Chem Is Try: 5月 2012

2012年5月25日星期五

化學示範實驗：自製焰色試驗棒演示焰色試驗（Homemade Flame Test Stick for Flame Test）

化學示範實驗：自製焰色試驗棒演示焰色試驗（Homemade Flame Test Stick for Flame Test）〔I〕
國立玉里高級中學化學科黃有道老師 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯
前言
小朋友玩的仙女棒，慶典晚會的煙火，各種火焰顏色應有盡有，這些焰色是怎麼產生的呢？本示範實驗採用兩種焰色試驗，其一為使用自製的焰色試驗棒和本生燈來試驗鹽類固體，其二為使用卡式瓦斯噴燈和噴霧瓶來試驗鹽類水溶液。自製的焰色試驗棒取自於報廢的開飲機之加熱片並製作而得的，而且焰色試驗的效果很好，值得教師參考。
示範步驟
A. 示範前準備
A1. 自製焰色試驗棒
1. 從報廢的開飲機、電熱水瓶或電鍋取出加熱片，如圖一所示。

圖一開飲機的加熱片

2. 用尖嘴鉗拆解加熱片，即可見到加熱片中的鎳鉻絲，這種鎳鉻絲的寬度約1 mm，如圖二所示。

圖二拆解後的加熱片

3. 拆下加熱片的鎳鉻絲，並剪下連接電源端的直條鎳鉻絲，如圖三所示。

圖三加熱片的鎳鉻絲（上）和連接電源端的直條鎳鉻絲（下）

4. 用尖嘴鉗剪斷加熱片的鎳鉻絲成為每段長度20-25 cm，在末端處捲成小圓圈，另一端用銅線綁住衛生筷，便完成一支自製焰色試驗棒，如圖四所示。

圖四以廢棄的鎳鉻絲自製焰色試驗棒

A2. 準備金屬鹽類及配製水溶液

1. 準備少量的金屬鹽類：鋰、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇、銅、鐵、鉛、鋅等實驗室常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽均可。
2. 配製50 mL的金屬鹽類水溶液（濃度約1 M，濃度是可變的）：鋰、鈉、鉀、鈣、鍶、鋇、銅、鐵、鉛、鋅等實驗室常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽均可。這些水溶液可裝在小型噴霧罐，並加入少量的酒精或甲醇，如圖五的左圖所示。
3. 配製50 mL的1 M鹽酸水溶液。
4. 準備一支卡式瓦斯噴燈，如圖五的右圖所示。

圖五小型噴霧罐（左）和卡式瓦斯噴燈（右）

B. 正式示範

B1. 使用自製焰色試驗棒
1. 點燃本生燈，調節瓦斯流量及空氣流量的旋轉鈕，以獲得理想的無光焰（淡藍色火焰），如圖六的左圖所示。自製焰色試驗棒的鎳鉻絲先沾稀鹽酸進行酸洗，再放置於本生燈的火焰上燒至火紅，如圖六的右圖所示。

