化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

2020-06-19
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前言

点燃充满气态乙醇的塑胶瓶,乙醇瞬间燃烧产生绚丽的火焰和发出尖锐的响声,创造出惊奇又有趣的效果,让学生眼睛为之一亮,而且感到不可思议。

示範实验影片

请按此连结:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combustion of Gaseous Ethanol),YouTube。

 

示範步骤 

一、示範前準备

1. 取一个含瓶盖的HDPE瓶,在瓶盖中间用热熔枪熔掉、或用大型剪刀或圆式锉刀以插入旋转方式戳成一个直径约1.5 cm的圆形孔洞,如图一所示。

化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

图一  瓶盖戳成一个直径约1.5 cm的圆形孔洞

二、示範咻声瓶

1. 携带戳好瓶盖孔洞的HDPE瓶、药用酒精、小烧杯和点火枪到有可遮光的教室上课。

2. 取适量的药用酒精于小烧杯中(容积约1500 mL的HDPE瓶,约使用8-10 mL的药用酒精)。

3. 打开瓶盖,倒入药用酒精到HDPE瓶中,盖上瓶盖。

4. 压住瓶盖的孔洞,并剧烈摇晃和转动此瓶约60秒,促使药用酒精加快挥发成气态,而造成瓶内充满气态酒精(气态乙醇)。

5. 倒出多余的液态酒精到原来的小烧杯中,尽可能地倒乾净,以免点火之后因残留过多的液态酒精而燃烧HDPE瓶,造成危险。装酒精的烧杯必须远离火源。

6. 放置HDPE瓶于示範桌上,然后关闭电灯,关闭窗帘遮光。

7. 取一把点火枪,产生火焰后,慢慢地靠近瓶盖的孔洞,如图二所示。

化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

图二  点火枪慢慢地靠近瓶盖的孔洞

8. 当瓶盖孔洞附近的气态酒精被点燃后,瓶内的气态酒精也会瞬间被点燃,突然由瓶盖孔洞射出巨大火焰以及发出”咻”声,如图三至图五所示。

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图三  刚开始点燃的剎那由瓶盖孔洞射出的火焰

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图四  气态酒精燃烧过程中由孔洞射出巨大火焰以及发出”咻”声

化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

图五  气态酒精燃烧结束前由孔洞射出巨大火焰以及发出”咻”声

9. 气态酒精燃烧后,请学生触摸咻声瓶的温度,并观察瓶内是否有液体。

溶液和器材

1. HDPE瓶(含瓶盖,高密度者才耐高温,塑胶分类符号2号,约1500 mL容量)  一个
2. 热熔枪、剪刀(大型)或锉刀(圆式)  一支
3. 药用酒精(95% 乙醇)  一瓶
4. 小烧杯(50 mL)  一个
5. 点火枪  一把

原理和概念

● 此示範实验涉及燃烧反应、放热反应、反应物浓度、反应速率和活化能的观念。

● 气态乙醇(气态酒精)在空气中燃烧的反应及其燃烧热,如下反应式所示:

C2H5OH(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)  ΔHc = -1409.26 kJ/mol

● 在此示範实验中,气态乙醇燃烧必须存在氧气,刚开始在瓶盖孔洞附近的点火时,由于氧气的相对浓度高,因此气态乙醇极快速燃烧。然而,燃烧在瓶盖孔洞下方时,由于空气只能从小孔洞进入,此时氧气的相对浓度低,因此气态乙醇不是一次全部燃烧,导致燃烧速率慢,造成渐层的燃烧效果。

再者,由于瓶盖孔洞小,燃烧产生的高热使二氧化碳气体和水蒸气快速膨胀,冲出瓶盖孔洞而发出尖锐的”咻”声,造成惊奇的效果。

● 由于气态乙醇燃烧所需的反应活化能较液体乙醇为低,因此其燃烧速率较快。值得注意:咻声瓶的气态乙醇燃烧速率比酒精灯的液态乙醇为快;酒精灯的液态乙醇燃烧速率比酒精块的胶态酒精为快。

● 焰色会随着醇类分子含碳的比例不同而异。若以甲醇或乙醇进行示範,则会有产出很快速的”咻”声,而且有蓝色的火焰射出瓶外;若是正丙醇及异丙醇,则声音相似,而且有蓝色及黄色火焰在瓶中”舞动”。

● 此示範实验的原理与汽车四行程引擎的运作之二个步骤有关:爆炸和排气。引擎的运作一般分为四个步骤:进气、压缩、爆炸和排气。(1)进气:活塞往下时凸轮轴会推开进气阀门,导入汽油和空气混合形成的混合气到汽缸内;(2)压缩:然后关闭进气阀门,接着活塞上行时会压缩混合气;(3)爆炸:当活塞到逹最顶点时火星塞会点火点燃混合气使其爆炸产生动力,利用混合气爆炸的力量顺势将活塞往下推;(4)排气:活塞到逹最低点后接着会往上行,此时凸轮轴会推开排气阀门,上行的活塞会将燃烧后的癈气往上推经由排气阀门排出,完成一次循环,如图六所示,并详见参考资料7的网页动画。

