吹不熄的蠟蠋
高中組 第三名
縣 市：屏東縣
校 名：屏東女中
作 者：蔡惠君、鄭清華
林欣怡、林玉美
指導老師：劉嘉欽
本姑娘姓林名欣怡，出生於1983年的純樸小鎮－潮州，從小受到父母的影響，就對於科學方面的事性感到很有興趣，上了高中之後，更是抓住校內限有的儀器展開了科展研究，不比都市小孩有著精密的大學儀器及教授指導，憑著自己雙手，理念，創造個不平凡的自我，獲得全國科展的殊榮，替自己的高中生活揮灑了幾抹色彩，在此也要特別感謝指導的劉嘉欽老師，及協助我們的各處室主任及老師。
我－鄭清華，生於鄉下，高一時爸媽希望我能與姊姊相同，讀社會組，因而高一的時候我念了社會組，但經一年的苦讀，發現本姑娘志不在此，因而毅然決然的轉到自然組。所以才會與一群好友一起作科展，今天才會有這件作品出來。
林玉美，今年十七歲，就讀國立屏東女中二年級，出生於屏東一個純樸的小村莊，興趣是排拼圖、看卡通、DIY。將來想做一個全能的修理工人，甚至能自己組裝東西，小至玩具，大至家電用品。
我是個生性活潑好動，熱愛這世界一切的小女子，名叫蔡惠君，對這世界充滿好奇與希望。希望世界和平，地球愈來愈乾，希望不要再發生大地震，希望自己能考上大學，將英文學好然後自助旅行去，希望爸媽身體健康且賺很多錢給他們，最後更希望能釣到有錢且又帥的白馬王子。
關鍵詞：吹不熄的蠟燭
一、研究動機
近年來，常流行一些整人的玩具，像是「吹不熄蠟燭」，在前些時候即被拿來在生日會上整人，無論壽星怎麼吹都吹不熄，「吹不熄蠟燭」的成分是什麼呢？到底是什麼因素造成蠟燭吹不熄呢？ 我們想做進一步的研究與探討。
二、研究目的
1.分析及了解吹不熄蠟燭的成分、結構與組成。
2.了解蠟燭吹不熄的原因。
3.吹不熄蠟燭的製作及影響因素的探討。
三、實驗藥品與器材
1.藥品：HNO3、HCl、NaOH、NH4I、CH3CSNH 2、NH4Cl、(NH4) 2 S、 (NH4)2CO3、Na2HPO4、正己烷、氨水、 鎂粉、鋅粉、鋁粉、鐵粉、碳粉、硫粉、硝酸鉀。
2.器材：酒精燈、三腳架、石棉心網、燒杯、電子天秤、烘箱、普通蠟燭、紗布、毛線、棉線、棉花、試管、吸管、膠帶、火柴、衛生紙、吹不熄蠟燭、離心機、游標尺、石蕊試紙、滴管、剪刀、美工刀。
四、實驗過程
<A>吹不熄蠟燭的結構及組成分析
(一)蠟燭的結構分析：
1.方法:以刀子將蠟燭剖開後，觀察其主要結構組成。
2.結果:
3.討論:
(1)吹不熄蠟燭的芯蕊部分與一般蠟燭不同，多了一層由棉線編織的網狀圓筒形緊密結構，即蠟燭結構中外芯蕊的部分。
(2)吹不熄蠟燭的蠟油部分也與一般蠟燭不同，多了一層黑色顆粒狀的物質，均勻地散佈於芯蕊的周圍，即蠟燭結構中黑色顆粒的部分。
(二)蠟燭中各成份的分離及定量
實驗一
實驗一芯蕊部份的分離及定量
1.方法：將市售蠟燭用刀子切開後，取出芯蕊部份，再將內芯蕊抽出分離，稱重定量之。
2.結果:
樣品 |
總重 （g） |
內芯蕊 |
外芯蕊 |
||
質量(g) |
(%) |
質量(g) |
(%) |
||
藍色蠟燭 |
1.240 |
0.078 |
6.3 |
0.051 |
4.1 |
黃色蠟燭 |
1.120 |
0.061 |
5.5 |
0.048 |
4.3 |
紅色蠟燭 |
1.170 |
0.070 |
6.0 |
0.043 |
4.0 |
實驗二
實驗二蠟油部份的分離及定量
1.方法:
(1)將<實驗一>芯蕊分離後剩餘的蠟油部份，以正己烷加熱溶解後，收集沉澱於底部的黑色顆粒，烘乾後秤重定量之。