圖六調節本生燈產生無光焰（左）和鎳鉻絲置於火焰上燒至火紅

2. 鎳鉻絲燒至火紅後，沾蒸餾水再次燒至火紅，然後沾一種金屬鹽類固體，放置於本生燈的火焰上燒，觀察火焰的顏色，如圖七所示。

圖七用自製焰色試驗棒示範焰色，鉀的焰色（左）和鈉的焰色（右）

3. 重複步驟2，使用不同金屬鹽類進行焰色試驗。

B2. 使用卡式瓦斯噴燈
1. 打開卡式瓦斯噴燈，調整適當的火力，讓學生觀察無光焰（藍色火焰），如圖八所示。

圖八無光焰（藍色火焰）

2. 使用裝蒸餾水的噴霧罐斜向地噴射瓦斯噴燈的火焰，噴霧方向與噴火方向應盡可能同向，觀察水霧與火焰接觸時火焰的顏色。

3. 使用裝有硫酸銅（或氯化銅）水溶液的噴霧罐重複步驟2.，觀察火焰的顏色，如圖九所示。

圖九硫酸銅的焰色

4. 使用裝有氯化鈉水溶液的噴霧罐重複步驟2.，觀察火焰的顏色，如圖十所示。

圖十氯化鈉的焰色

5. 依次使用各種不同金屬鹽類水溶液進行上述試驗，觀察火焰的顏色。

藥品與器材
1. 報廢的飲水機、電熱水瓶或電鍋（含加熱片的鎳鉻絲）  1台
2. 尖嘴鉗  1支
3. 銅線（細）  10-20 cm
4. 衛生筷  1支
5. 卡式瓦斯噴燈  1個
6. 小型噴霧罐（100 mL）  1個
7. 金屬鹽類常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽  少量
8. 金屬鹽類水溶液（濃度約1 M）：常見的氯化物、硝酸鹽或硫酸鹽  各50 mL
9. 1 M鹽酸  100 mL
10. 蒸餾水  少許
11. 本生燈  1個
12. 酒精或甲醇（可選擇）  少量

原理和概念
● 本生燈或瓦斯噴燈的火焰為淡藍色，光度極低，此火焰稱為無光焰。
● 光是一種電磁波，一般人的眼睛可以感受的電磁波波長在400（紫色）到700（紅色）奈米（nm）之間，如圖十一所示。

圖十一可見光只佔電磁波譜的一小部分。圖片來源：http://www.electricalfun.com/visible_spectrum.htm

● 當一個元素被激發（加熱）時，其電子會躍遷至能量較高的軌域上。當它返回低能量的軌域時，高低軌域的能量差會以電磁波的形式輻射出來，出現在某些特定的波長上，稱為發射光譜。每種元素都有其個別的光譜，這些譜線就好比人類的指紋一般，科學家可據以鑑定元素，如圖十二所示。

圖十二銅（CuCl2）（上）、鈉（中上）、鋰（中下）和鈣（下）的發射光譜。圖片來源：http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml

● 非金屬元素也有其特定之原子吸收光譜，但因其原子能階差較大，發射光譜可能不在可見光區，而且需要很高的溫度才能提昇其到激發態。因此，一般燄色試驗是針對金屬進行檢測。

● 一些常見的金屬與其相對應的火焰顏色，如表一所示：

表一一些常見的金屬與其相對應的火焰顏色

資料來源：http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test

● 工業用途上的焰色試驗：在部分工業上會使用焰色試驗，這是因為聚合物、金屬類會發出許多獨特的燃燒方式，所以在鑑定聚合物及金屬化合物上是特別有用的。
● 焰色試驗的限制：大部分離子在低濃度時無法做此試驗。從一個樣品到另一個樣品亮度會產生變化。例如：鈉所釋放出來的黃色光比鋰所釋放出的紅色光還要亮。由於雜質或汙染物會影響試驗結果，尤其是大部分的化合物中都有鈉的存在而產生鈉的焰色，因此有時會使用一種藍色玻璃來過濾鈉的黃色焰色。由於若干金屬會產生相同的焰色，此試驗無法完全區分所有元素，且有些化合物在燃燒時並不會改變其顏色。
教學提示
● 教師準備藥品與器材：30分鐘。課堂時間：5-10分鐘。本實驗教師可在教室或實驗室示範，也可以讓學生在實驗室操作。若由學生實驗操作，則操作時間為15-20分鐘。
● 本示範實驗可以融入原子發射光譜、電磁波和金屬元素的性質於課堂教學中。
● 使用自製焰色試驗棒時，用溼潤的鎳鉻絲可以容易沾取金屬鹽類，方便進行焰色試驗。
● 示範時，瓦斯噴燈的噴火方向務必側對學生，不可面對學生，以策安全。噴霧方向與噴火方向應盡可能同向，而且盡量勿讓水霧落在噴燈金屬管上。
● 為加強焰色試驗的效果，可在金屬鹽類水溶液中加入一些酒精或甲醇，但不宜加入太多以免影響焰色。
● 可使用酒精燈代替本生燈，但其溫度較低效果較差。環境光害愈少（愈昏暗），焰色觀察愈容易。可使用參考資料第3.項「簡易直視型分光器」，讓學生觀察焰色。
問題
1. 日常生活中，哪些地方或場所可見到彩色的火焰？這些彩色的火焰是如何產生的？
2. 使用鎳鉻絲與噴霧示範焰色試驗各有甚麼優缺點？
3. 在化學分析上，為何常用焰色試驗來鑑定鹼金屬元素？
安全
● 請戴護目鏡和著實驗衣。注意用火安全，尤其是學生操作本生燈時。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