化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

图六  汽车四行程引擎的四步骤运作
图片来源:合兴车业,http://www.hersin.com.tw/2009/06/blog-post_08.html

教学提示

1. 示範前也可以事先在咻声瓶中充满气态酒精,用相同大小但无孔洞的瓶盖盖紧,然后带到教室示範。由于部分气态酒精经过一段时间会冷凝,因此示範前必须再次摇晃,快速换上有孔洞的瓶盖。最好準备2-3瓶,以防气态酒精逸失而示範失败。

2. 燃烧过后的HDPE瓶内会充满二氧化碳,不能直接重複使用。排除瓶内二氧化碳的有效方法是利用水排出气体,先在瓶内装满水,把水倒出后,瓶子就可重複使用。

3. 醇类皆可进行此示範实验,它们的性质如下:甲醇:极度可燃、有毒;乙醇:极度可燃、有害;正丙醇:极度可燃、具刺激性;异丙醇:极度可燃、具刺激性。不要使用其他可燃的有机溶液进行此示範实验。

4. 示範者必须注意安全:(a)尽可能地倒出多余的液态酒精,以免点火之后因残留过多的液态酒精而燃烧HDPE瓶,造成危险。(b)点火前瓶盖必须锁紧,以免点火之后剧烈反应使瓶盖爆开飞走,造成危险。(c)为熟练此示範实验,示範者应该在示範前先用小的HDPE瓶并用少量酒精练习。(d)示範的位置需距离天花板2公尺以上,而且其上不可有易燃物。(e)学生必须距离示範者2-3公尺远。(f)示範者必须戴上安全眼镜。(g)示範者必须确定灭火器在可方便取得之处。

5. 示範的瓶子材质除可用HDPE瓶外,亦可用聚碳酸酯瓶(底部有标示PC者),如图七所示。最好使用一体成形的瓶子。不可为玻璃材质,万一爆破易发生危险。保特瓶(PET,塑胶分类符号1号)不适用,因它不耐高温,遇高温会熔化。

化学示範实验:咻声瓶—气态乙醇的燃烧(The Combust

图七  聚碳酸酯瓶亦适用此示範实验
图片来源:Polytech, http://www.polytek-lb.com/product.jhtm?id=1&cid=4

6. 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

7. 这个示範实验所使用的溶液和器材均可重複使用,最好装在一个标示「咻声瓶—气态乙醇的燃烧」或放在相似主题的置物箱中备用,方便带到教室上课。

问题和参考答案

1. 请分别写出在标準状况下的甲醇和乙醇燃烧的平衡反应式。
答:甲醇和乙醇的燃烧反应,反应式分别如所下示:

2CH3OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 4H2O(l)

C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)

2. 已知液态乙醇的燃烧热为-1370.7kJ/mol,其蒸发热为+38.56kJ/mol,试求气态乙醇的燃烧热?
答:根据赫士定律(Hess’s law),若一总反应为二个反应之和时,则其反应热为此二反应热相之和加。

C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)   ΔHc = -1370.7 kJ/mol

C2H5OH(l) → C2H5OH(g)   ΔHvap = +38.56 kJ/mol
——————————————————————————–
C2H5OH(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)   ΔHc = -1409.26 kJ/mol

故气态乙醇的燃烧热为(-1370.7kJ/mol) – (+38.56kJ/mol) = -1409.26 kJ/mol。

3. 本示範实验的气态乙醇燃烧过程中,为何在瓶盖孔洞附近比孔洞下方的燃烧速率为快?说明其理由。

答:在此示範实验中,气态乙醇燃烧必须存在氧气,刚开始在瓶盖孔洞附近的点火时,由于氧气的相对浓度高,因此气态乙醇极快速燃烧。然而,燃烧在瓶盖孔洞下方时,由于空气只能从小孔洞进入,此时氧气的相对浓度低,因此气态乙醇不是一次全部燃烧,导致燃烧速率慢,造成渐层的燃烧效果。

4. 燃烧后,瓶底会有少量的液体,这液体主要的成份是什幺?
答:燃烧后产生的液体主要的成份是H2O(l)。

安全

● 示範这个实验必须戴安全眼镜及可丢弃的手套。
● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 从咻声瓶倒出的药用酒精可重複使用,未使用者可用小瓶子密封装好。

参考资料(撷取日期:2010年7月)

1. The ‘Whoosh’ Bottle Demonstration, Practical Chemistry, http://www.practicalchemistry.or … tration,240,EX.html.
2. Whoosh Bottle, kitchen table demonstrations, http://www.digitaldapp.org/demos/documents/whooshbottle.pdf.
3. Combustion: Whoosh Bottle Demonstration, http://www.youtube.com/watch?v=SJCcH0ATMQ4.
4. Heat (enthalpy) of Combustion, AUS-e-TURE, http://www.ausetute.com.au/heatcomb.html.
5. Wikipedia-Ethanol (data page), http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_(data_page).
6. 汽车的动力来源 引擎基本运作原理介绍,合兴车业,http://chinese.autoblog.com/2009 … ciple-of-operation/。
7. 四行程柴油引擎的运作原理,U-Car,http://classroom.u-car.com.tw/cl … detail.asp?cfsid=31。

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