化學示範實驗：燒不破的紙鈔〔II〕

化學示範實驗：燒不破的紙鈔 (Non-Burning Paper Bills)〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生蔡睿謙 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「燒不破的紙鈔﹝I﹞」

原理和概念

● 點燃乾的紙張會燃燒起來，而點燃被水浸濕的紙張則不會燃燒。紙張浸泡過95%酒精之後點火，酒精和紙張都會燃燒起來，但是當浸泡過特定比率的酒精與水的混 合溶液之後點火，酒精會燃燒起來，但是紙張不會燃燒起來。紙張不會燃燒起來，是因為酒精燃燒放出的熱提供（傳導）給水，然後水吸收此熱量變成水蒸氣，而沒 有足夠的熱能夠使紙燃燒起來。因此，沾濕高粱酒（如50度）的紙鈔，點燃後只有酒精燃燒而已，而紙鈔不會燃燒起來，如圖九所示。根據下面「延伸探討」的實 驗結果，47%酒精水溶液的紙面溫度在176℃。依此結果推測，54度的高粱酒燃燒的紙面溫度應該稍高於176℃而已，此溫度是低於紙張燃燒的溫度（約 230℃）。

圖九 示範燒不破的紙鈔

● 乙醇（Ethanol）是醇類的一種，是酒的主要成份，又稱酒精。化學式為C₂H₅OH或EtOH，Et代表乙基。乙醇易燃，是常用的燃料、溶劑和消毒劑，也用於製備其他化合物。工業酒精含有少量甲醇，醫用消毒酒精是濃度為75%左右的乙醇。室溫下，乙醇是無色，且有特殊香味的揮發性液體。乙醇的液體密度為0.789 g/cm³，其沸點為78.4℃。乙醇可以與空氣中氧氣產生劇烈的氧化反應，發生燃燒現象，而生成水和二氧化碳，並放出熱量，其反應如反應式[1]所示。

CH₃CH₂OH(l) + 3O₂(g) → 2CO₂(g) + 3H₂O(l) + heat    [1]

● 氯化鈉是食鹽的主要成分，化學式為NaCl。氯化鈉是海水中鹽分的主要組成部分，也用於調味料和食物防腐劑。氯化鈉的固體密度為2.16 g/cm³，熔點為801℃，對水的溶解度為35.9 g/100 mL（在25℃下）。由於鈉離子的焰色是黃色的，因此本示範實驗加入食鹽是為了使火焰發出鮮豔的黃色光，比較容易觀察。

● 酒度或稱酒精強度，通常是指在20℃時酒中的酒精（乙醇）的百分含量。高粱酒的酒度表示係採用國際上通用的表示法，用體積百分數或質量百分數表示，即寫成 體積分數為58%。但因酒精在20℃時的密度約為0.7893，故酒精的體積百分數約為質量百分數的1.267倍，如上述的體積百分數為58%的58度 酒，換算成質量分數時僅約為48%。以酒精的質量百分數表示酒度：即100克酒中含有純酒精度的克數。例如啤酒的酒度過去都用該法表示，即所謂3.2酒度 是指在100克啤酒中含有3.2克的純酒精。

延伸探討

● 為探討不同濃度的酒精水溶液之燃燒溫度，本次實驗利用金屬溫度棒測試玩具假鈔燃燒的火焰頂部溫度和紙面溫度。火焰頂部溫度是指金屬溫度棒放置在玩具假鈔燃 燒的火焰上方所測得的溫度，而紙面溫度是指金屬溫度棒接觸到玩具假鈔的上面，本實驗的環境溫度約為30℃，而且不同濃度的酒精水溶液都加入食鹽，以利觀察 燃燒火焰的位置，測試結果如表一至表四以及圖十到圖十三所示。