資料來源
1. Flame test, http://en.wikipedia.org/wiki/Flame_test.
2. Flame tests, http://chemistry.about.com/od/analyticalchemistry/a/flametest.htm.
3. Flame Coloration by Element, http://webmineral.com/help/FlameTest.shtml.
4. 燄色試驗（Flame Test），http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3522。
5. 焰色試驗法（flame test），http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=3504。
6. 察「焰」觀「色」-以自製分光儀檢視焰色實驗，http://science.ntsec.edu.tw/files/15-1004-11059,c2308-1.php。
7. 簡易直視型分光器的製作，http://a-chien.blogspot.com/2010/01/blog-post_3530.html。

以上文章引用自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress

營隊推薦：2012居禮夫人化學營

舉辦居禮夫人高中化學營的目的與意義：

去年(2011年)是居禮夫人榮獲諾貝爾化學獎100週年，我們於7月中舉辦「居禮夫人高中化學營」，獲得國內高中生、老師及家長們的熱烈回響與肯定，因此主辦單位決定於2012年續辦此這項有意義的活動。活動舉辦的目的是讓高中學生了解化學與我們的日常生活息息相關及讓同學們認識到化學在電子產業、尖端材料與生技領域中是扮演不可或缺的角色。也希望透過化學相關領域的專家學者們良好的科學典範及精闢演講，引領學生對化學方面的興趣，進而吸引莘莘學子進入化學相關領域，而能培養出具有前瞻觀念和專業知能的未來化學家。除此之外，也希望透過該活動，讓站在第一線的化學及其他相關領域教師們有更創新的想法，能將生活中和化學相關新知及有趣的一面介紹給學生，進而有效地提升教學品質及學生對化學學習的成效。因此，化學營參加的學員除了高中生外，也開放給高、國中老師參加。

報名網站連結：http://www.cctmf.org.tw/campcurie/

以上言論引用自：http://www.cctmf.org.tw/campcurie/

化學傳記: 1903、1911年諾貝爾化學獎得主—居禮夫人（Marie Curie）

化學傳記: 1903、1911年諾貝爾化學獎得主—居禮夫人（Marie Curie）(一)
國立台灣師範大學化學系三年級李冠儀/國立台灣師範大學化學系葉名倉教授責任編輯

