3D有趣實驗：化學咻聲瓶（Chemical Whoosh Bottles）〔II〕

3D有趣實驗：化學咻聲瓶（Chemical Whoosh Bottles）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生王楨 / 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「3D有趣實驗：化學咻聲瓶〔I〕」

原理和概念

• 本實驗使用的藥用酒精，含95%乙醇（ethanol），乙醇為低沸點的醇類。當少量的乙醇置入有一小孔洞的塑膠瓶中時，氣態乙醇與空氣形成氣體混合物，在瓶口的混合物剛好提供了燃燒的必要條件之二條件－可燃物和助燃物；用點火槍點燃時，提供燃燒的第三個必要條件－達到燃燒的溫度。
• 乙醇易與氧氣發生反應，點火後發生燃燒產生氧化還原反應，過程中伴隨著火焰的產生及能量的釋放。乙醇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)  ΔHc = -1409.26 kJ/mol

• 乙醇剛開始燃燒時，在瓶蓋孔洞附近的氧氣的相對濃度較高，因此氣態酒精的燃燒速率率極快。然而，燃燒到瓶蓋孔洞下方時，由於空氣只能從小孔洞進入，無法瞬間大量進入，此時氧氣的相對濃度較低，因此氣態乙醇並非一次全部燃燒，導致的燃燒速率變慢，而造成由上往下漸層的燃燒效果。
• 由於氣態乙醇比酒精燈的液態乙醇的粒子表面積較大且活化能較低，因此氣態乙醇的燃燒速率比液態乙醇快。再者，由於酒精塊的酒精分子被醋酸鈣緊緊抓住（亦即酒精與醋酸鈣之間有強的氫鍵和離子－偶極吸引力），因此酒精燈的液態乙醇的燃燒速率比酒精塊的膠態酒精為快。
• 由於氣態乙醇的燃燒反應非常快速且發生在具有小孔洞的瓶內，乙醇燃燒產生的高熱使二氧化碳氣體和水蒸氣快速膨脹，並衝出瓶蓋的孔洞，發出類似”咻”的尖銳聲響。
• 不同的醇類會有不同的燃燒效果，像是焰色或是聲音的不同。若是使用甲醇則反應會較快，焰色則為藍色；若是使用正丙醇或異丙醇，則聲音會有些微不同，反應會較慢更易觀察，並產生藍色或黃色的火焰。

教學提示

1. 因為燃燒過後的瓶內會含有大量的二氧化碳，在瓶內無足夠的氧氣使乙醇燃燒，所以無法立即重複使用。更重要的是，剛燃燒完的塑膠瓶仍然很熱，若直接倒入乙醇，可能會導致乙醇蒸汽大量產生。若要立即再次使用塑膠瓶，則可用排水法，排出二氧化碳氣體。在倒出瓶中水後再擦乾，即可重複使用。建議此實驗準備多個塑膠瓶，備用。
2. 本實驗使用的乙醇為一種易燃且易揮發的液體。若吸入或食入可能會造成輕微中毒，因此需在空氣通風的教室裡進行實驗。乙醇取用後，應立即關緊瓶蓋。
3. 示範的瓶子不可為玻璃材質，容易發生爆破而發生危險；也不可使用薄的保特瓶（PET），如一般裝礦泉水的保特瓶，其遇高溫會融化。示範時不只可用HDPE材質或厚的保特瓶，也可使用PC材質（聚碳酸酯瓶），且為一體成形的塑膠瓶。
4. 示範者必須注意下面安全事項：
   1. 示範時須戴上安全眼鏡及手套。
   2. 示範實驗時須與學生距離2公尺以上。
   3. 示範實驗位置須距離天花板2公尺以上。
   4. 必須盡可能倒出多餘的乙醇，避免燃燒時發生危險。
   5. 點火時必須拴緊瓶蓋，以免氣體衝出時而瓶蓋彈開而發生危險。
   6. 不可在純氧環境中做此實驗，會產生劇烈的爆炸。
   7. 示範實驗前應反覆重複練習，將危險降到最低。
   8. 示範時須確定滅火處在方便取得處。
5. 本實驗除可當作教師示範實驗之外，亦可當作學生探究實驗的主題，探究的變因可設定為瓶內容量大小、瓶身高度大小、瓶身直徑大小、瓶口孔洞大小、瓶口孔洞形狀、易燃溶劑的種類、乙醇含水量百分比等，探究這些變因對發出聲音的大小或種類。

安全

1. 進行本實驗必須在老師的監督下進行，也必須在戴上手套、穿實驗衣和戴安全眼鏡的防護下進行。
2. 對本實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

• 從瓶中倒出的酒精可重複使用。未使用的酒精可用小的瓶子密封裝好，以後亦可再次使用。

問題與參考答案

1. 請描述在示範實驗中所發生的現象。
   答：加入少量的乙醇到瓶中，使其氣體佈滿瓶內，接著點燃瓶口的混合氣體時，產生很大的 “咻”的聲響，並伴隨火焰從瓶口噴出。此外在瓶子內，有火焰由上往下跳動的現象及發生撞擊聲。
2. 請分別寫出在標準狀況下的乙醇和異丙醇燃燒的平衡反應式。
   答：乙醇和異丙醇的燃燒反應，其反應式分別如所下示：

   C2H5OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)
   (CH3)2CHOH(g) + 9/2O2(g) → 3CO2(g) + 4H2O(g)

3. 假設在此次實驗中一次使用2.0 mL的乙醇，其密度為0.79 g/mL，實驗後會產生多少重的水？
   答：使用乙醇的重量為2.0 mL × 0.79 g/mL = 1.6 g
   使用乙醇的莫耳數為1.6 g × 1 mole/46 g = 0.034 mole
   從平衡後的反應中，可以知道1莫耳的乙醇會產生3莫耳的水
   因此，0.034 mole × 3 mol H₂O/1 mol = 0.10 mole H₂O
   0.10 mole H₂O × 18 g/mol = 1.8 g →預期會有1.8 mL的水產生
4. 為何氣態的乙醇比液態的反應更快？
   答：氣態乙醇比起液態乙醇的擴散更迅速，且其有更大的粒子表面積可以與氧氣立即反應，因此燃燒速度更快。
5. 燃燒後瓶內產生的氣體為何？可用什麼方法檢驗？並寫出方程式。
   答：二氧化碳，可通過澄清石灰水來檢驗，觀察使否產生白色的碳酸鈣沉澱。

   Ca(OH)2(aq) + CO2(g) → CaCO3(s)↓ + H2O(l)

參考資料

1. Ethanol (data page), Wikipedia.
2. Whoosh Bottle, Safe Laboratory Practices, Flinn Scientific, Inc.
3. Whoosh Bottle, kitchen table demonstrations, digitaldapp.org.
4. Combustion: Whoosh Bottle Demonstration, YouTube.
5. 化學示範實驗：咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒（The Combustion of Gaseous Ethanol），高瞻自然科學教學資源平台。