(2)再將溶液中懸浮的顏料及溶解之蠟油，以離心法分離，烘乾後秤重定量之。
2.結果
樣 品 |
總重 （g） |
黑色物質 |
顏 料 |
蠟 油 |
|||
質量(g) |
(%) |
質量(g) |
(%) |
質量(g) |
(%) |
||
藍色蠟燭 |
1.240 |
0.009 |
0.8 |
0.013 |
1.1 |
1.088 |
87.7 |
黃色蠟燭 |
1.120 |
0.005 |
0.5 |
0.040 |
3.6 |
0.965 |
86.2 |
紅色蠟燭 |
1.170 |
0.011 |
0.9 |
0.062 |
5.3 |
0.984 |
84.1 |
(三)黑色顆粒定性分析
想法：吹不熄蠟燭中所含的黑色顆粒，對蠟燭是否吹不熄的影響甚巨，故我們想做進一步的分析，了解它的化學成份。
實驗一黑色物質預備試驗
1.測試方法及觀察結果：
試驗 |
測試方法 |
觀察結果 |
|
物 性 |
1 |
樣品加入蒸餾水溶解 |
不溶於水，且沉於水底 |
2 |
樣品加入酒精、丙酮、CCl4溶解 |
不溶於有機溶劑中 |
|
3 |
置於坩鍋中，利用酒精燈加熱 |
無法使其熔化，且不分解 |
|
化 性 |
4 |
直接用火加熱 |
燃燒且產生白光 |
5 |
置於坩鍋中，以瓦斯燈加熱 |
燃燒後產生白色的氧化物 |
|
6 |
燃燒後氧化物加水溶解，並以石蕊 試紙檢驗 |
石蕊試紙由紅變藍 |
|
7 |
樣品加入稀鹽酸 |
溶解且產生氣泡 |
|
2.討論：由1∼7試驗，此物質的密度>水，不溶於水或有機溶劑中，且熔點高，加入稀鹽酸可溶解，高溫時可燃燒，且其氧化物溶於水生成鹼性物質，由此綜合判斷此物質可能為金屬物質，須進一步分析其所含的金屬成份。
驗二
實驗二黑色顆粒定性分析
1.方法：將黑色顆粒以硝酸溶解後，依下列金屬陽離子分析流程表分析之。
2.分析結果：由以上金屬陽離子分析證實黑色顆粒為鎂的成份。
<B>蠟燭吹不熄的成因探討：
實驗一吹不熄的成因分析
1.方法：將市售吹不熄蠟燭各成份分離後，再依下表之組合方式，重新製成蠟燭。再分析新製蠟燭燃燒的現象，以進一步了解何種成份是造成蠟燭吹不熄的主因。
2.結果 :
試驗 |
蠟油 |
顏料 |
鎂粉 |
內芯蕊 |
外芯蕊 |
復燃率 |
觀察結果 |
1 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
80.0% |
產生火花後復燃。 |
2 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
13.3% |
同上,但復燃現象較不明顯。 |
|
3 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
73.3% |
產生火花後復燃。 |
|
4 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
0.0% |
芯蕊仍有餘燼不久後熄滅。 |
|
5 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
73.3% |
產生火花後復燃。 |
|
6 |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
ˇ |
46.7% |
產生火花後復燃。 |
註 ：ˇ：表示有此成份， ：表示無此成份