不凡的兩次諾貝爾獎殊榮居禮夫人（Marie Curie,1867~1934)
居禮夫人原名瑪麗亞•斯克沃多夫斯卡-居禮（Maria Skłodowska-Curie），常被稱作瑪麗•居禮。1867年於波蘭的華沙出生，而當時這個區域是俄國的勢力範圍，不僅強制當地人學習俄語，且學校也只能教授當局認可的課程，當時才十歲的瑪莉離家至私立的住宿學校上學，在當時反俄且愛國的老師教導下，瑪麗有機會接觸波蘭文的教材，當然，在強勢的俄國控制下，此舉是絕對禁止的，且俄國會不時派人來檢視孩童的狀況，而每當瑪麗被抽問時，卻又能完整無誤的回答，可見當時瑪麗的能耐。
然而，受限於當時的女性地位，在華沙或幾乎任何地方的大學都不收女學生，要能讀書且獲得學位的話，瑪麗勢必得到巴黎，而其二姐布朗麗亞（Bronisława）也有意要到巴黎習醫，於是瑪麗與姐姐商議出一個辦法，先讓布朗麗亞去巴黎學習，而在姐姐讀書的期間，瑪麗擔任家庭教師來負擔兩人花費，之後瑪麗再去與姊姊會合，在姐姐的經濟支持下幫助他上大學攻讀學位。初到巴黎的瑪麗，因為法文不好，加上以往在波蘭所學不足以應付法國大學課程，因此他幾乎所有時間，都花在圖書館裡苦讀，而就憑著堅持的信念，最終，瑪麗於巴黎大學取得物理及數學兩個碩士學位。
1894年的春天，瑪麗認識了年輕有為的科學家皮耶•居里（Pierre Curie），居里先生研究的領域是晶體對稱性與電磁學，而對居里先生而言，在物理的世界要與異性打交道的機會，根本是非常稀有，巴黎春意盎然，顯然居里先生已被她的智慧及容貌深深地打動，幾個月後，居里先生向瑪麗求婚，然而瑪麗雖也深愛著居里先生，但始終對於自己的終身大事有些猶豫，其間，居里先生寫了幾封信給瑪麗，而瑪麗也鼓勵居里先生在1895年三月完成其博士論文，受鼓勵的居里先生也順利獲得巴黎大學的物理博士學位，並也在同年說服了瑪麗成為居里夫人，1897年的秋天，居里夫人生下了長女，並與丈夫商量之後，繼續在巴黎大學攻讀博士學位。
1895年，威廉•侖琴（Wilhelm Röntgen）進行高壓電實驗的時候發現了X射線，人們可利用此射線看透人體內部，隔年，名為亨利•貝克勒(Henri Becquerel)的法國科學家發現重金屬鈾（Uranium）會發射出與X射線相似的神秘射線且同樣具有穿透能力，起初稱貝克勒射線，又叫鈾射線，而鈾化合物不斷地以輻射形式釋放出的能量，雖然很小，但這能量從何而來呢?正當居禮夫人還在思索博士論文題目時，貝克勒的研究被居禮夫人注意到，居禮夫婦對此有極大的興趣，這是一個從未有人論述的新領域，居禮夫人也因此認定這就是他所該探討的東西，1897年12月，居禮夫人就在工學院一個經過小裝修的廢棄倉庫開始研究鈾，幾個星期後，她就發現鈾發出的射線，是該元素本身的原子性質，與其化學或物理狀態無關，另外，她也發現其射線強度與實驗樣品的鈾含量成正比，而正當鈾射線的發展之際，居禮夫人也開始懷疑，是否有任何其他物質能夠有同樣的性質存在，因此她又檢測了當時已知的約八十幾種元素，而在這些元素中，她發現只有釷（Thorium）能夠放射出與鈾相類似的射線，另外還有鈰（Cerium）、鈮（Niobium）、鉭（Tantalum）等，也都有些微的這種性質，而居禮夫人就重新定義這種自發性輻射為「放射性（radioactivity）」，然而，在某次的機緣之下，她在分析瀝青鈾礦時發現，這種礦石的總放射性比其所含有的鈾的放射性還要強，起初她以為實驗出錯了，她又重做了好幾次，但結果都一樣。

因此，在1898年，居禮夫婦大膽假定在含有瀝青鈾礦石中必定含有某種未知的放射成分，其放射性遠遠大於鈾的放射性，而當居禮先生認為妻子將有大發現時，也顧不得手邊的晶體研究，和她一起著手努力這一新未知元素，首先，他們先使用普通的元素分析將組成瀝青鈾礦的各種物質分開，並測量已分開的各部分物質放射性，居禮夫婦深知，這種新元素並不會在礦石裡有非常大的含量，可能最多不超過百分之一或更少，所以重複的濃縮是必要的，而隨著分離持續的進行，放射性的強度越增，他們發現，其放射性主要集中於兩種不同的化學成分，終於，1898年七月他們宣佈釙（Polonium）的發現，緊接著12月，宣佈了鐳（Radium）的發現。

