化學示範實驗：利用常見物品演示水中生火（Underwater Fire using Common Items）﹝II﹞

化學示範實驗：利用常見物品演示水中生火（Underwater Fire using Common Items）﹝II﹞
國立台中高級工業職業學校化工科陸冠輝老師 / 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「利用常見物品演示水中生火﹝I﹞」

原理和概念

本次示範實驗的製備和反應涉及數個化學反應，如下所述。

● 製備乙炔（C₂H₂）氣體：固體的碳化鈣（電石）與水反應，如反應式[1]所示：

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

● 製備氯氣（Cl₂）：次氯酸鈉溶液（漂白水）與鹽酸（家用洗廁劑）反應，如反應式[2]所示：

NaOCl(aq) + 2HCl(aq) → Cl₂(g) + NaCl(aq) + H₂O(l)    [2]

● 使用氫氧化鈉溶液（馬桶疏通劑）去除氯氣的反應，此反應生成次氯酸鈉，如反應式[3]所示：

Cl₂(g) + 2NaOH(aq) → NaOCl(aq) + NaCl(aq) + H₂O(l)    [3]

● 乙炔與氯氣的反應涉及兩個反應，第一個為氯氣與水的反應生成次氯酸，如反應式[4]所示。第二個為次氯酸與乙炔的反應，如反應式[5]所示。反應式[4]和[5]相加而得到反應式[6]。

Cl₂(g) + H₂O(l) → HOCl(aq) + HCl(aq)    [4]

HOCl(aq) + C₂H₂(g) → 2C(s) + HCl(aq) + H₂O(l)    [5]

Cl₂(g) + C₂H₂(g) → 2C(s) + 2HCl(aq)    [6]

● 氯氣是一種非常活潑的化學物質。氯氣會與氫氣、乙炔氣體和有機溶劑發生劇烈反應。這些反應會產生熱量（放熱反應）。在標準狀態下，Cl₂(g)、C₂H₂(g)、C(s)和HCl(aq)的生成焓（ΔH_f°） 分別為：0.0、227.4、0.0和-167 kJ/mol。在標準狀態下，反應式[6]的焓變化：2(0.0) kJ/mol + 2(-167) kJ/mol – 1(0.0) kJ/mol -1(227.4) kJ/mol = -561 kJ/mol。亦即，一莫耳的乙炔與一莫耳的氯氣的反應會放出561 kJ的熱。

● 乙炔的化學結構具有碳碳參鍵，極易進行加成反應，其加成反應會放出大量的熱。放出的熱量可以使乙炔氣體進行劇烈的燃燒現象，產生火花，進而放出更多量，以利反應之進行。

教學提示

1. 寶特瓶鑽孔時，孔洞的高度約在瓶底的三分之一處，太低或太高會不利於氣體注射時的操作。兩個孔洞的水平距離不可太遠，否則兩支注射針頭出口處不易靠近。鑽孔完後，以熱熔膠封住間隙，可裝半滿的水測試寶特瓶是否有漏洞。

2. 製備乙炔氣體所用的電石應選用顆粒較小的固體，這樣注射針筒內才不會因固體顆粒太大而無法使注射針筒的活塞靠近前端，而造成製備乙炔氣體含有空氣。

3. 製備氯氣時，應注意下列幾點：
(1)氯是活性大的元素，元素態為黃綠色有毒氣體，具腐蝕性。氯氣對人體的毒害有立即性的嘔吐、呼吸困難及咳嗽等現象。
(2)製造氯氣時應做好完善的防護措失，例如：在通風良好的地方或在通風廚內進行。
(3)為避免因製造氯氣過程中有氯氣的外洩，應該採用氫氧化鈉溶液吸收氯氣。
(4)由氯氣極易溶於水中且乙炔氣體不易溶於水中。因此，本示範實驗應先用注射針筒製備乙炔氣體，再套入在寶特瓶的注射針頭備用，然後製備氯氣，並立即進行「水中生火」的示範。

4. 若要在教室中進行本示範實驗，也可以事先在實驗室製備好乙炔和氯氣兩種氣體於注射針筒內，並用橡皮塞封住其開口處。示範前，可讓學生親眼看見氯氣是有點淡黃綠色的氣體。當要進行示範時，再套入注射針筒在寶特瓶上的針頭。

5. 在進行乙炔氣體和氯氣在水中反應時，為避免有未反應的氯氣從水中逸散，應該採用下列兩項措施：
(1)乙炔氣體的注射速率應稍快於氯氣，以確保氯氣完全與乙炔氣體反應。
(2)在寶特瓶蓋的瓶蓋處，連接一條導管，再導入另一個裝有氫氧化鈉溶液的寶特瓶，逸散的氯氣可以被氫氧化鈉吸收。