3.討論：綜合以上分析可知蠟油、鎂、外芯蕊是造成蠟燭吹不熄的主因，顏料、內芯蕊則對蠟燭的復燃影響不大。
實驗二
實驗二吹不熄蠟燭的粗製及反應
想法：雖然我們已將吹不熄蠟燭的主要成分及比例分析出來，但是否只要 按照分析的結果配製就能做出吹不熄的蠟燭呢.？我們想動手試試看，並觀察其中的奧祕。
1.方法：
(1)配方比例如下：
蠟 油(g) |
鎂的量(g) |
芯 蕊(g) |
總 重(g) |
0.970 (84.4%) |
0.009 (0.8%) |
0.170 (14.8%) |
1.149 (100%) |
(2)蠟燭的製作方法:
a.取一條棉線，先均勻地沾上一層蠟油，乘蠟油尚未完全凝固前，沾上已秤好的鎂粉；然後再將此芯蕊置入蠟油中，隨後趕緊抽出方可形成保護層，防止金屬粉末脫落。
b.把蠟油灌入蠟燭模具中，待其溫度稍降，再將沾上鎂粉芯蕊放置模具中央，蠟油凝固後取出蠟燭。
2.結果：燭火吹滅後, 芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃,但復燃率只有46.67%。
3.討論:
(1)將自製的蠟燭吹熄後亦可冒出火花復燃,由此可驗證復燃蠟燭分析的主要成份是正確的。
(2)在實驗中發現，將燭火吹滅後，芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。由此推斷吹不熄的蠟燭會復燃的原因應該是：燭火吹滅後，芯蕊的餘燼繼續燃燒，點燃了沾附在芯蕊附近的鎂粉，鎂粉產生的火花後使蠟燭復燃。
<C>吹不熄蠟燭的自製及改良
實驗一芯蕊的編織方法
想法：由前面的分析結果可知，外芯蕊特殊的棉線編織方式，可能是影響蠟燭復燃的重要因素，故我們想以不同的芯蕊編法來改變蠟燭芯蕊的緊密度，觀察其對蠟燭復燃的影響。
1.方法及結果：
2.討論：由此實驗可知芯蕊編織愈緊密，燭火吹滅後餘燼愈難熄滅，復燃效果愈好。因實驗中以十字交疊法的復燃效果最好，因此往後的實驗均以此法編織芯蕊。
實驗二
實驗二鎂量之影響
1.方法：取直徑、長度相同(直徑2.5mm、長50mm)的芯蕊，沾上不同量的Mg，燃燒觀察之。
2.結果:
試驗 |
所沾Mg的量(g) |
復燃率(%) |
觀察現象 |
1 |
0.002 |
25 |
餘燼燃燒一段時間後，才熄滅。 |
2 |
0.005 |
70 |
芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。 |
3 |
0.008 |
72 |
|
4 |
0.011 |
76 |
|
5 |
0.014 |
71 |
|
6 |
0.024 |
50 |
會產生黑煙。 |
3.討論：由以上實驗可知鎂粉用量過少或過多都會使蠟燭的復燃率降低，鎂粉用量在0.011g左右其復燃率較高。
實驗三
實驗三芯蕊的粗細
1.方法：就《實驗一》以"十字交疊法"的編法，改變芯蕊的粗細，進一步探討芯蕊粗細對蠟燭復燃的影響。
2.結果：
實驗 |
蠟燭直徑(mm) |
芯蕊直徑(mm) |
長度(mm) |
鎂重(g) |
復燃率(%) |
1 |
5 |
1.25 |
50 |
0.011 |
0.0 |
2 |
5 |
2.10 |
50 |
0.011 |
26.7 |
3 |
5 |
2.50 |
50 |
0.011 |
76.0 |
4 |
5 |
2.65 |
50 |
0.011 |
60.0 |
5 |