但是，對於一個偉大的發現，居里夫婦深知故事還沒完，雖然他們對自己的發現深信不疑，但卻是一個未提純的結果，若要其他化學家承認它們的存在，勢必得將他們單獨分離出來，而這不是僅從他們手邊現有樣品的量所能達成的，必須要有大量的瀝青鈾礦供他們使用，因此從1899年早期，居里夫婦從奧匈政府所擁有的波西米亞（Bohemia）鈾礦取得大量的原料，接下來的日子，兩人分工合作，先生負責研究鐳的性質，妻子負責提取純淨的鐳鹽，終於在三年多後，他們成功
地從八噸重的瀝青鈾礦中提煉出0.1克的純氯化鐳，1903年六月，居里夫人順利取得巴黎大學的博士學位，並在同年12月，居里夫婦與亨利•貝克勒共同獲得諾貝爾物理學獎，居禮夫人也因此成為了歷史上第一位獲得諾貝爾獎的女性，從此聲名大噪。

鐳的發現，對於當時醫學有很大的突破，其放射線可摧毀惡性腫瘤（癌症），但他對細胞並無選擇性，必須仔細定位放射線，並嚴格控制劑量，而在當時，人們知道鐳對惡性腫瘤的抑制後，不僅價格暴增，對於鐳的提取技術，居里夫婦更可因而大賺一筆，不過，居里夫婦並不願意申請此項專利，他們認為自己研究科學的目的並不為錢，而是為了造福人類生活，所以這項技術他們幾乎無條件地公諸於世。

然而，看似雨過天青，不久後卻又變了調，1906年4月19日，正當居里先生剛結束一場聚會而步行離開，正當他橫過馬路時，突然一輛載貨馬車，將他撞倒，車輪輾過他的腦骨，當場死亡！一位同事、好丈夫、偉人就這麼走了，突來的變故雖把居禮夫人嚇著了，但在悲傷難過之餘，他更清楚她現在所能做的，就是秉著嚴謹的態度，繼續為科學而奮鬥，居里夫人雖然從此開始獨立研究，但是在放射理論與實務上的成就卻越來越高。1911年底，她收到一封由瑞典皇家科學院的電報，通知她獲得當年諾貝化學獎，最主要原因還是她發現了釙與鐳，並成功分離出純金屬鐳，從那時起，居里夫人成為有史以來，第一位兩度獲得諾貝爾科學獎的人，而且是個女性。

居禮夫人在當時是最知名的科學家，他是法國第一位女性教授；他所發現的鐳使癌症病患有了一線生存的曙光；而他對於科學的執著，值得我們效法，尤其當科學對於人類生活有最實質貢獻時，她義無反顧，但儘管如此，居禮夫人的一生，仍然充斥著批評與歧視，甚至在丈夫死後的情感世界，也被拿來大做文章，不過，再大的批評也動搖不了居禮夫人的腳步，偉大的科學家愛因斯坦（Albert Einstein）更是推崇他的精神，並稱：「在所有著名人物中，居里夫人是唯一不被榮譽所腐蝕的人。」
1934年7月4日的早晨，瑪麗亞•斯克沃多夫斯卡-居禮，因長期暴露放射線誘發白血病去世，享年六十七歲，結束她窮困但傳奇的一生，留下後世無限的懷念。

參考資料：
1.維基百科http://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%B1%85%E7%A6%AE%E5%A4%AB%E4%BA%BA
2.科學名人堂-居禮夫人http://www.bud.org.tw/museum/s_star04.htm
3.女性與科學，國立花蓮女子高級中學製作http://library.taiwanschoolnet.org/diplomacy1/csrc/c1.htm
4.「居禮們」，原著：Dennis Brian(2008)，譯者：陳可崗，第20-96頁，第108-157頁
5.「科學家和他們的瘋狂大實驗」，原著：Mike Goldsmith(2006)，譯者：林靜慧，第158-182頁
6.「居禮傳」，原著：Marie Curie(2000)，譯者：周荃等，第57-82頁
7.「影響世界的重要科學家」，謝怡慧(2005)，第155-159頁
8. http://nobelprize.org/nobel_priz … arie-curie-bio.html

