室通風處操作。
5. 提醒示範者：現場演示示範實驗所展現的變化現象的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。
問題和參考答案
1. 為什麼在以線香點燃後，紙張會沿繪圖處燃燒？
答：因為硝酸鉀分解的氧氣能助燃紙張燃燒，又能幫助其它的硝酸鉀繼續分解，因此能沿著繪圖或寫字區一直燃燒下去。硝酸鋰、硝酸鉛和硝酸鋰也會分解成氧氣，因此繪圖或寫字區能夠燃燒。點燃後繪圖或寫字區會燃燒，這是符合燃燒三要素。
2. 為什麼在以線香點燃後，紙張不會沿繪圖處燃燒而中斷了？
答：沾硝酸鋰的紙張沿著繪圖案燃燒的效果稍微比硝酸鉀差很多，燃燒常發生中斷現象，這是硝酸鋰極易潮解之故。沾硝酸銨的紙張沿著繪圖案燃燒的效果不佳，雖然氧化亞氮本身會分解出氧氣，但是可能沒有足夠的氧化亞氮使紙張繼續燃燒或可能溫度太低（未達燃點）無法繼續分解。
安全
● 示範這個實驗最好戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。
參考資料（擷取日期：2010年7月）
1. 46. ‘Magic writing’, Classic Chemical Demonstrations, p 111, Royal Society of Chemistry, available at http://media.rsc.org/Classic Chem Demos/CCD-63.pdf. 
2. The thermal decomposition of nitrates – ‘writing with fire’, Practical Chemistry, http://www.practicalchemistry.or … itrates,280,EX.html.
3. Potassium nitrate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_nitrate.
4. Lead(II) nitrate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Lead(II)_nitrate.
5. 科學大探索-無字天書，http://content.edu.tw/primary/na … plore/explore11.htm.
6. 科學實驗室-隱形墨水，http://scigame.ntcu.edu.tw/Site1/Game_others2.html.
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=7204
火燒字畫
http://w1.chjhs.tyc.edu.tw/jim5631/sciencegroup/joyscience.htm

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