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火焰與爆炸的主場!認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.04

作者:Celeste_蔚晴│Dr.STONE 新石紀│2019-07-27 19:35:41│贊助:90│人氣:1241
一、黑火藥

 黑火藥是古早的爆裂物,普遍認為是中國的煉丹士所發明,最早的紀錄可追溯到7世紀,而西方關於火藥的紀錄則要等到13世紀。雖然火藥被稱為中國三大發明之一,但諷刺的是,當火藥傳入西方後,反而在西洋人的手上變成了對付中國人的一大利器。
 製作黑火藥的材料是硫磺、木炭、硝酸鉀,工業上所使用的配方是10:15:75,而這也是在漫畫中記載的配方。動畫中把詳細的比例拿掉了,或許是擔心有人有意無意的照著做出炸藥來。


 這三個材料當中,硝酸鉀作為點火時的氧化劑,硫磺和木炭則作為燃料。當點燃時,硝酸鉀會分解放出氮氣,因此在密閉的槍管中點燃黑火藥可以作為子彈的推進器

10KNO₃ + 3S + 8C → 2K₂CO₃ + 3K₂SO₄ + 6CO₂ + 5N₂

 至於在其中加入砂糖的緣故,則是由於糖遇熱會分解為碳及水,故可以當做燃料使用。古代的煉丹士亦曾經記載在火藥中添加蜂蜜的配方。
 接下來,就讓我們來分別看看這三個必要的材料是如何入手的。

 三.1、硝酸鉀

 硝酸鉀這個東西很早就出現過了,在第1話中所介紹的硝石,其主要成份便是硝酸鉀。在動物的糞便中含有一定成份的含氮廢物,而這些物質會被硝化細菌分解成為硝酸鹽,這就是硝石的成因。由於硝酸鹽可以作為氮肥,古代的農家會將牲畜的糞便塗抹在牆上,在一定時間之後去採收上面形成的硝酸鹽,這也被稱為硝土
 在動畫中,千空很有可能是從蝙蝠洞中取得了大量的硝石,這與中世紀歐洲硝石的來源是相同的。不過,為了純化出硝酸鉀,還是需要一定的加工。

古早農村熬硝水的設備

 首先將粗的硝石用熱水溶解,提取其中含硝酸鹽的成份。接著加入草木灰(燃燒雜草產生的灰燼,主要成份為碳酸鉀)攪拌熬煮,煮到很濃的時候趁熱過濾掉不溶於水的雜質(如碳酸鈣)。由於硝酸鉀對熱水溶解度相當的高,在冷卻的過程中會最後析出,因此在降溫到一定程度時再次過濾,便可以過濾掉可溶於水的雜質(如氯化鈉)。這時剩下的溶液中大部分都是硝酸鉀了,可以繼續加熱濃縮,重複上述的步驟以提高純度。

 三.2、木炭

 木炭的基本作法是木材的不完全燃燒,並不是隨便燒燒木頭就能拿到的。在隔絕氧氣的條件下加熱木材,首先木材中的水份會先被逼出,其後木材的纖維素會開始分解,就像上方的糖一樣分解成碳及水。因此,木炭其實就是高純度的碳。
 相較於木材,木炭有可燃成份比例高、氣孔多通風良好等優點,因此是比木材更好的燃料。

傳統燒製木炭的簡易土窯

 燒製木炭的方法其實很簡單。找一處山坡地,在山腳的地方挖個橫向的深坑,放入木材之後點火。當木材燒到一定程度時,用土把洞口封住,讓裡面變成密閉空間繼續加熱。過一段時間之後,就可以打開取出裡面的木炭了。國中理化課本有一個實驗叫做竹筷的乾餾,其原理就跟燒木炭差不多。

 三.3、硫磺

 硫磺(sulfur)是一種黃色的非金屬元素,它以元素態大量存在於火山口附近,或是以黃鐵礦的形式存在。點燃硫磺會產生紫色的火焰,並且產生刺鼻的二氧化硫(SO₂),這便是造成火山地區獨特味道的元兇。