以上文章引用自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

化學示範實驗：製作冰淇淋(Ice Cream)

化學示範實驗：製作冰淇淋(Ice Cream)
桃園縣私立復旦高級中學化學科陳淑媛老師/國立台灣大學化學系陳藹然博士責任編輯
炎炎夏日將要到來，消暑的最加聖品當然是冰淇淋啦！在一邊享受清涼的感覺時，一邊思考冰淇淋是如何製作吧！
一、實驗目的：
1. 學會冷劑的原理。
2. 學會冷劑的種類及製作方法。
3. 學會冰淇淋的原理。
4. 學會冰淇淋的製作方法。
二、實驗原理：
1. 冷劑：利用混合物的熔點比純物質的熔點低的原理，可以製造冷卻劑（簡稱為冷劑），最簡便的冷劑就是冰與食鹽的混合物。不同的物質混合和不同的混合比例可以得到不同的冷卻效果，例如22.4%的食鹽與77.6%的冰可達-21.2℃，59%的CaCl2•6H2O及41%的冰甚至可以冷卻到-54.9℃的低溫。
2. 冰淇淋：在牛奶冷卻凝固過程中，利用不停的攪動混入大量空氣，就會呈現冰淇淋綿密的口感。
三、實驗儀器及器材：
每人：

每組：

四、實驗步驟：
1. 將原料（蛋黃、砂糖、牛奶）充分進行攪拌。
2. 碎冰塊中加入食鹽，充分攪拌後測量其溫度。
3. 將已放入原料的罐浸泡在冷劑中，不停的刮去黏在罐壁的凝固物。以保持原料能與罐壁接觸，否則原料難以全部凝固。
五、備註：
1. 冷劑的比例要調好，可以事先多準備一些冰塊，比例最好是半籃冰塊、1/3的食鹽對1/3的水，可以讓溫度降到很低。

實驗照片：
1. 製作冷劑

2. 製作冰淇淋原料（100ml牛奶、加入1/3蛋黃、再加入糖至適當的甜度）

3. 將冰淇淋原料至入冷劑中凝固

4. 冰淇淋逐漸凝固

參考資料：
1. http://blog.sina.com.tw/e010257/ … &entryid=584883（冰淇淋製作的方法）
2. 科學小芽子網站–科學Q&A-090924
http://www.bud.org.tw/answer/0109/010924.htm（製作冷劑的方法）

以上文章引用至：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/

這吃起來有獨特的風味喔！有點像剉冰般的口感！

2012年5月18日星期五

化學示範實驗：保特瓶大炮（The Ethanol Cannon Made by a Large Plastic Bottle）

化學示範實驗：保特瓶大炮（The Ethanol Cannon Made by a Large Plastic Bottle）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
前言
你（妳）曾經看過養樂多瓶火炮或保特瓶大炮？這些化學示範不但具有娛樂性、刺激性而且富含教育性。在課堂上，同學們為此示範興奮不已，在園遊會上，此活動也有不錯的商機。此次的化學示範的裝置是利用我們生活周遭的一些器材，透過簡易的組裝而完成的。保特瓶大炮的是利用特大號的保特瓶形成一個密閉系統，點燃氣態酒精，立即產生很大的爆炸聲，同時保特瓶飛出去，達到驚奇的震撼力。
示範實驗影片
請按此連結：保特瓶大炮（The Ethanol Cannon Made by a Large Plastic Bottle），YouTube。

示範步驟

一、示範前組裝保特瓶大炮的炮台
1. 準備保特瓶大炮所需要的器材和藥品，如圖一所示。

圖一保特瓶大炮所需要的器材和藥品

2. 針對保特瓶的瓶口大小，選取一個合適大小的橡皮塞，以鑽孔器鑽孔。然後，從點火槍的前端套入橡皮塞，並且固定在距離槍管的開口約2公分處。在橡皮塞與點火槍的接觸面之處，以熱熔膠加以緊密接合，如圖二所示。

