化學示範實驗：咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒（The Combustion of Gaseous Ethanol）

化學示範實驗：咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒（The Combustion of Gaseous Ethanol）
國立彰化師範大學化學系學生鄭綉蓉/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

點燃充滿氣態乙醇的塑膠瓶，乙醇瞬間燃燒產生絢麗的火焰和發出尖銳的響聲，創造出驚奇又有趣的效果，讓學生眼睛為之一亮，而且感到不可思議。

示範實驗影片

請按此連結：咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒（The Combustion of Gaseous Ethanol），YouTube。

一、示範前準備

1. 取一個含瓶蓋的HDPE瓶，在瓶蓋中間用熱熔槍熔掉、或用大型剪刀或圓式銼刀以插入旋轉方式戳成一個直徑約1.5 cm的圓形孔洞，如圖一所示。

圖一  瓶蓋戳成一個直徑約1.5 cm的圓形孔洞

二、示範咻聲瓶

1. 攜帶戳好瓶蓋孔洞的HDPE瓶、藥用酒精、小燒杯和點火槍到有可遮光的教室上課。

2. 取適量的藥用酒精於小燒杯中（容積約1500 mL的HDPE瓶，約使用8-10 mL的藥用酒精）。

3. 打開瓶蓋，倒入藥用酒精到HDPE瓶中，蓋上瓶蓋。

4. 壓住瓶蓋的孔洞，並劇烈搖晃和轉動此瓶約60秒，促使藥用酒精加快揮發成氣態，而造成瓶內充滿氣態酒精（氣態乙醇）。

5. 倒出多餘的液態酒精到原來的小燒杯中，盡可能地倒乾淨，以免點火之後因殘留過多的液態酒精而燃燒HDPE瓶，造成危險。裝酒精的燒杯必須遠離火源。

6. 放置HDPE瓶於示範桌上，然後關閉電燈，關閉窗簾遮光。

7. 取一把點火槍，產生火焰後，慢慢地靠近瓶蓋的孔洞，如圖二所示。

圖二  點火槍慢慢地靠近瓶蓋的孔洞

8. 當瓶蓋孔洞附近的氣態酒精被點燃後，瓶內的氣態酒精也會瞬間被點燃，突然由瓶蓋孔洞射出巨大火焰以及發出”咻”聲，如圖三至圖五所示。

圖三  剛開始點燃的剎那由瓶蓋孔洞射出的火焰

圖四  氣態酒精燃燒過程中由孔洞射出巨大火焰以及發出”咻”聲

圖五  氣態酒精燃燒結束前由孔洞射出巨大火焰以及發出”咻”聲

9. 氣態酒精燃燒後，請學生觸摸咻聲瓶的溫度，並觀察瓶內是否有液體。

溶液和器材

1. HDPE瓶（含瓶蓋，高密度者才耐高溫，塑膠分類符號2號，約1500 mL容量）  一個
2. 熱熔槍、剪刀（大型）或銼刀（圓式）  一支
3. 藥用酒精（95% 乙醇）  一瓶
4. 小燒杯（50 mL）  一個
5. 點火槍  一把

原理和概念

● 此示範實驗涉及燃燒反應、放熱反應、反應物濃度、反應速率和活化能的觀念。

● 氣態乙醇（氣態酒精）在空氣中燃燒的反應及其燃燒熱，如下反應式所示：

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

● 在此示範實驗中，氣態乙醇燃燒必須存在氧氣，剛開始在瓶蓋孔洞附近的點火時，由於氧氣的相對濃度高，因此氣態乙醇極快速燃燒。然而，燃燒在瓶蓋孔洞下方時，由於空氣只能從小孔洞進入，此時氧氣的相對濃度低，因此氣態乙醇不是一次全部燃燒，導致燃燒速率慢，造成漸層的燃燒效果。

再者，由於瓶蓋孔洞小，燃燒產生的高熱使二氧化碳氣體和水蒸氣快速膨脹，衝出瓶蓋孔洞而發出尖銳的”咻”聲，造成驚奇的效果。

● 由於氣態乙醇燃燒所需的反應活化能較液體乙醇為低，因此其燃燒速率較快。值得注意：咻聲瓶的氣態乙醇燃燒速率比酒精燈的液態乙醇為快；酒精燈的液態乙醇燃燒速率比酒精塊的膠態酒精為快。

● 焰色會隨著醇類分子含碳的比例不同而異。若以甲醇或乙醇進行示範，則會有產出很快速的”咻”聲，而且有藍色的火焰射出瓶外；若是正丙醇及異丙醇，則聲音相似，而且有藍色及黃色火焰在瓶中”舞動”。