6. 本示範實驗進行完畢後，打開寶特瓶時，可以聞到反應完後的部分產物（氯烷類和氯烯類化合物）的氣味，並可在瓶內水面處看見一層碳的微粒。

7. 進行本示範實驗時，乙炔氣體與氯氣的注射針頭要盡量靠近，否則無法進行反應。

8. 兩氣體的注射速率應適當，太慢會因濃度太低而沒有反應，太快則會因放熱太大而造成較大的爆炸現象。

9. 本示範實驗製備與收集可燃性的乙炔氣體與有毒的氯氣，必須更加注意其安全性

10. 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。

11. 這個示範實驗所使用的器材可重複使用，反應後的寶特瓶內有氯烷類和氯烯類化合物和碳微粒的殘留使用清潔劑清洗乾淨，然後裝在一個標示「水中生火」或放在相似主題的置物箱中備用。

問題與參考答案

1. 氯氣的製備方法有那些？
答：(1)過錳酸鉀加鹽酸產生氯氣，如反應式[7]所示：

16HCl(aq) + 2KMnO₄(s) → 2MnCl₂(aq) + 2KCl(aq) + 5Cl₂(g)    [7]

(2)過錳酸鉀、氯化鉀與濃硫酸共熱，如反應式[8]所示：’

8H₂SO₄(aq) + 10KCl(aq) + 2KMnO₄(aq) → 2MnCl₂(aq) + 5Cl₂(g) + 8K₂SO₄(aq)    [8]

(3)工業以電解飽和食鹽水，如反應式[9]所示：

NaCl(aq) + 2H₂O(l) → NaOH(aq) + H₂(g) + Cl₂(g)    [9]

(4)二氧化錳與濃鹽酸共熱，如反應式[10]所示：

MnO₂(s) + 4HCl(aq) → MnCl₂(aq) + Cl₂(g) + 2H₂O(l)    [10]

2.氯氣的消除的方法有那些？
答：用鹼性的溶液，例如：氫氧化鈉、碳酸鈉……等，加以吸收，如反應式[11]和[12]所示：

Cl₂(g) + 2OH^–(aq) → OCl^–(aq) + Cl^–(aq) + H₂O(l)    [11] 2Cl₂(g) + CO₃^2-(aq) + H₂O(l) → 2HOCl(aq) + 2Cl^–(aq) + CO₂(g)    [12]

3. 本次示範實驗的製備和反應涉及六個化學反應，哪些反應屬於氧化還原反應？哪些反應不屬於氧化還原反應？
答：反應式[2]、[3]、[4]、[5]和[6]屬於氧化還原反應。反應式[1]不屬於氧化還原反應。

4. 乙炔氣體與氯氣在水中反應，為什麼會有火花產生？
答：乙炔的化學結構具有碳碳參鍵，極易進行加成反應，其加成反應會放出大量的熱。放出的熱量可以使乙炔氣體進行劇烈的燃燒現象，產生火花，進而放出更多量，以利反應之進行。

安全

● 由於氯氣有毒，因此在製備氯氣時，應該在通風櫥或在通風良好處進行氯氣製備與收集。
● 由於乙炔為易燃氣體，因此要遠離火源以維安全。
● 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

● 製備乙炔氣體的殘留物倒入水槽，用大量的水沖掉。
● 製備氯氣的殘留物先用大量的水稀釋，再倒入水槽用水沖掉。
● 反應後的寶特瓶內有氯烷類和氯烯類化合物的殘留，先放置通風處使其逸散，再用清潔劑清洗乾淨，然後回收再使用。

參考文獻

1. Experiments with Ethyne, Microscale Gas Chemistry, http://mattson.creighton.edu/C2H2/index.html.
2. Experiments with Chlorine, Microscale Gas Chemistry, http://mattson.creighton.edu/Cl2/index.html.
3. Reaction of Chlorine with Acetylene, http://jchemed.chem.wisc.edu/JCE … IN/CLACET/PAGE1.HTM.
4. Spontaneous Combustion Reaction of Acetylene with Chlorine, http://chemed.chem.purdue.edu/demos/main_pages/24.10.html.
5. 化學奇觀-水中火泉，方金祥，科學教育，2001年7月，241期，頁64-66。
6. 創意趣味微型化學實驗之演示及中學師生之實做研習，方金祥，CHEMISTRY (THE CHINESE CHEM. SOC., TAIPEI), 2002, Vol. 60, No. 3, pp. 541~547.