化學實驗室實驗：乙炔的簡易製備和反應〔I〕

化學實驗室實驗：乙炔的簡易製備和反應 (Simple Experiments with Acetylene)〔I〕
國立彰化女子高級中學化學科陳琬菁老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

學生講義之一（Student Handout I）

化學示範

1. 老師示範「冰塊點火」，學生觀察變化的現象，並討論冰塊為何會起火燃燒。
2. 小老師示範「寶特瓶氣爆」，其餘學生觀察變化的現象，並討論產生氣爆的原因。

實驗介紹

乙炔（Acetylene or ethyne，C₂H₂）是一種以共價鍵形成叁鍵的不飽和有機化合物。乙炔中的碳－碳叁鍵是兩個碳原子利用sp混成軌域形成的，因此乙炔中的四個原子會在同一直線上，碳－碳－氫的鍵角為180^o。碳化鈣（Calcium carbide，俗稱電石）加水會形成乙炔和氫氧化鈣，如反應式[1]所示：

CaC₂(s)+ 2H₂O(1) → Ca(OH)₂(aq) + C₂H₂(g)    [1]

乙炔在室溫下是一種無色、極易燃的氣體。乙炔和氧氣燃燒的溫度可達到3300°C以上，這是常用燃料中燃燒的溫度最高者。然而乙炔焰在自然界的火燄溫度中，僅次於二氰乙炔（dicyanoacetylene，C₄N₂）的4990°C和氰（cyanogen，(CN)₂）的4525°C。

本實驗以微量注射針筒來收集乙炔，省去繁雜的實驗裝置，並檢驗乙炔的還原性、加成反應、金屬取代性及製備乙炔副產物的酸鹼性。乙炔易燃，氧氣量決定反應的產物，當氧氣不足時，產生黑色碳粒或一氧化碳，如反應式[2]和[3]所示：

2C₂H₂(g) + O₂(g) → 4C(s) + 2H₂O(g)    [2]

2C₂H₂(g) + 3O₂(g) → 4CO(g) + 2H₂O(g)    [3]

當氧氣充足時，足以讓乙炔完全燃燒，如反應式[4]所示：

2C₂H₂(g)+ 5O₂(g) → 4CO₂(g) + 2H₂O(g)   [4]

本實驗另以不同的體積比，乙炔：空氣＝1：6；2：5；3：4；4：3；5：2，來做對照，探討化學計量對乙炔燃燒的影響。

藥品和器材

1. 注射針筒（容量60 mL） 8個/組
2. 火柴或點火槍  1盒(支)/組
3. 抽濾瓶（125 mL）  1個/組
4. 試管  3支/組
5. 導管（橡皮管，10 cm）  1條/組
6. 燒杯（50 mL和100 mL）  各1個/組
7. 量筒（25 mL和50 mL）  各1個/組
8. 塑膠PE滴管（3 mL）  1支/組
9. 蒸餾水  50 mL/組
10. 電子天平  1台
11. 碳化鈣（Calcium carbide，CaC₂，電石）  少量
12. 0.005 M過錳酸鉀（Potassium permanganate, KMnO₄）  20 mL
13. 溴水（Bromine water）  2 mL/組
14. 0.1 M硝酸銀（Silver nitrate, AgNO₃）  5 mL/組
15. 濃氨水（Conc. Ammonia water, conc. aqueous NH₃）  10 mL
16. 離心機  1台

實驗步驟

A：乙炔的製備與反應

A1：乙炔的可燃性

在一個125 mL的抽濾瓶中，加入50 mL的蒸餾水，另加入約三小塊的碳化鈣，蓋上瓶塞，起初產生的氣體混有空氣先不收集，約30秒後，以火柴檢驗，有爆鳴聲，如圖一的左圖所示。再插入一支注射針筒到抽濾瓶的側管口，收集定量乙炔氣，如圖一的右圖所示。

