創意微型實驗—微型環保禮炮 / 方金祥

星期日 , 2, 七月 2017 Leave a comment

創意微型實驗—微型環保禮炮

方金祥

創意微型科學工作室
chfang1273@yahoo.com.tw

氫氣槍或酒精槍是參與科學研習活動中學生的最愛之一,這兩支化學槍是使用同一支槍,只是其中之差異是所用的可燃性氣體不同而已,氫氣槍用的可燃物是氫氣而酒精槍用的是酒精蒸氣。學生在動手做實驗當中很想嘗試有聲音產生的現象,甚至聲音要大到有如爆炸聲才過癮,但是往往期待時又怕受到傷害,因此在早期的國編版國中理化教科書及現行國中自然與生活科技教科書中竟連有小小爆鳴聲的氫氣製造與檢驗的實驗就早已被刪掉了,本人覺得沒有讓學生親身體驗一下氫氣的製造與其檢驗實在很可惜,有鑑於此本人早於民國七十年代就設計一套非常簡易安全又快速的「微型氫氣製備裝置」,用來製造氫氣進而供給氫氣槍所需之可燃性氫氣。

n  過去的微型氫氣槍或酒精槍

本人過去曾以打火機或瓦斯點燃器、底片空盒子、塑膠注射筒、乒乓球、熱熔膠、導線以及電火布等組裝成簡易安全之「微型氫氣槍或酒精槍」,其作品如相片一~五所示。

1.        利用各式各樣的打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍,如相片一所示。

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相片一:打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍

2.        利用打火機的壓電裝置、具有聲光之玩具槍與底片空盒子組合而的成氫氣槍或酒精槍,如相片二所示。

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相片二:打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍

3.        利用打火機的壓電裝置與塑膠注射筒組合而成的氫氣槍或酒精槍,如相片三所示。

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相片三:打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍

4.        利用打火機的壓電裝置直接與底片空盒子組合而成氫氣槍或酒精槍,如相片四所示。

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相片四:打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍

5.        利用打火機中之壓電裝置與手杖組合而成的氫氣槍或酒精槍,如相片五所示。

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相片五:打火機與底片空盒子直接組合而成的氫氣槍或酒精槍

n  微型環保禮炮之原理

「微型環保禮炮」,係利用打火機的壓電裝置之兩條導線,在一密閉容器(底片空盒子)中經按壓其壓電裝置後會由伸入密閉容器的兩條導線之尖端放電產生小火花,其小火花會將裝於密閉容器中之可燃性氣體(如氫氣、酒精蒸氣或乙炔氣體)於瞬間引爆,並產生極大壓力而將密閉器(底片空盒子)之蓋子彈飛出去時,隨即發出很一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響,猶如施放禮炮之聲音。

n  微型環保禮炮之設計與製作

一、材料、藥品與器材

1.        材料:打火機、底片空盒子、熱熔膠、電火布(見相片六)

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打火機         底片空盒子            熱熔膠                 電火布                      尖錐

相片六:實驗所需材料

2.        藥品:鎂帶、碳化鈣(CaC2)、稀鹽酸(3 M HCl)、酒精(見相片七)

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鎂帶                   碳化鈣                         稀鹽酸              酒精

相片七:實驗所需藥品

3.        器材:微型氣體製備裝置(見相片八)、塑膠橡皮筋槍(見相片九)

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相片八:製備氫氣與乙炔之微型氣體製備裝置

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相片九:塑膠橡皮筋槍

二、微型環保禮炮之組裝

(一)      塑膠橡皮筋槍上「單擊發之微型環保禮炮」之組裝

1.        將打火機中之壓電裝置取出,並接出2條導線,如相片十所示。

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相片十:打火機中之壓電裝置

2.        用熱熔膠將1個底片空盒子固定在1支塑膠橡皮筋槍之前端正下方。

3.        用尖錐將1個底片空盒之底部正下方挖2個小孔。

4.        用熱熔膠將1個壓電裝置,固定在並聯式塑膠橡皮筋槍(見相片九)原板機之前端。

5.        將壓電裝置之2條導線加以延長出來,再將2條導線分別插入底片空盒子之底部之2個小孔中約1 cm長,使2條導線之末端等長,然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子之間密閉起來,即完成「單擊發的塑膠橡皮筋槍上之「單擊發塑膠橡皮筋槍式之微型環保禮炮」,如相片十一所示。

