火柴化學家:一根火柴的故事

資料來源
59-05
文/江淑芳、陳坤龍

 前言


火柴的發明為人類取火做出了不朽的貢獻,也出現在舉世知名的安徒生童話《賣火柴的小女孩》中,讓小女孩在大雪紛飛的夜裡,點燃賴以銷售謀生的火柴取暖,在幻境中尋求她所渴求的聖誕氛圍和親人的愛,直到最後燃盡最後一根火柴,在寒冷的冬夜凍死街頭,令讀者傷感不已。

雖然現代人已經非常少使用火柴,但是火柴卻可用在科普教育的推廣上,供教師與學生進行趣味科學,以增強科學教師教學及學生學習科學之興趣,並期能引起社會大眾對科學的認知與興趣。例如:利用移動火柴棒讓數學等式完成,培養國小學童推理能力之研究。或是利用火柴製作火柴火箭,使參加者了解火箭發射所需最基本之作用與反作用力原理。

有鑑於火柴-這個簡單的點火系統,其發明卻在人類文明發展佔有重要地位,國立科學工藝博物館(簡稱科工館)於今(2020)年1月以小五至國二的學生為對象,辦理「元素殿堂的奇幻旅程」冬令營活動,邀請極富創意並擅長將課本上的理論變成有趣的遊戲的臺南市佳興國中陳坤龍老師擔任講師,希冀讓學員瞭解週期表背後的意義及元素的特性,拉近元素與學員的距離,讓學員擁有進入化學殿堂的鑰匙。陳坤龍老師在介紹氮族與氧族元素時,規劃了「一支火柴的故事/自製火柴,浴火磁生」活動,除了介紹火柴的組成成分與燃燒原理,並讓學員自製一支火柴。課程規劃如下說明。

 古人如何引火?


課程首先回顧古人如何引火?生火對現代人而言再容易不過,只需要一根火柴或者一個打火機就能搞定。然而,在生産技術落後的遠古時期,我們的祖先又是通過怎樣的方式來點火的呢?因此講師引導學員明瞭古人的點火秘方-「摩擦生熱」。古人生火的方式大致可分為以下方式:

1.鑽木取火:用木棍磨擦木板,發熱後以削得很細的木屑或是含有易燃物(如硫磺及油)的紙等火媒引火燃燒。

2.打火石:利用火石互相磨擦及敲擊的方式打出火星到火媒上引火。打火石是一種礦石,如燧石、石英、黑曜石、輕石等。成分為氧化矽,含磷或硝等易燃物質,可燃度高。燧石也是古代人用作取火的工具,又名「打火石」。現代人們則利用其堅硬特性,作為研磨的材料,而現今的打火機內亦可找到打火石。


經由講師上述的說明,學員可瞭解,鑽木取火是人類最早掌握的生火方式,早在原始社會它就已經給人類帶來了火種。而這一方式利用的正是摩擦生熱原理,乾燥的木頭在相互摩擦後産生的熱能可以將木屑、枯草等易燃物引燃,從而達到點火的目的,繼後使用的打火石亦是借由摩擦生熱而取火。

雖然鑽木取火的方式在現代已經鮮有人用,但其摩擦生熱的原理卻依然常見。其中,以火柴和打火機為主要代表。火柴依靠快速摩擦産生的熱來點燃火柴頭中的易燃物(圖1、2),而打火機則是利用鐵輪去摩擦打火石。當摩擦發生時,打火石被粉末化並四散開來並在摩擦産生的高溫下被點燃,形成火花,從而釋放大量的熱。


圖1. 講師講解火柴依靠快速摩擦産生的熱來點燃火柴頭中的易燃物


圖2. 學員點燃火柴體驗火柴摩擦生熱的原理

 火柴的發明史與成分


講師接續以PPT介紹火柴的發明。火柴的起源可以追溯到第6世紀的中國北方。細節已經失傳,但據記載,在一次圍攻城鎮時,婦女們為了節省燃料,於是就想出了一種化學處理木棒的方法,在需要的時候可以用它來點火。

從那以後,經過漫長的歷史,直到1770年,人們用白磷塗抹在紙條的頂端,並將其密封在玻璃管中,當需要點火時,玻璃管被打破,空氣進入,磷得以接觸空氣著火燃燒,並點燃了紙張。之後,人們以此基礎進行改造,稱之為「磷盒」(phosphorus box),包含尖端塗有硫磺的薄木片和一小瓶的磷。點火時,將薄木片浸到小瓶內沾上磷,然後靜置在空氣中。空氣燃燒磷,之後燃燒硫磺,薄木片即被點燃。