1. 95%酒精水溶液（直接使用藥用酒精，95%酒精）

表一  95%酒精水溶液的燃燒溫度

圖十 火焰頂部（左）和紙面（右）的溫度

2. 71%酒精水溶液（使用混合體積3/4的藥用酒精與1/4的蒸餾水）

表二  71%酒精水溶液的燃燒溫度

圖十一 火焰頂部（左）和紙面（右）的溫度

3. 47%酒精水溶液（使用混合體積2/4的藥用酒精與2/4的蒸餾水）

表三  47%酒精水溶液的燃燒溫度

圖十二 火焰頂部（左）和紙面（右）的溫度

4. 24%酒精水溶液（使用混合體積1/4的藥用酒精與3/4的蒸餾水）

表四  24%酒精水溶液

圖十三 頂部沒有火焰（左）和紙面（右）的溫度

● 根據上述的測試結果，發現火焰頂部溫度和紙面溫度隨著乙醇的濃度降低而降低，而且火焰頂部溫度比紙面溫度高出甚多。再者，當酒精濃度低於24%時是無法點 燃酒精水溶液。由於本實驗未測試24%-47%酒精水溶液是否可燃，因此無法得知酒精水溶液可以燃燒的最低酒精濃度。根據上述的實驗結果，47%酒精水溶 液的紙面溫度在176℃。依此結果推測，54度的高粱酒燃燒的紙面溫度應該稍高於176℃而已。另外，添加食鹽於酒精水溶液可能會降低酒精的燃燒濃度。

教學提示

● 示範者在示範時首先要克服自己的心理障礙，雖然燃燒時的火焰會讓示範者感覺有點燙熱之感，但是實際上紙面的火焰溫度不是很高，因此不用擔心會燒傷。根據上述的延伸探討之實驗結果，推測54度的高粱酒燃燒的紙面溫度應該稍高於176℃而已，因而手的感覺不會很燙。

● 在示範時，手持鈔紙應該盡量使酒精燃燒的火焰朝上面或朝側面，避免火焰上方接觸到手。如果酒精燃燒的火焰朝下，那麼手容易被火焰燙到。

● 在示範時，老師向學生借用紙鈔，可以增加示範的驚奇程度，引起學生注意力。在家中或餐廳表演時，也可以向親朋好友借用紙鈔。

● 本示範實驗也可以延伸探討其他不同濃度乙醇的燃燒情形，讓觀眾能夠更清楚地瞭解不同位置的火焰其實溫度是不同的。

● 示範此實驗必須注意安全，旁邊不可有易燃物，示範時準備一桶水或一個滅火器，以便不時之用。

● 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。

● 本示範實驗所使用的器材可重複使用，可裝在一個標示「燒不破的紙鈔」或放在相似主題的置物箱中備用。

問題與參考答案

1. 本示範過程發生什麼驚奇的現象？
答：紙鈔被點燃了，但是燃燒不會使紙鈔燒破。

2. 承上題，本示範涉及什麼化學原理和概念呢？
答：由於酒精燃燒放出的熱提供（傳導）給水，然後水吸收此熱量變成水蒸氣，因而沒有足夠的熱能夠使紙燃燒起來。因此，沾濕高粱酒（如54度）的紙鈔，點燃後只有酒精燃燒而已，而紙鈔不會燃燒起來。

3. 根據上面的「延伸探討」，推測54度的高粱酒燃燒時紙鈔的溫度。
答：根據上述的延伸探討之實驗結果，47%酒精水溶液的紙面的溫度在176℃。依此結果推測，54度的高粱酒燃燒的紙面溫度應該稍高於176℃而已。

安全

● 示範這個實驗最好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

● 表演後剩餘的酒精倒入水槽並以水沖掉即可。

參考資料

1. The non-burning £5 note, Classic Chemistry Demonstrations, http://www.rsc.org/Education/Tea … on-burning-note.asp.
2. The non-burning paper, David A. Katz, http://www.chymist.com/Nonburning paper.pdf.
3. Ethanol, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol.
4. Sodium chloride, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_chloride.
5. 酒度，http://www.kkl.gov.tw/life/life_4_a.asp?sid=59。