把泥土转变成制造计算机必须使用的原料,并且制作一个充满魔力的火球
现代工业最基础的自然资源之一是石油。也许某天石油会耗尽,但高技术领域在元件供应方面不会短缺,因为我们不缺少制造芯片的硅。硅是制造每台计算机处理器的关键。硅的氧化物叫做二氧化硅或石英,其实就是普通的泥土。对,它实际上就是泥土:几乎各种砂子、黏土和岩石都会以这种或那种形式含有石英。从总量上讲,地球表面一半以上的物质是由石英构成的。
工业上是通过在熔炉里将石英与焦炭一起加热来制造纯硅的。但是还有更容易的方法,尽管它可能不是最经济的。这个方法我是从一个叫杰森的英国理科教师那里学到的。你所要做的就是在试管里把石英砂和镁粉混合并共同加热。镁从二氧化硅中“窃”走氧原子,自然就留下了硅元素。在没有完全反应的情况下,试管底部留给你的将是氧化镁、硅化镁、硅和镁的混合物。幸运的是,净化它的最佳方式也是最有趣的。我告诉了我那8岁的哈利·波特迷,我准备了魔药。
首先,在装有5杯水的碗里倒入1杯浓度为37%的盐酸。注意这个过程不能搞反,因为如果将水倒入盐酸中而不是将盐酸倒入水中会发生爆炸。然后把试管中的混合物倒入碗里,这时你会得到一朵美妙的火团和可爱的蘑菇状烟雾。这是一种你最好不要错过的魔药。(我也可以做升空魔药,但是我必须对我的女儿解释,因为我们在马格尔区居住,我只得到了允许浮起很小物体的许可。)
从化学上讲,当这些粉末碰到盐酸时会发生几件事。其中残留的镁粉会与盐酸起反应产生氢气。硅化镁与盐酸起反应生成硅烷(氢化硅)气体,它遇到空气会自燃,并噼噼啪啪作响,点燃附近的氢气漩。如果仍有一些镁粉漂浮在天空中,它也会着火,产生明亮的闪光和白色的烟。我们一次得到三种形式的火焰,而落在碗的底部的粉末就是被净化的硅。咒语是幻想,但是魔药是真的,并且这是一种伟大的魔药。
如何提炼纯硅
你需要
□ 60克细石英砂
□ 40克镁粉
□ 盐酸
□ 玻璃试管
□ 防火金属试管夹
□ 丙烷气焊枪或本生灯
□ 安全眼镜
1 将石英砂和镁粉放入带封口的塑料袋中摇动1~2分钟,使其充分混合。
2 在玻璃试管中放入其容积1/3左右的混合粉末。该反应必须在试管中进行,以避免加热过程中试剂和空气接触;在敞开的环境中不会发生反应。但是,不要把试管口塞住。
硅化镁与盐酸起反应生成硅烷气体,它遇到空气会自燃,然后点燃附近的氢气漩产生一朵蘑菇状的烟雾。
3 用防火试管夹夹住试管口一端,水平固定试管。确认试管口指向没有可燃物的方向,因为镁粉有时会着火喷出。
4 从试管底部开始,用丙烷气焊枪或本生灯(一种用煤气为燃料的加热器具)将其加热至红热状态。仔细观察内部试剂,可见其从某点开始会自发由红热状态变成黄热状态,这即是反应的开始。除了火焰提供的热量之外,该反应自身也会发热。
5 沿试管移动火焰,“驱赶”红热区域直到试剂末端。该反应不会自动发生,你必须自始至终(反应开始后10~15秒)用火焰提供额外的热量。最后,你大概会看到从管底部发出的一道闪光。
6 让试管冷却,将里面的东西倒入一个带长把的金属量杯中。应确认已完全冷却,否则倒出时镁粉会着火。
7 在一个碗里倒入5杯水,然后加入1杯盐酸制成稀盐酸。一定注意要将盐酸加入水中,不得颠倒顺序。
8 在一个防火区域,迅速将量杯中的粉末倒入酸液中。如果它不着火,说明你在第4和第5步中加热不够,或者你用的沙子不是石英砂。
要将试管里的镁粉充分加热,试管最后可能要烧毁。
真实的危险警告:
本实验所用的镁粉在空气或酸中容易起火或爆炸,所以要对眼睛进行有效的保护,穿上防火衣也是绝对必要的。实验中,试管会被烧坏,这很正常,要有心理准备。如果反应正常,将会产生一个镁粉的火球。如果你已做好防护,这并不会伤害到你。如果没有防护,这大概会使你永远失明。观看实验的观众也应该戴上安全眼镜。