1827年,英國化學家約翰·沃克(John Walker)把薄木片浸泡硫磺,之後將氯酸鉀、糖和三硫化二銻製成的糊狀物塗抹薄木片的尖端,然後用砂紙夾住火柴梗,一拉,火就點燃了。這個成品有時無法成功點燃,有時會有一個燃燒的小火球飛出並降落在地毯或衣服上。

1829年,英國化學家撒母耳·瓊斯(Samuel Jones)仿製沃克的火柴,並將其命名為路西法(Lucifers)(沃克從未為他的想法申請過專利,而Lucifer在拉丁文中意為「光明使者」)。瓊斯是第一個用小的長方形紙盒來銷售他的產品的火柴製造者。早期印在瓊斯的路西法火柴盒上的使用說明包括以下注意事項:「如果可能的話,避免吸入黑色成分燃燒時逸出的氣體。肺部比較脆弱的人不應該使用。」

1830年左右,法國化學家查理斯·索裡亞(Charles Sauria)發明了第一根以磷為基底的火柴,他用白磷代替了沃克火柴中的三硫化二銻。白磷是一種蠟狀的固體,當它含有少量雜質時,就會變成淡黃色,因此人們也常稱白磷為黃磷。白磷的熔點很低,只有攝氏44.1度,在空氣中受到輕微的摩擦就會自燃,因此效果雖然很好,可是不安全。這些火柴雖然更容易點燃,但這些火柴經過了幾十年的生產,白磷的毒性逐漸顯現出來。由於白磷有劇毒,0.1克的白磷足以使人死亡,製造這些火柴的人長期暴露在白磷中,出現「燐毒性頜疽」(phossy jaw)症狀,導致牙痛、牙齦腫脹、毀容,甚至腦部受損。唯一的治療方法是切除下頜骨。隨著人們對白磷的毒性越來越瞭解,最終在1906年被禁止使用。

在禁止使用之前,人們已經在尋找替代物用於火柴。1845年,奧地利化學家施勒特爾(Anton Schrötter von Kristelli)發現,加熱白磷,或將其暴露在陽光下,會使白磷變成另一種形式的元素:紅磷。白磷和紅磷是屬於同素異形體,由於紅磷的熔點攝氏240度比白磷高出許多,受熱後能轉變成白磷而燃燒,再加上紅磷無毒,因此後來人們用紅磷代替白磷製造出安全火柴(safety match)。

安全火柴之所以安全,是因為引發它爆炸起火的幾個條件是分開的:一部分是火柴本身,另一部分則是必須先經過摩擦,所以火柴不會自己就燒起來。現今的安全火柴是如何發揮作用的呢?事實上,紅磷已經不存在於火柴的頭部,而是位於火柴盒側面的打擊面上,與玻璃粉等磨料混合在一起。

事實上,早期的火柴盒還曾把磨砂面做在會接觸到火柴的盒子裡側,依然相當危險,直到有人把磨砂面改到盒子外側後,火柴才終於開始流行,因為這樣安全多了!人類發明火柴,可謂經歷了漫長曲折的過程,並不是輕而易舉就辦到的(圖3)。


圖3. 講師講解火柴的成分

講師介紹完火柴的發明史與成分後,接續以相關影片介紹火柴的完整燃燒過程。講師透過Youtube上”How Do Matches Work?”影片(圖4),讓學員觀看火柴如何摩擦生火的詳細運作情形。火柴頭的成分中,三硫化二銻當作燃料,氯酸鉀在分解時提供氧氣使燃料燃燒起來,磷酸銨抑制煙霧,石蠟幫助火燃燒到火柴棒,黏膠幫助所有的物質黏在一起,染料幫助好看。火柴盒側邊的成分中,粉末狀玻璃作為摩擦之用,火柴頭快速摩擦時紅磷生熱變成白磷,非常活潑的白磷與氧氣反應而引起點火作用並有火焰產生,氧化劑氯酸鉀幫助燃料燃燒並產生更大更久的火焰,而這一切都發生在十分之一秒!


