放在抽氣罐中持續震動的鬧鈴，隨著空氣越來越少，傳出的聲音越變越弱，終至無聲……這個有名的實驗，可以用來驗證聲音的傳遞需要介質。

這個抽氣機也能用來講解大氣壓力~

放在抽氣罐中的氣球，隨著空氣越來越少，罐內壓力變小而氣球體積慢慢變大。

但，如果是帶著火焰的蠟燭放在抽氣罐中，再抽去空氣，結果會是什麼樣？

之一  抽氣罐中的蠟燭

四月初，帶導師班學生到科博館進行戶外教學，其中一場科學演示~氣球的物理，科博館講師示範空氣砲吹蠟燭，也示範氣球在抽氣減壓裝置下的膨脹現象。

打開馬達，當抽氣機使罐內壓力變小時，內有微量氣體的氣球因壓力差而自然膨脹，這個現象讓還沒學到大氣壓力的學生們感到非常有興趣。這時，學生提出一個問題：『如果把剛剛的蠟燭放在抽氣機中抽氣，蠟燭會變怎樣？』我們的孩子不是來找碴，純粹和導師一樣好奇。

這個問題簡單！『裡面沒有空氣，蠟燭當然就熄滅了！』看似想當然耳的答案，講師會為孩子們示範嗎？『想要看嗎？』講師笑笑，他也沒做過，於是將帶有火焰的蠟燭放進抽氣機中，開始抽氣，如預期~隨著空氣逐漸抽去，蠟燭最後熄滅了。可是…熄滅是結果，中間過程呢？

過程很快，除了火焰變小外，似乎閃過一個畫面。是否注意到了呢？火焰的顏色乎也在改變，怎麼回事？於是，請講師再操作一次，錄影下來，也請學生瞧個仔細。影片如下：

當時沒能細看，後來透過影片反覆播放， 我們看到火焰是由外而內慢慢被抽離，剩下焰心，氧氣不足下充滿蠟蒸氣的藍焰！

『熄滅之前，蠟燭的火焰會由原本的金黃色，慢慢轉成藍色呢！』

火焰的顏色為何會變？和講師討論，他說：『平常是氧化焰，當氧氣不足時就變成還原焰了。』學過氧化還原，卻不知道......火焰也有氧化還原之分，引發了我的好奇。

之二  蠟燭燃燒的化學反應與火焰構造

氧化要產生火焰，是要有氣體分子的碰撞才會發生，火焰的形狀與對流有關，有重力的環境下，熱空氣密度小上升，形成常見的錐狀火焰，在無重力環境下，燭火的形狀則是圓的。

燃燒反應的主角是燃料分子和氧氣發生碰撞。蠟燭是由石蠟組成，石蠟是固態的碳氫化合物，碳氫化合物中的碳原子、氫原子，經由燃燒過程和氧原子結合，而分別形成二氧化碳和水。從反應物碳氫化合物到產生二氧化碳和水的過程，並非一次碰撞就能完成，蠟燭燃燒其實是一個多步驟的化學反應，燃料(碳氫化合物)、氧、中間產物間進行多次碰撞的化學變化。

蠟必須先變成蠟蒸氣。如下圖A，氣體的蠟油分子由燭芯往外擴散，而空氣中的氧氣分子同時由外往燭火擴散，兩者相互碰撞，擴散交界處形成火焰面。而燃燒產生的二氧化碳和水分子，如圖B，也會由火焰面往內或往外擴散出去，正因為反應物與產物的進出方向不同，而產生火焰的多層結構。

除了蠟蒸氣，火焰中還有許多碳微粒，這是因為蠟油分子吸收能量而切斷化學鍵，產生大量游離的碳原子，碳原子在火焰面和氧原子結合成為二氧化碳或一氧化碳，也可能與水分子碰撞而產生氫氣。