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相片十一:單擊發塑膠橡皮筋槍式之微型環保禮砲

(二)      塑膠橡皮筋槍上「雙擊發之微型環保禮炮」

1.        2支打火機中之壓電裝置取出,並各別接出兩條導線(見相片九)。

2.        先將2支塑膠橡皮筋槍,用熱熔膠並黏起來而成並聯式塑膠橡皮筋槍。

3.        用熱熔膠分別將2個底片空盒子,固定在並聯式塑膠橡皮筋槍前端之左右兩側。

4.        用尖錐分別在2個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。

5.        用熱熔膠分別將2個壓電裝置,固定在並聯式塑膠橡皮筋槍原板機之前端。

6.        2個壓電裝置之兩條導線,分別插入個2底片空盒之底部之2個小孔中約1 cm長,使2條導線之末端等長,然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來,即完成「可連續雙擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮」,如相片十二所示。

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相片十二:可連續雙擊發的微型環保禮砲

(三)      塑膠橡皮筋槍上「三擊發之微型環保禮炮」

1.        3支打火機中之壓電裝置取出,並各別接出兩條導線(見相片九)。

2.        先將2支塑膠橡皮筋槍,用熱熔膠並黏起來而成並聯式塑膠橡皮筋槍。

3.        用熱熔膠分別將3個底片空盒子,固定在並聯式塑膠橡皮筋槍前端之左右兩側及其下方等三處。

4.        用尖錐分別在3個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。

5.        用熱熔膠分別將3個壓電裝置,固定在並聯式塑膠橡皮筋槍原板機前端3個適當處。

6.        3個壓電裝置之2條導線,分別插入3個底片空盒之底部之2個小孔中各約1 cm長,使2條導線之末端等長,然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來,即完成「可連續三擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮」,如相片十三所示。

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相片十三:可連續三擊發的微型環保禮炮

7.        可連續三擊發的塑膠橡皮筋槍上之微型環保禮炮,亦可供作原塑膠橡皮筋槍之功能,可連續將8條橡皮筋打出去,如相片十四所示。

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相片十四:可連續打出8條橡皮筋

(四)      可連續「五擊發之微型環保禮炮」

1.        準備1個大型塑膠蓋子及一張紅色半圓形厚紙板,如相片十五所示。

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相片十五:塑膠蓋子(左)及紅色半圓形厚紙板(右)

2.        5支打火機中之壓電裝置取出,並各別接出兩條導線(前相片九)。

3.        用熱熔膠分別將5個底片空盒子,固定在塑膠蓋子(見相片十五)之前端,如相片十六所示。

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相片十六:固定在塑膠蓋子上之5個底片空盒子

4.        用尖錐分別在5個底片空盒之底部適當處各個挖2個小孔。

5.        用熱熔膠分別將5個壓電裝置,固定在塑膠蓋子內側5個適當處,如相片十七所示。

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相片十七:固定在塑膠蓋子內側之5個壓電裝置

6.        將已固定在塑膠蓋子內側之5個壓電裝置之2條導線依序分別插入5個底片空盒之底部之2個小孔中,然後用熱熔膠將其固定並使其與底片空盒子密閉起來,如相片十八所示。

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相片十八:5個壓電裝置之條導線插入5個底片空盒之底部之2個小孔中

7.        用熱熔膠將一張紅色半圓形厚紙板(見相片十四)固定塑膠蓋子內側下方,將5個壓電裝置的下方遮住,即完成「可連續五擊發之微型環保禮炮」,如相片十九所示。

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相片十九:可連續五擊發之微型環保禮炮

n  微型環保禮炮之操作

微型環保禮炮依在底片空盒子內之可燃性物質而異,微型環保禮炮可分成氫氣禮炮、酒精禮炮以及乙炔禮炮等三類,其操作法分別說明如下:

一、氫氣禮炮

1.        氫氣禮炮顧名思義所用的可燃性物質是氫氣(H2)。

2.        利用微型氣體製備裝置(見相片八)來製造氫氣,其步驟如下:

(1)      將微型氫氣製備裝置之塑膠注射筒取下來,並將塑膠罐之蓋子打開。

(2)      在塑膠罐中加入30 mL3 M稀鹽酸,然後將塑膠蓋子組合起來。

(3)      125 mL塑膠注射筒之活塞拔出,並將一段5 cm長之鎂帶折成1 cm後丟入塑膠注射筒中,然後將活塞在塞回塑膠注射筒中,如相片二十所示。

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相片二十:將一小段鎂帶投入塑膠注射筒中

(4)      將裝有鎂帶的塑膠注射筒與裝有稀鹽酸之塑膠罐組合起來,如相片二十一所示。

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相片二十一:裝有鎂帶的塑膠注射筒接在裝有稀鹽酸之塑膠罐上