圖4. 學員觀看”How Do Matches Work?”影片

 火柴摩擦燃燒原理--氧化與還原反應


經由上述的說明與影片,講師進一步讓學員瞭解火柴可燃燒是利用某些物質的劇烈氧化還原反應,產生高溫而發火燃燒。亦即火柴是根據物體摩擦生熱的原理,利用氧化劑和還原劑的化學活性製造出的ー種能摩擦生火的取火工具。

早期的安全火柴是把硫磺跟氯酸鉀,用黏膠黏在火柴頭,而在火柴盒上準備了用來劃火柴的表面,這表面是一層碎玻璃渣跟紅磷,碎玻璃渣提供磨擦生熱的效應,紅磷則是用來點火。劃火柴時,磷上迸出的火花會點燃火柴棒上的硫磺,由於現場有氯酸鉀遇熱釋出的氧氣助燃,硫磺頓時劇烈燃燒,產生大量熱量點燃火柴木棒。

由於現今安全火柴的火柴頭的主要成分是氯酸鉀和硫化銻,火柴盒側邊磨砂面的主要材質是紅磷,輔料包括石蠟、二氧化錳、粘合劑、玻璃粉、炭黑及穩定劑。當摩擦火柴盒的摩擦層時,火柴頭上的氯酸鉀(強氧化劑)提供點燃紅磷(強還原劑)所需的氧氣,燃燒的磷點燃硫化物,最後燃燒的硫化物點燃火柴棒,因此當火柴頭在火柴盒外的側面上摩擦時,就會發熱而燃燒,產生一場微型爆炸。

 浴火磁生--自製火柴


講師接續進行火柴實驗,首先發放學員每人一支火柴,以強力磁鐵吸火柴,會發現磁鐵是無法把火柴吸起來的,代表未燃燒的火柴並沒有磁性。但再將火柴燃燒之後,利用強力磁鐵去吸燃燒後的火柴頭,會發現能夠被磁鐵給吸住,也就是說它們是有磁性的。

為什麼燒完的火柴頭會被磁鐵吸引?如果只看火柴中最核心的幾種成分並無法解答,因為無論氯酸鉀、硫、紅磷等成分應該都無法生成會被磁鐵吸引的產物。講師解釋因為火柴頭裡其實還含有其他一些成分,比如把所有東西粘在一起的粘合劑,以及為火柴頭著色的物質,磁性的答案其實在這部分裡。很多火柴頭都會做成紅棕色的,為它著色可以使用三氧化二鐵,三氧化二鐵被碳還原生成四氧化三鐵,四氧化三鐵也就是天然磁鐵的主要成分,具有磁性,所以能被強磁吸住,故而學員可得知鐵氧化物正是這個現象出現的原因(圖5)。


圖5. 講師讓學員點燃火柴後,後續以強力磁鐵吸附,讓浴學員體驗「浴火磁生」

之後,學員開始自製火柴,動手操作把氯酸鉀、三氧化二鐵、四氧化三鐵、碳粉、鐵粉混合,用白膠把它們粘到一根小木棍上,並親自到科工館戶外加以點燃,當一位自製火柴頭的火柴化學家(圖6-8)!


圖6. 學員自製火柴


圖7. 學員自製火柴


圖8. 學員至科工館戶外點燃自製火柴

 結語


火柴的發明對其出現年代的照明及生活模式來說是一大進步,也造就之後火柴的流行及需求。但第一支火柴使用的白磷,除了會產生可怕的高熱和劇烈的燃燒外,火柴工廠的工人還會因為這些化學物質而磷酸中毒,是相當可怕的疾病。幸而之後的化學家把無毒的紅磷取代白磷塗在火柴盒上,然後將硫化物製成了火柴頭,這樣,火柴頭必須和火柴盒進行摩擦,才能生火。從此,火柴才真正成為讓人們放心的物品。

早年火柴為民生取火的必需品,現已被打火機及高科技產品所取代。然而,火柴頭、火柴梗、紅磷片樣樣都有學問,值得我們細細品味。在19世紀中葉,作家安徒生希望藉由著作《賣火柴的小女孩》撻伐童工的流弊;而在21世紀新冠肺炎疫情延燒之際,美國有一對藝術家夫婦Juan Delcan和Valentina Izaguirre,製作一部小動畫《安全火柴》(Safety Match),以並列火柴的點燃,來說明社交距離的影響。影片開頭,火柴像骨牌一樣地排列,瞬間前頭的火柴不知被那傳來的火點燃了,因為火柴彼此距離甚近,於是火光接力賽一般地傳下去,眼看著整列火柴都要著火,隊伍一支長了腳的火柴一步跨出了隊伍,終止了火焰的蔓延,清楚傳遞人與人之間保持距離,對疫情擴散有多大的影響。可見,善用火柴摩擦點火帶來動能的特性,亦能對抑制新冠肺炎疫情擴散的宣導盡一份心力!

 參考資料


江淑芳
國立科學工藝博物館科技教育組研究助理

陳坤龍
臺南市佳興國中教師