5 |
2.80 |
50 |
0.011 |
46.7 |
6 |
5 |
3.10 |
50 |
0.011 |
40.0 |
7 |
5 |
3.40 |
50 |
0.011 |
40.0 |
8 |
5 |
3.70 |
50 |
0.011 |
33.3 |
3.討論：
(1)由實驗1、2可知，芯蕊太細時，會導致復燃率變低。這可能是因為芯蕊太細時，餘燼較易熄滅，因而導致復燃率變低，甚至不復燃。
(2)由實驗4~8可發現，芯蕊越粗時，也會導致復燃率變低。這可能是因為芯蕊越粗時，單位面積的芯蕊上所沾的鎂量越少，因此造成復燃率低。
(3)綜合以上結果可知，芯蕊直徑2.5mm左右復燃效果最好。
實驗四
實驗四蠟燭粗細的影響
想法：在〈B〉部分的《實驗一》中，我們發現蠟油對蠟燭的復燃也有影響。因此想改變蠟燭的粗細。
1.方法：取五組不同大小的模具，製作五種不同粗細的蠟燭，觀察其吹熄後復燃的現象。
2.結果:
試驗 |
蠟蠋的直徑 (mm) |
芯蕊的直徑 (mm) |
加入Mg重 (g) |
復燃率(%) |
A |
15 |
2.5 |
0.011 |
12 |
B |
11 |
2.5 |
0.011 |
14 |
C |
7 |
2.5 |
0.011 |
58 |
D |
5 |
2.5 |
0.011 |
76 |
E |
4 |
2.5 |
0.011 |
90 |
F |
3 |
2.5 |
0.011 |
98 |
3.討論：在實驗中發現蠟燭的復燃率與蠟燭的粗細有關，蠟燭越粗復燃率越低，蠟燭直徑在3mm時復燃率最高。
實驗五
實驗五改變芯蕊材質
想法：蠟燭所使用的棉線，因其易吸蠟油，且易燃燒，所以被用來當芯蕊。倘若使用其他材質是否亦可復燃。
1.方法：
(1)取一些衛生紙、棉花、紗布（將它們卷成細條狀）、木棒及毛線。
(2)分別沾上鎂粉後，再製成蠟燭。
2.結果：
芯蕊材質 |
芯蕊直徑 (mm) |
長度 (mm) |
鎂含量 (g) |
復燃率 (%) |
燃燒現象 |
衛生紙 |
2.5 |
50 |
0.011 |
70.0 |
芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。 |
棉花 |
2.5 |
50 |
0.011 |
74.0 |
芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。 |
紗布 |
2.5 |
50 |
0.011 |
74.0 |
芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。 |
毛線 |
2.5 |
50 |
0.011 |
0 |
餘燼很快熄滅，不會復燃。 |
木棒 |
2.5 |
50 |
0.011 |
0 |
餘燼很快熄滅，無火花，不吹就熄滅。 |
3.討論：
(1)毛線雖是易燃燒的材質，但當火熄滅後餘燼很快地也跟著熄滅，造成鎂來不及燃燒，故不會復燃。
(2)木棒因不易吸蠟油,所以燃燒一會,不吹就熄滅。可見要當蠟燭芯蕊材質須要有易吸蠟油的特性才可。
(3)衛生紙、棉花、紗布等具有毛細現象的材質都有不錯的復燃效果。
實驗六改變添加的金屬物質
想法：鎂燃燒會有火花，是造成蠟燭復燃的關鍵，而其他金屬粉末是否也有相同的現象呢？因此我們想取活性與鎂相似的金屬代替之。
1.方法：取三條粗細、長短一致的棉線，分別在上面沾上鋅粉、鋁粉、鐵 粉後製成蠟燭。
2.結果：