(5)      將塑膠注射筒之活塞往上抽至塑膠注射筒的最高點,當稀鹽酸被抽入塑膠注射筒之同時,稀鹽酸會即刻與塑膠注射筒中之鎂帶起化學作用而產生氫氣(H2),如相片二十二所示。其反應如式[1]所示:

Mg(s) + 2HCl(aq) → MgCl2(aq) + H2(g)    [1]

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相片二十二:利用微型氣體製備裝置來製造氫氣

(6)      產生之氫氣會將稀鹽酸(含作用產物氯化鎂)排入塑膠罐中,直到氫氣充滿整支塑膠注射筒時反應便會自動終止,收集在塑膠注射筒中之氫氣即可供作氫氣禮炮之可燃性氣體之用。

3.        從微型氫氣製備裝置上已收集滿氫氣之塑膠注射筒取下來。

4.        將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子取下。

5.        手持微型環保禮炮使底片空盒子開口朝下,裝有氫氣之塑膠注射筒朝上並將塑膠注射筒之前端插入底片空盒子中約2 cm,將塑膠注射筒中之氫氣迅速地打入10 mL於底片空盒子中,然後迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上,如相片二十三所示。

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相片二十三:將10 mL氫氣打入底片空盒子中

6.        手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發,在底片空盒子中之氫氣會即刻引爆而產生很大的壓力,至將塑膠蓋子彈出並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響,猶如施放禮炮之聲音,如相片二十四所示。

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相片二十四:持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發

7.        如將注射筒中之氫氣分別打入10 mL於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之各個底片空盒子中,經分別將235個壓電裝置按下,即可連續擊發並發出235聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。

二、酒精禮炮

1.        酒精禮炮顧名思義其所用的可燃性物質是酒精蒸氣。

2.        將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子打開。

3.        1 mL的塑膠滴管吸取酒精,並滴12滴酒精進入底片空盒子中,然後迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上。

4.        手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發,經酒精液體揮發成的酒精蒸氣會即刻引爆而產生很大的壓力至將塑膠蓋子彈出並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響,猶如施放禮炮之聲音。

5.        亦可用幾個紙杯擺設成標靶,然後手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊之更能增加其安全性及趣味性,如相片二十五示。

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相片二十五:手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊

6.        如將滴管中之酒精分別滴入12滴於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之各個底片空盒子中,經分別將235個壓電裝置按下,即可連續擊發並發出235聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。

7.        當發後迅即將擊再塑膠蓋子蓋住底片空盒子時,即可再擊發一次,依此動作只要滴入12滴酒精時最多可擊發68次。

8.        由於底片空盒子與塑膠蓋子間之密閉性很好,因此酒精滴入底片空盒子中經揮發成酒精蒸氣後,在一星期內隨時都可擊發。

三、乙炔禮炮(又稱電石禮炮)

1.        乙炔禮炮顧名思義其所用的可燃性物質是乙炔氣體。

(1)      利用微型氣體製備裝置(見相片八)來製造乙炔氣體,其步驟如下:

(2)      將微型氣體製備裝置之塑膠注射筒取下來,並將塑膠罐之蓋子打開。

(3)      在塑膠罐中加入30 mL的蒸餾水,然後將塑膠罐之蓋子組合起來。

(4)      將塑膠注射筒之活塞拔出,並將12粒碳化鈣(CaC2或稱電石)丟入塑膠注射筒中,然後將活塞再塞回塑膠注射筒中,如相片二十六所示。

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相片二十六:將12粒碳化鈣丟入塑膠注射筒中

(5)      將裝有碳化鈣的塑膠注射筒與裝有蒸餾水之塑膠罐組合起來。

(6)      將塑膠注射筒之活塞往上抽至塑膠注射筒的最高點,當蒸餾水被抽入塑膠注射筒之同時,蒸餾水會即刻與塑膠注射筒中之碳化鈣起化學作用而迅速產生乙炔氣體,如相片二十七所示。其反應如式[2]所示:

CaC2(s) + 2H2O(l) → C2H2(g) + Ca(OH)2(s)    [2]

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相片二十七:利用微型氣體製備裝置來製造乙炔氣體

(7)      產生之乙炔氣體會將被抽入塑膠注射筒中之蒸餾水(含作用產物氫氧化鈣)排入塑膠罐中,直到乙炔氣體充滿整支塑膠注射筒時反應便會自動終止,收集在塑膠注射筒中之乙炔氣體即可供作乙炔禮炮之可燃性氣體之用。