圖二鑽孔的橡皮塞套入點火槍的前端

3. 在點火槍的正極和負極的金屬位置分別連接長度1公尺以上的電線，並用膠帶黏住。然後，用膠帶黏住點火槍的負極電線與乾電池的負極，如圖三所示。

圖三點火槍的正極和負極連接電線並在負極連接乾電池

4. 用膠帶黏住點火槍的板機，使其呈扣下板機的狀態，如圖四所示。

圖四點火槍呈扣下板機的狀態

5. 固定組裝好的點火槍在一個倒置的板凳上，完成一組保特瓶大炮的炮台。然後，在點火槍的橡皮塞之處套緊一個特大號的保特瓶，如圖五所示。

圖五保特瓶大炮的炮台

6. 一隻手持點火槍的正極電線，另一隻手持乾電池。然後，點火槍的正極電線接觸到乾電池的正極，測試點火槍是否有點火的「ㄉ一、ㄉ一、ㄉ一」連續聲音。
二、表演保特瓶大炮
1. 請兩位學生搬運此保特瓶大炮的炮台到戶外的一片空地上。然後，以磚塊固定此炮台呈傾斜狀態，並且架設一個目標物，如圖六所示。

圖六固定炮台呈傾斜狀態（左下方）並架設目標物（右上方）

2. 加入約10 mL的藥用酒精到保特瓶中，並搖晃約30秒促使瓶內的液態酒精汽化成氣態酒精，並且均勻地充滿於瓶內。

3. 倒出多餘的液態酒精到一個小的塑膠瓶中，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此保特瓶造成危險。再來，套緊此保特瓶於炮台上的點火槍上。
4. 老師一支手持點火槍的正極電線，另一支手持乾電池。然後，遠離炮台處。請同學們開始倒數計時，準備發射，如圖七所示。

圖七老師準備發射保特瓶大炮

5. 在數到0時，大家一起喊「發射」，當老師接觸點火槍的正極電線到乾電池的正極時，保特瓶立即發射出去，並且發出很大的「ㄅㄤˋ」聲音，如圖八所示。

圖八當老師接觸電線到乾電池的正極時保特瓶發射出去
（紅色箭頭所指的位置）

6. 請一位同學撿回保特瓶，並且讓學生們觸摸此保特瓶的溫度，並觀察瓶內是否有液體。然後，請他們討論為何保特瓶會發射出去，並說明保特瓶發熱和產生液體的原因。

7. 接下來，讓學生們輪流操作步驟2~5，體驗發射保特瓶大炮的震撼感。
藥品與器材
1. 保特瓶（或寶特瓶）（容量5.8 L） 1個
2. 橡皮塞  1個
3. 鑽孔器  1組
4. 點火槍  1支
5. 電線（1公尺以上） 2條
6. 熱熔膠  1組
7. 乾電池（AA 1.5V） 1顆
8. 膠帶  1捲
9. 板凳  1個
10. 藥用酒精（95% Ethanol）  少許
11. 點滴瓶（或小塑膠瓶，內裝藥用酒精） 1瓶
12. 小塑膠瓶  1個
原理和概念
● 氣態酒精燃燒的反應，除了產生二氧化碳氣體及水蒸氣之外，也隨伴放出大量的熱量，如下反應式所示：

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

反應後氣體莫耳數增加，從反應物的4 莫耳相對地增加到產物的5 莫耳，因而體積也相對增加。再者，反應所產生大量的熱量導致氣體膨脹，由於這些氣體被侷限在密閉的保特瓶中，而造成壓力突然變大，使保特瓶與橡皮塞的連接處承受不住大的壓力而往外飛出去。在保特瓶往外飛出去之前，密閉的保特瓶內的氣體遵循給呂薩克定律：在一定體積的容器中定量的氣體下，絕對溫度與壓力成正比。

