趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭 邱姿蓉*、黃維靜 國立大甲高級中學 *cmnfish2@gmail.com n  影片觀賞 本文介紹神奇合金與彩焰蠟燭兩樣趣味的化學玩具，購買於東京科學技術館，適用於年齡10歲以上的對象，本影片提供兩項玩具演示的詳細過程，並在文章中介紹其中成分、使用步驟及其科學原理。 影片網址：趣味化學玩具：神奇合金與彩焰蠟燭，http://youtu.be/CpM58k2DEuk。 n  簡介 神奇合金玩具所採用的合金是屬於一種低熔點合金，生活中常用於熔斷式保險絲的伍德合金（Wood’s alloy or Wood’s metal）就屬於此種合金，熔點為70℃，由於其成分中含有鉛、鎘等有毒重金屬，因此不適合當作玩具的材料。低熔點合金由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬所組成，熔點只有78.8℃，可藉由溫度高於78.8℃的熱水就能讓合金熔化，利用黏土和準備的模型，創造出自製化獨一無二的金屬別針。焰色玩具是有五種不同顏色的蠟燭，因為蠟燭裡所含的金屬成分不同，所以可產生不同顏色的火焰。這兩樣玩具操作簡易，且富含化學知識，只要注意安全，年齡10歲以上的小孩就可以玩。 n  藥品與器材 神奇合金玩具裡含鉍（Bi）錫（Sn）銦（In）合金一袋、黏土一條、別針一支、說明書一份。焰色玩具裡含5色蠟燭共12支、塑膠插座12個、說明書一份。包裝外觀如圖1所示。 圖1：產品外包裝盒，神奇合金（左），彩焰蠟燭（右）。 n  實驗步驟 一、  神奇合金玩具 A.    合金融化 1.        取些許合金放入一個玻璃瓶中，並蓋緊瓶蓋。 2.        於250 mL燒杯中，裝78.8℃以上的熱水。放此玻璃瓶到燒杯中，隔水加熱使合金熔化。加熱過程如圖2所示。 圖2：合金隔水加熱 B.     金屬別針的製作 1.        壓入欲製作的模型於黏土中，使其形狀固定後拿出。倒入熔化的合金溶液於黏土中，並放置別針於熔化的合金上。灌模製作如圖3所示。 圖3：灌模製作金屬別針 2.        靜置等待合金凝固，就可以將其從黏土中取出，便是一個自製化的金屬別針。 圖4：別針與模型 二、  彩焰蠟燭 A.    觀察不同顏色蠟燭的焰色 1.        取不同顏色的蠟燭各一支，以塑膠插座插在保麗龍上點燃。 2.        根據觀察到的不同火焰顏色，推想不同顏色的蠟燭裡各含有什麼金屬。蠟燭燃燒如圖5 圖5：不同彩焰蠟燭的焰色 n  原理與概念 一、神奇合金玩具 合金是溶液的一種，為具金屬特性的元素混合物，其中至少有一種主要成分為金屬，根據混合的狀況，可區分為均相合金與非均相合金合金。青銅、黃銅為均相合金，成份元素的原子分布均勻；非均相合金例如汞齊，為不同比例晶相組成的混合物。不同的合金依據其成份產生不同的性質，故合金通常為因應適用於特定用途而設計。例如：鎂鋁合金由於其輕巧又具有如鋼鐵般的強度，廣泛應用於3C電子產品的外殼、腳踏車架等各項產業。各種金屬與合金的熔點的比較如圖5所示。 圖5：各種金屬與神奇合金的熔點比較 本次實驗可用熱水熔化的神奇合金，是由鉍（Bi）、錫（Sn）、銦（In）三種金屬按一定比例混合而成，熔點為78.8℃。這三種金屬的熔點分別是鉍（Bi）271.4℃、錫（Sn）231.9℃、銦（In）156.6℃，用熱水是無法單獨熔化。當鉍、錫、銦以特定比例量混合時，由於各成分原子半徑的差異，因此原本各成分獨特有序的晶體排列方式遭受扭曲破壞而使彼此間引力變弱，混合溶液的熔點因此降低。圖6即表示兩固態成分混合溶液的相圖，當兩A、B成分以的特定的比例混合時（又稱共晶組成），低溫下固體成兩固體相，隨著溫度上升至共晶溫度時，固體混合物開始熔化，最後形成均勻的混合物。反之若兩成分非共晶組成時，圖左自高溫冷卻時，均勻混合的溶液會有一段時間經過固液兩相共存的狀態（L+α），最後才轉變成固相（α+β）。 圖6：二種化學混合物的相圖 […]