3.討論：鋅粉、鋁粉、鐵粉等金屬粉末較不易燃燒，不會產生復燃現象。
實驗七
實驗七助燃劑的添加
想法：若在蠟燭中添加能產生氧氣的助燃劑(如KNO3)，是否有助於蠟燭的復燃？
1.方法：將編好之芯蕊，放入飽和KNO3水溶液中浸泡後取出，再將水份 烘乾除去，最後再按前述製作蠟燭的方法製成蠟燭。
2.結果:
樣品 |
Mg量(g) |
復燃率(%) |
觀察結果 |
未添加KNO3 |
0.011 |
76 |
芯蕊仍有餘燼冒白煙，且產生火花後復燃。 |
添加KNO3 |
0.011 |
0 |
燭火較旺盛，但吹熄後無法產生火花後復燃。 |
3.討論：添加KNO3助燃劑，可使蠟燭燃燒較旺盛，但反而會使復燃率降低。
實驗八
實驗八鎂粉中加入其他添加劑
想法：若取火藥的成份硫、碳、鋅、KNO3粉末與鎂混在一起復燃率是否會更高？此外鐵在高溫下燃燒也會產生火花，因此試想若添加鐵是否有助復燃？
1.方法：取五種不同的粉末物質Fe、S、Zn、C、KNO3 (各0.001g)分別與Mg(0.011g) 混合，製成A、B、C、D、E五支蠟燭燃燒觀察。
2.結果:
註："ˇ"表有添加" "表無添加。
3.討論：鎂粉中加入Fe、S、Zn、C、KNO3等物質，不但會因燃燒不完全產生黑煙，且無法增加復燃率。
五、結論
1.經過許多不同的分析方法的嘗試,我們找出了吹不熄蠟燭定量和定性分析的流程及方法,並做了三隻不同顏色的蠟燭分析。
2.我們分析了三種不同顏色的吹不熄蠟燭,發現蠟燭中含有蠟油、顏料、鎂粉、內芯蕊、外芯蕊等五種主要成分； 同時我們也已將各成分的重量比例分析出來。
3.由實驗中我們發現蠟油、鎂粉、外芯蕊是造成蠟燭吹不熄的主因，顏料、內芯蕊則對蠟燭的復燃影響不大。我們按照分析結果,自行配製吹不熄蠟燭,發現的確可使蠟燭復燃。
4.我們在吹不熄蠟燭分析實驗中瞭解,蠟燭吹不熄的原因為：燭火吹熄後，芯蕊的餘燼繼續燃燒，點燃了沾附在芯蕊附近的鎂粉，鎂粉產生的火花使蠟燭復燃。
5.在改變芯蕊的材質實驗中我們發現，芯蕊需使用具有毛細現象的材質，才能使蠟燭復燃。
6.我們在實驗中也發現,蠟燭的粗細，會影響蠟燭復燃，越粗復燃率會越低。芯蕊的粗細也對蠟燭的復燃影響甚鉅，芯蕊直徑太粗或太細均會造成復燃率下降，芯蕊直徑2.5mm左右復燃率最高。
7.在改變不同芯蕊編織方式實驗中我們發現，芯蕊編織愈緊密，燭火吹滅後餘燼愈明顯，復燃效果愈好。
8.在實驗中我們也發現,鎂粉含量對蠟燭復燃影響很大，太多或太少均會使復燃率下降，含量在0.011g左右時其復燃效果最好。
9.在改變不同金屬材質的實驗中我們也發現，使用其他金屬粉末(鐵、鋅、鋁)因其不易燃燒，無法代替鎂粉製成吹不熄的蠟燭。
10.在加入助燃劑實驗中可知，加入KNO3助燃劑，只能使蠟燭燃燒更旺盛，但無法提高復燃率。在加入其他添加劑的實驗中發現,在鎂粉中添加硫、碳、鋅粉、鐵粉、硝酸鉀等物質對於蠟燭的復燃並無明顯的幫助。
六、參考資料：
1.分析化學，林洪志 著
2.化學元素王國之旅 ，艾金斯 著
3.趣味科學叢書－青少年工藝製造日用品範本，全藏書局印行
4.自然科學知識文庫－科學實驗，北一書局出闆社印行
5.高中化學第一冊、第三冊，國立編輯館
6.科學遊戲大圖鑑，津田妍子 著
評語
此作品研究”吹不熄蠟燭”的組成，以各種分離方法及實驗找出其關鍵成分為鎂的金屬粒子，並模仿吹不熄蠟燭的製作方式，自行製作出更具效力的產品。此作品表現出研究學生極佳化學分析能力，所研究題目極具興趣，實驗做得很完整