箱根的硫磺谷

 雖然硫磺基本上真的就像動畫中描述的一樣,在火山地帶隨便挖都有,但是由於地熱的關係空氣中會充滿著有毒的硫化物,所以開採時千萬要做好防護。

二、黃鐵礦與打火石

 黃鐵礦(mineral pyrite)是一種在火成岩地區常見的礦物,其主要成份是二硫化亞鐵(iron(II) disulfide, FeS₂),是工業上製造硫化物(如硫酸、二氧化硫)的最主要原料。純度高的黃鐵礦顏色為金色,帶有金屬光澤,很容易被誤認為金礦,因此也被稱為愚人金

 敲擊金屬或是礦物來產生火花的原理,是敲擊的動能轉化成為熱能,熱能點燃了被敲碎的細小礦物碎屑,因而產生了飄在空中的火花。因此,能敲打取火的礦物需要具備兩個條件:

1.礦物必須有一定的硬度。若是礦物的質地軟,敲打下去時的動能會轉化為礦物的形變(也就是被砸凹了),而無法有效的轉化為熱能。劇情中提到的含鐵這一點其實有點誤導,純鐵的質地其實偏軟,當其中混有一定比例的碳(也就是鋼)時,硬度才足夠。由於地表上常見的鐵礦都帶有碳的雜質,所以才能用來取火。

2.礦物必須要能被敲出細小易燃的碎屑。當礦物的表面由於撞擊而碎裂,產生的細小礦物碎屑會直接帶走熱能。由於碎屑的表面積相當大,直接接觸到空氣中的氧氣時,便能起火燃燒。古代的打火機,便是以燧石(矽質岩石)和鋼或黃鐵礦的表面碰撞,藉此敲碎後者的表面來產生火花。
作為背景知識,順便介紹一下摩氏硬度。摩氏硬度是簡單區分礦物硬度的比較量表,將常見的礦物分成了十個等級的硬度。拿起兩個礦物互相敲打,硬度較高的礦物會敲碎硬度較低的礦物,而在硬度高的礦物表面上留下硬度低的礦物粉末,這就是所謂的條痕法。燧石的硬度是7,黃鐵礦是6.5,鋼則是4.5。因此燧石能敲碎黃鐵礦或鋼的表面。



三、那些飄過的化學
 三.1、鋁熱反應

 鋁熱反應(thermite reaction)是由高還原力的金屬鋁來冶煉金屬礦物的方法,混合金屬鋁和金屬氧化物後點燃,會放出高熱和耀眼的火光,溫度可以來到2500–3000゚C之高,最終產生氧化鋁和還原的金屬元素。劇情中所提到的鐵砂加鋁箔就是俗稱的鋁熱劑,由鋁金屬和氧化鐵的粉末以約1:3的比例混合製成。

2Al + Fe₂O₃ -△→ Al₂O₃ + Fe

 由於鋁熱反應產生的溫度極高,還原的金屬通常會被熔化,因此經常被用於焊接工業上。此外,鋁熱劑也經常作為軍事用的燃燒彈,它所產生的高溫可以輕易的將鋼筋混凝土給燒成渣,是在戰場上的一種高殺傷力的武器。
 不過還是必須提醒,這個反應是相當危險的,絕對不是像動畫中那樣可以隨便在公園裡做的「可愛的小實驗」。一個不小心出問題,可能是會吃上公共危險罪的。


 三.2、粉塵爆炸

 當千空正在用電焊槍的時候,大樹不小心打翻了一桶不知道什麼粉末,然後下一秒就炸了。這個現象被稱為粉塵爆炸,簡稱塵爆。塵爆的基本原理和上面的打火石其實很像,當細小的可燃粉末接觸到火源時,由於粉塵的表面積相當大,便很容易起火燃燒。粉塵爆炸的燃燒會持續至沒有可燃物或是氧氣為止,因此一旦觸發,損傷都非常嚴重。