其他尚未反應的碳原子因為量多，則相互碰撞而結合成為碳微粒。火焰的金黃色，便與碳微粒有很大的關係，火焰由外而內如下：

外焰：燭焰的最外圍，由於空氣充足而完全燃燒，所以溫度最高。（所含的碳粒較少，光度比內焰暗，火焰是淡黃色）
內焰：焰心的外圍，焰心的蠟氣體在這裡燃燒，因為有多量的碳粒在內焰燃燒反射，所以內焰是燭焰最亮的部分，火焰是金黃色。
焰心：靠近燭芯的部分，是燭焰的最內層，淡藍色火焰。由未燃燒的蠟氣體所組成，溫度低，光度暗。（有時候焰心不容易看見，甚至外焰也不容易被肉眼觀察到。）

之三  藍焰，是冷還是熱？

蠟燭的藍焰在焰心，溫度低，而瓦斯的藍焰，則代表火焰燃燒完全，溫度很高。同樣是藍焰，為何冷熱不同？

在氧氣充足、燃料適中時則形成藍色瓦斯爐火。

蠟燭的燃燒反應是燃料分子與氧氣因擴散而生成，燃料和氧化物只有在火焰面彼此相遇、碰撞而產生能量與火焰，焰心因為充滿蠟蒸氣，光度暗而出現微弱的藍焰。

瓦斯爐的火焰則不同，燃料分子和氧分子在燃燒反應前就已經混合。藍焰為代表完全燃燒，黃紅色的火焰代表燃燒不完全。為什麼火焰有藍有黃呢？在林大惠教授撰寫的『燃燒火焰知多少』一文便提及，『在以碳氫化合物的藍焰來說，黃色火焰來自於火焰高溫區中存有大量的碳顆粒，藍色火焰則代表火焰高溫區擁有較多的中間型分子，如一氧化碳分子、氫氧及碳氫自由基等。紅色火焰則代表火焰高溫區存在大量的水分子，因而呈現紅色。』

藍焰也發生在銅鹽，這與金屬的焰色有關，就未必與溫度高低、是否完全燃燒有關了。

關於焰色與溫度，請見之前文章：藍綠對決~銅離子的焰色是藍還是綠？ 、火是什麼顏色？(上) 焰色篇 、火是什麼顏色？(下) 色溫篇   關於蠟燭擴散火焰知識，參考自『科學發展2002年 7月 355期 p4~p11』成功大學機械工程學系林大惠教授撰寫，『燃燒火焰知多少』一文。

之四  氧化焰與還原焰

接著回到氧化焰、還原焰的問題。氧化焰是指燃料能完全燃燒的火焰，有大量空氣供給，氧氣充足，CO較少，具有氧化能力。還原焰則是不完全燃燒的火焰，內部一氧化碳和氫氣多，燃料並分解為含碳的產物，碳粒子被燃燒成游離狀態，能發出強光，具有很強的還原作用，以蠟燭火焰來說，『外焰是氧化焰，內焰是還原焰。』還有一種中性焰，燃燒時產生的一氧化碳、氫氣與進入的空氣量幾乎相等，處於平衡狀態。

誰會在意火焰為氧化焰或還原焰呢？陶藝家會在意火焰，這牽涉到燒窯時瓷器與釉上金屬氧化物的變化。『因火焰煅燒的位置與溫度之不同，而使同一金屬鹽窯燒後產生與預期不同的結果…』在古時候稱為窯變，其實這與氧化焰、還原焰有關。

以下關於窯變資料，參考自+{中華百科全書‧典藏版}+ 例如銅鹽的釉色變化，本應呈綠或藍色，但出窯時，有些卻變成紫紅色，在氧化焰中成為氧化銅（CuO），但在還原焰中則形成氧化亞銅（Cu2O），呈紫或紅色。而鐵鹽在氧化焰中形成氧化鐵（Fe2O3），呈黃色或褐色，若在還原焰中則形成氧化亞鐵（FeO），呈青色。

分類：科學五四三 2011/05/13 10:19