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/