● 由於氣態酒精燃燒所需的反應活化能較液體酒精為低，因此其燃燒速率較快。值得注意：保特瓶大炮的氣態酒精燃燒速率比酒精燈的液態酒精為快；酒精燈的液態酒精燃燒速率比酒精塊的膠態酒精為快。

● 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，如圖九所示，並詳見參考資料7的網頁動畫。

圖九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. 以熱熔膠密封橡皮塞與點火槍接觸面，不但可以固定橡皮塞的位置，而且可以避免反應時產生的氣體漏出。

2. 由於保特瓶大炮使用的保特瓶的體積很大，噴出的熱氣也較多，威力非常強大，因此電線的長度最好1公尺以上，也必須注意發射所產生的後座力，以免被噴出的熱氣燙傷自己。

3. 保特瓶大炮的爆炸聲音非常的大，應該在空曠處點火，除了應該注意飛射出去的方向之外，往沒有人或物的方向發射。此示範實驗不適合在室內進行。

4. 為了方便攜帶藥用酒精至戶外，可以用數個點滴瓶或小的塑膠瓶裝好，以便備用。

5. 保特瓶內添加的藥用酒精不可太多，若發射成功，則可能造成寶特瓶燃燒而發生危險。一項有效的方法是先加入少量的藥用酒精到保特瓶中，並搖晃約30秒促使瓶內液態酒精汽化成氣態酒精，倒出多餘的液態酒精。

6. 在第一次發射時，有時會發生點不著而無法發射的現象，這可能是溫度太低而無法使液態酒精汽化所致。解決之道為搖晃時間增長或用熱水溫熱保特瓶。

7. 經過數次發射後，也會發生點不著而無法發射的現象，這可能是瓶內充滿反應後產生的二氧化碳所致，使得空氣含量不足。解決此問題為：（1）打開保特瓶的瓶口，在空中上下搖動多次，使瓶內二氧化碳排出。或者，（2）先用水充滿保特瓶，再甩乾瓶內的水，排出瓶內的二氧化碳，使新鮮的空氣進入瓶內。

8. 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。

9. 這個示範實驗所使用的溶液和器材可重複使用，最好裝在一個標示「保特瓶大炮」或放在相似主題的置物箱中備用，方便帶到教室上課。

問題與參考答案

1. 在保特瓶大炮發射後，觸摸保特瓶的感覺如何？瓶內是否液體產生？說明原因。寫出酒精燃燒的反應式。
答：觸摸保特瓶的感覺是熱熱的，這是因為酒精燃燒是放熱反應。
瓶內有液體產生，這是因為酒精燃燒產生水蒸氣，遇到室溫，冷卻變成液態的水。
酒精燃燒的反應式如下所示：

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

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加之和。

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. 在保特瓶大炮點火時，為什麼保特瓶會發射出去呢？
答：當酒精點火時，反應產生大量的熱量而導致氣體膨脹。由於這些氣體被侷限在密閉的保特瓶中，而造成壓力突然變大，使保特瓶與橡皮塞的連接處承受不住大的壓力而往外飛出去。

4. 除了藥用酒精，生活中還有什麼東西可以用來作為保特瓶大炮的燃料？
答：去光水（丙酮），汽油，奇異筆的添加劑，甲醇……等具高揮發性溶劑。

安全

● 橡皮塞鑽孔時，應配帶厚質手套。
● 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

● 已使用過的保特瓶垃圾分類回收。
● 搖晃保特瓶後，倒出多餘的液態酒精仍然可以繼續使用，不應該倒掉。

參考文獻

1. Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd ed., 1988, Volume 1, p 25, Washington, D.C., American Chemical Society.
2. Gay-Lussac’s law¸ http://en.wikipedia.org/wiki/Gay-Lussac’s_law.
3. Heat (enthalpy) of Combustion, AUS-e-TURE, http://www.ausetute.com.au/heatcomb.html.
4. Wikipedia-Ethanol (data page), http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol_(data_page).
5. 化學示範實驗：咻聲瓶—氣態乙醇的燃燒，高瞻計畫資源平台，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=11582。
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。

以上皆引用自：http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/