 粉塵爆炸最可怕的地方是,引發爆炸的並不一定是明火,靜電甚至是過熱的照明設備都有可能引燃,因此對於麵粉工廠這類的地點,預防粉塵爆炸是相當重要的工作。現代很多演唱會為了節目效果,都喜歡往空中噴灑玉米粉再點火,創造出華麗的火焰景象,這個份量要是沒拿捏好是會造成很嚴重的後果的。2015年的八仙塵爆案便是臺灣有史以來規模最大、也是第一次發生在開放空間的粉塵爆炸事件,其危險性我想大家當時都有目共睹了。


【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:4
很危險的:3

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つづく...
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留言共 15 篇留言

小羽Neko((欠債雲長
等等我忘記我化學0分了((欸

07-27 19:41

Celeste_蔚晴
真的假的也太慘[e20]
希望這系列能夠幫助到你(?07-27 23:57
Code之智乃(小熊模式)
火焰與爆炸的主場 這標題也太讚

07-27 19:41

Celeste_蔚晴
想了很久,我不太會下標題07-28 00:16
蜉蝣
藝術就是爆炸[e15]

07-27 19:43

Celeste_蔚晴
看來這一話非常藝術07-28 00:17
黑兔
這次的除了乾餾那個外其他的都不能嘗試啊XD 雖然我國中有在老師的指導下試過塵爆…

07-27 20:04

Celeste_蔚晴
做這種科普最怕的就是有人去亂試結果弄不好又出事07-28 00:18
寂靜的滴答卿
裡面有很多要用到火或電的實驗都很危險
尤其是挖硫磺 千空不做任何口鼻防護是不太可能去挖的 毒性甚至會傷害眼睛導致失明(黃金神威 參考下)
不得不吐嘲下 兩人根本另一版的飛哥與小佛 對了!泰瑞呢?

07-27 20:04

Celeste_蔚晴
雖然說是有科學指導,但畢竟還是少年漫,有些地方還要考慮到戲劇張力
可能關鍵的地方很仔細,其他地方就隨便了07-28 00:19
雨丸★(黑魂模式)
這集 斷在最精采的地方~><

07-27 20:30

Celeste_蔚晴
編劇很會吊人胃口[e21]07-28 00:20
央夜-撿到槍模式
天啊這個真的有夠科學

07-27 21:05

Celeste_蔚晴
這部就是以很科學為主打的07-28 00:20
春雪我老公
這次終於稍微看得懂了 愛蔚晴

07-27 21:22

Celeste_蔚晴
謝謝,希望總有一天能做到讓每個人都看得懂[e22]07-28 00:21
荷月晴(高三症候群...
千空跟大樹能活下來真的是奇蹟www

07-27 21:29

Celeste_蔚晴
那麼近距離看著它爆,火藥又那麼多[e20]07-28 00:21
法米利恩
千空頭髮沒燒掉真的太神奇了,最後...應該沒死吧?還是會復活?

07-27 21:47

Celeste_蔚晴
如果千空夠理性的話應該要像杠那樣把頭髮剪掉才對[e21]07-28 00:23
黑子
硫磺 爆炸 黑火藥,怎麼都是些危險的實驗
然後又讓我想到 漂流武士
[e1]

07-27 22:18

Celeste_蔚晴
劇情張力需要嘛,最可怕的是這才第4話就出現火藥,要兩季演完我真的很怕我講解不動[e8]07-28 00:24
玥晴 Luna
標題很好

07-27 23:29

Celeste_蔚晴
想很久的07-28 00:24
蜉蝣
這話BGM也很棒[e12]

07-28 00:20

Celeste_蔚晴
真的,只要繼續保持這樣的水準,一定會是潛力股[e19]07-28 00:25
苂釠法師
優質推推

07-28 20:37

Celeste_蔚晴
感謝你[e34]07-28 22:32
ZNU
專業系列幫推!

07-28 23:57

Celeste_蔚晴
感謝z大[e34]07-29 00:05
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