● 此示範實驗的原理與汽車四行程引擎的運作之二個步驟有關：爆炸和排氣。引擎的運作一般分為四個步驟：進氣、壓縮、爆炸和排氣。（1）進氣：活塞往下時凸輪軸會推開進氣閥門，導入汽油和空氣混合形成的混合氣到汽缸內；（2）壓縮：然後關閉進氣閥門，接著活塞上行時會壓縮混合氣；（3）爆炸：當活塞到逹最頂點時火星塞會點火點燃混合氣使其爆炸產生動力，利用混合氣爆炸的力量順勢將活塞往下推；（4）排氣：活塞到逹最低點後接著會往上行，此時凸輪軸會推開排氣閥門，上行的活塞會將燃燒後的癈氣往上推經由排氣閥門排出，完成一次循環，如圖六所示，並詳見參考資料7的網頁動畫。

圖六  汽車四行程引擎的四步驟運作
圖片來源：合興車業，http://www.hersin.com.tw/2009/06/blog-post_08.html

教學提示

1. 示範前也可以事先在咻聲瓶中充滿氣態酒精，用相同大小但無孔洞的瓶蓋蓋緊，然後帶到教室示範。由於部分氣態酒精經過一段時間會冷凝，因此示範前必須再次搖晃，快速換上有孔洞的瓶蓋。最好準備2-3瓶，以防氣態酒精逸失而示範失敗。

2. 燃燒過後的HDPE瓶內會充滿二氧化碳，不能直接重複使用。排除瓶內二氧化碳的有效方法是利用水排出氣體，先在瓶內裝滿水，把水倒出後，瓶子就可重複使用。

3. 醇類皆可進行此示範實驗，它們的性質如下：甲醇：極度可燃、有毒；乙醇：極度可燃、有害；正丙醇：極度可燃、具刺激性；異丙醇：極度可燃、具刺激性。不要使用其他可燃的有機溶液進行此示範實驗。

4. 示範者必須注意安全：（a）盡可能地倒出多餘的液態酒精，以免點火之後因殘留過多的液態酒精而燃燒HDPE瓶，造成危險。（b）點火前瓶蓋必須鎖緊，以免點火之後劇烈反應使瓶蓋爆開飛走，造成危險。（c）為熟練此示範實驗，示範者應該在示範前先用小的HDPE瓶並用少量酒精練習。（d）示範的位置需距離天花板2公尺以上，而且其上不可有易燃物。（e）學生必須距離示範者2-3公尺遠。（f）示範者必須戴上安全眼鏡。（g）示範者必須確定滅火器在可方便取得之處。

5. 示範的瓶子材質除可用HDPE瓶外，亦可用聚碳酸酯瓶（底部有標示PC者），如圖七所示。最好使用一體成形的瓶子。不可為玻璃材質，萬一爆破易發生危險。保特瓶（PET，塑膠分類符號1號）不適用，因它不耐高溫，遇高溫會熔化。

圖七  聚碳酸酯瓶亦適用此示範實驗
圖片來源：Polytech, http://www.polytek-lb.com/product.jhtm?id=1&cid=4

6. 提醒示範者：現場演示示範實驗所展現的變化現象的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。

7. 這個示範實驗所使用的溶液和器材均可重複使用，最好裝在一個標示「咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒」或放在相似主題的置物箱中備用，方便帶到教室上課。

問題和參考答案

1. 請分別寫出在標準狀況下的甲醇和乙醇燃燒的平衡反應式。
答：甲醇和乙醇的燃燒反應，反應式分別如所下示：

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

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

2. 已知液態乙醇的燃燒熱為-1370.7kJ/mol，其蒸發熱為+38.56kJ/mol，試求氣態乙醇的燃燒熱?
答：根據赫士定律（Hess’s law），若一總反應為二個反應之和時，則其反應熱為此二反應熱相之和加。

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

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

故氣態乙醇的燃燒熱為(-1370.7kJ/mol) – (+38.56kJ/mol) = -1409.26 kJ/mol。

3. 本示範實驗的氣態乙醇燃燒過程中，為何在瓶蓋孔洞附近比孔洞下方的燃燒速率為快？說明其理由。

答：在此示範實驗中，氣態乙醇燃燒必須存在氧氣，剛開始在瓶蓋孔洞附近的點火時，由於氧氣的相對濃度高，因此氣態乙醇極快速燃燒。然而，燃燒在瓶蓋孔洞下方時，由於空氣只能從小孔洞進入，此時氧氣的相對濃度低，因此氣態乙醇不是一次全部燃燒，導致燃燒速率慢，造成漸層的燃燒效果。

4. 燃燒後，瓶底會有少量的液體，這液體主要的成份是什麼？
答：燃燒後產生的液體主要的成份是H₂O(l)。

安全

● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

● 從咻聲瓶倒出的藥用酒精可重複使用，未使用者可用小瓶子密封裝好。

參考資料（擷取日期：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. 汽車的動力來源 引擎基本運作原理介紹，合興車業，http://chinese.autoblog.com/2009 … ciple-of-operation/。
7. 四行程柴油引擎的運作原理，U-Car，http://classroom.u-car.com.tw/cl … detail.asp?cfsid=31。