圖一 檢驗乙炔的可燃性（左）和以注射針筒收集乙炔（右）

A2：乙炔的加成性

先在一支試管中，加入3 mL的溴水，如圖二的左圖所示。再用一支注射針筒收集約60 mL的乙炔氣，接上橡皮管到針筒的出口，排出約10 mL的乙炔氣，以除去橡皮導管內的空氣。剩餘的乙炔氣慢慢地打入試管中，如圖二的右圖所示，觀察顏色的變化。

圖二 試管中的溴水（左）和乙炔與溴的反應（右）

A3：乙炔的還原性

先以一支注射針筒吸取約10 mL的0.005 M KMnO₄，待乙炔產生時，再插入注射針筒到抽濾瓶的側管口，如圖三所示，並觀察溶液的變化。

圖三 乙炔與過錳酸鉀溶液的反應

A4：乙炔的金屬取代性

在一個小燒杯中置入25 mL的0.1 M硝酸銀溶液，再加入10 mL的濃氨水〔此混合液最好多組共同配製並共用〕。再取出約3 mL的混合液，置入一支試管中。然後以一支注射針筒收集約60 mL的乙炔氣，排出約10 mL的乙炔氣，以除去橡皮導管內的空氣。剩餘的乙炔氣打入慢慢地試管中，如圖四所示，觀察顏色的變化。

圖四 乙炔與銀氨溶液的反應

A5：製備乙炔之副產物的酸鹼性

在電石和水反應後，從抽濾瓶中取出約5 mL的產物溶液，置入一支離心管中。離心後取出上層液，分裝於兩支試管中，如圖五所示。分別滴入1滴酚酞指示劑及1滴廣用指示劑，觀察顏色變化，並研判溶液的酸鹼性。

圖五 離心後取出上層液並檢驗其酸鹼性

B：乙炔與氧氣反應的化學計量

B1：不同體積的乙炔與空氣之反應

以A1步驟製備乙炔的方法，分別於五支注射針筒收集10、20、30、40和50 mL的乙炔。待氣體收集完畢，移走前端小塞子，快速地垂直往上拉注射拉桿至注射筒末端，以吸取空氣，使總體積為70 mL，再快速地塞上小塞子，使乙炔與空氣均勻混合。最後拔起注射桿，以火柴點燃，觀察發生的現象。

B2：乙炔與氧氣體積比為2：5之反應

以A1步驟製備乙炔的方法於一支注射針筒中收集20 mL的乙炔。再用另一注射針筒收集50 mL的純氧氣，收集方法如下：

在一個125 mL的抽濾瓶中，加入50 mL的35%雙氧水，另加入1.5 g的碘化鉀及1.5 g的碳酸鈉粉末混合物，蓋上瓶塞。起初產生的氣體混有空氣先不收集，約30秒後，以線香檢驗，線香燃燒旺盛，如圖六的左圖所示。再插入一支注射針筒到抽濾瓶的側管口，收集定量50 mL氧氣，如圖六的右圖所示。

圖六 線香燃燒旺盛才收集氧氣（左）和以注射針筒收集氧氣（右）

一支注射針筒中收集20 mL的乙炔和一注射針筒收集50 mL的純氧氣同時注入裝有10 mL的肥皂水之蒸發皿中，如圖七所示。再以點火槍點燃，並觀察變化的現象。

圖七 乙炔：氧體積比 ＝ 2：5注入肥皂水中

安全和注意

● 進行實驗操作時，應該戴安全眼鏡、穿實驗衣及戴可丟棄的手套。
● 若對實驗的安全問題有任何質疑，請勿猶豫，立刻詢問老師。
● 不慎接觸藥品，應該用大量水沖洗，必要時報告老師。
● 乙炔燃燒時的爆鳴聲非常大，必要時請帶耳塞，以保護耳朵。

廢棄物處理

● 未反應完的電石：加水使其反應完全，於溶液中加入酸，在酸鹼中和後再排放。
● 過錳酸鉀溶液及乙炔銀倒入重金屬廢液桶。

連結：乙炔的簡易製備和反應〔II〕