2.        從微型氣體製備裝置上已收集滿乙炔氣體之塑膠注射筒取下來。

3.        將微型環保禮炮上之底片空盒子之塑膠蓋子取下。

4.        手持微型環保禮炮使其上底片空盒子之開口朝下,裝有乙炔氣體塑膠注射筒朝上,將塑膠注射筒之前端插入底片空盒子中約2 cm,然後將塑膠注射筒中之乙炔氣體迅速地打入10 mL於底片空盒子中,然後再迅速將底片空盒子之塑膠蓋子蓋上。

5.        手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發,在底片空盒子中之乙炔氣體會即刻引爆而產生很大的壓力,至將塑膠蓋子彈飛出去,並發出一聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的聲響,猶如施放禮炮之聲音,如相片二十八所示。

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相片二十八:手持微型環保禮炮朝向無人處或對空擊發

6.        亦可用幾個紙杯擺設成標靶,然後手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊之,以增加其安全性與趣味性,如相片二十九所示。

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相片二十九:手持微型環保禮炮朝向標靶瞄準射擊

7.        如將注射筒中之乙炔氣體分別打入10 mL於可雙擊發、三擊發或五擊發之微型環保禮炮之中各個底片空盒子中,經分別將235個壓電裝置按下,即可連續擊發並發出235聲非常「ㄅㄧㄤˋ」的禮砲聲響。

n  微型環保禮炮之操作注意事項

1.        利用微型氣體製備裝置製造出來的氫氣與乙炔氣體,因此二氣體皆較空氣輕,因此欲打入此氣體於底片空盒子中時,必須將微型環保禮炮的底片空盒子之開口朝下,而注射筒朝上並微微插入底片空盒子中,再將可燃性氣體打入約10 mL的量即可不宜太多。

2.        滴入之酒精量以12滴為宜不可過多,因酒精過多在擊發時於底片空盒子開口處會有小火團產生較為危險。

3.        為安全起見手持微型環保禮炮欲擊發時,必須朝著空曠處或前面無人處才可擊發。

4.        為防止擊發時底片空盒子之塑膠蓋子被彈飛出去,而造成危險或蓋子遺失,因此宜將塑膠蓋子與微型環保禮炮間用細繩綁住以增其安全性及方便性,如相片三十所示。

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相片三十:塑膠蓋子與微型環保禮炮間用細繩綁住

n  微型環保禮炮之特點與用途

1.        特點

(1)      體積小攜帶方便。

(2)      操作容易安全有趣。

(3)      充當禮炮,聲音很「ㄅㄧㄤˋ」。

(4)      可連續擊發15發響聲,擊發後蓋子飛出去不會掉落地上,並可即刻蓋回底片空盒子備用。

(5)      橡皮筋槍型之環保禮炮,可兼有連續彈發48條橡皮筋之功能。

2.        用途

(1)      可隨身攜帶供防身之用。

(2)      可供作驅逐農田害鳥之用。

(3)      可充當婚禮中連續禮炮之用。

(4)      可充當田徑賽中之起跑槍響之用。

n  結語

本文中以底片空盒子、打火機的壓電裝置、橡皮筋玩具槍以及大的圓形塑蓋子等材料來設計,組裝成單擊發及可連續雙擊發、三擊發或五擊發、而能發出單響或雙響、三響或五響等非常「ㄅㄧㄤˋ」之禮炮聲,此禮炮不像一般的鞭炮或禮炮施放後會留下垃圾來,因此將其稱之為「微型環保禮炮」。此微型環保禮炮曾於2017525日受邀至臺中市私立明道中學辦理化學科教師做探究與實作之主題之一、每位教師能都獨自組裝完成一套,大家經操作後都覺得此具有聲響的教具非常實用也很好玩且很有趣,如相片三十一所示。由於所用之可燃性物質不同,可分為採用氫氣為可燃性物質者稱之為「氫氣禮炮」,如用酒精為可燃性物質者則稱為「酒精禮炮」,如用乙炔氣體為可燃性物質者則稱之為「乙炔禮炮」,由於乙炔氣體是經由電石與水作用所產生之可燃性氣體,因此「乙炔禮炮」又稱之為「電石禮炮」。此三種禮炮由於體積小可隨身攜帶、只要預先將三種不同的可燃性物質放入裝置中密閉性非常好的底片空盒子中、即可隨時使用發揮如上所述的功能與效用。

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相片三十一:臺中市私立明道中學辦理化學科教師研習「微型環保禮炮」探究與實作

 

n  參考資料

1.          方金祥著(1998),微型化學實驗設計與製作〈發明創新專利與學術論著得奬作品集〉,高雄復文出版社。

2.          方金祥(2014), 創意微型實驗─微型氫氣製備裝置與氫氣槍。臺灣化學教育,第二期。

 

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