熱冰---結晶後的過飽和醋酸鈉溶液

簡介

配製一過飽和醋酸鈉溶液，當加入醋酸鈉的晶體時，就會立即結晶，而此結晶會充滿整個錐形瓶，其樣子就像水結冰似的，而且用手摸時會有熱熱的感覺，故稱其為「熱冰」。

示範步驟

1.	取一 250 mL 之錐形瓶，裝 50 mL 的蒸餾水，加入醋酸鈉使其溶於水中，直到無法溶解為止。
2.	在錐形瓶內再多加一倍量的醋酸鈉，然後放到電熱板上加熱使其完全溶解，造成過飽和溶液。
3.	將溶解完的醋酸鈉溶液，用少許的蒸餾水清洗錐形瓶的內壁之醋酸鈉，再放到室溫下，使其慢慢地冷卻，若無其他因素，應可成過飽和的溶液，如圖一所示。
4.	在做好的過飽和醋酸鈉溶液中，加入一些醋酸鈉晶體，會使溶液迅速的結晶，並會放出大量的熱量，如圖二所示。
註：步驟1~3可先在上課前先完成，較不會耽誤上課的時間。

圖一	圖二

溶液和器材

1.	醋酸鈉約四分之一瓶。
2.	蒸餾水少量。
3.	電熱板一個。
4.	250 mL 錐形瓶一個(盡量洗乾淨)。
5.	面紙若干。
6.	滴管一支。

原理和概念

1.	此反應的反應式為：CH3COONa•3H2O(s) + nH2O(l) <==> CH3COO-(aq) + Na+(aq) + (3+n)H2O
2.	由反應式可知，過飽和溶液中含有醋酸根離子、鈉離子和水分子，當我們加入醋酸鈉晶體時，便給予溶液一種趨力，使其結晶。
3.	要使過飽和的醋酸鈉結晶有三個條件：動能、機率和方位。而我們加入醋酸鈉晶體，是提供其結晶時所須之機率和方向的條件。
4.	由反應式可知，當溶液中的粒子結晶時，即反應向左進行，會放出熱，這就是為什麼錐形瓶摸起來會熱熱的原因。
5.	在物理化學裡，飽和溶液是一種物質不能夠再溶解更多物質的溶液而且加入額外量的物質將呈現沈澱。若溶液中有雜質存在，則造成溶液為不飽和而且能夠溶解更多的物質，此種溶液變成過飽和溶。

教學提示

1.	製備醋酸鈉的飽和溶液的錐形瓶內不可有其他的髒東西，且因為藥品有時可能因不純的緣故會有雜質的存在，在加熱的過程中，可利用滴管將錐形瓶中的雜質吸出。
2.	加熱的過程中，不可使溶液沸騰。
3.	移動已準備好的過飽和溶液時，要小心的移動，不可使其搖動過於激烈，否則可能會在移動的過程中產生結晶，而功敗垂成。
4.	此醋酸鈉過飽和溶液可以重複使用，當其結晶之後，再加熱後使其慢慢地冷卻，便可恢復成原來的過飽和溶液，因為加熱可使反應向右進行，使晶體溶解在水中，呈離子的狀態。
5.	市面上有一種稱為熱敷包的東西，即是應用此原理而製造出來的，在示範此實驗時，可拿來給學生看或示範之。

問題和參考答案

1.	試解釋為何飽和醋酸鈉溶液在結晶時，摸起來會熱熱的？
答:	由下面的反應式可知，當其結晶時，反應是向左進行，因為會放出熱量，故摸起來會熱熱的。  CH3COONa•3H2O(s) + nH2O(l) <==> CH3COO-(aq) + Na+(aq) + (3+n)H2O

參考資料

1.	Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd Ed., 1988, Volume 2, pp 121~122, Washington, D.C., American Chemical Society.
2.	Ebbing, Darrell D. and Wrighton, Mark S. General Chemistry, Third Edition, 1990, pp 460-463, Houghton Mifflin company, Boston. 以上文章引用自： http://blog.ncue.edu.tw

<Note>

摸起熱熱的喔，隨著濃度越濃，放熱越多，因為此溶質溶解為放熱。亦有人將此實驗稱為"冰凍神指"!下次不妨便個魔術給大家看看吧!

攜出的原由為手上的不規則碎屑，但效果並不顯著。改用溶質晶體做為晶種會好些。

太濃會出現白色混濁為正常現象。

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

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

水中生火！這是一件多麼神奇的事啊…。本示範實驗利用常見物品，以簡單安全的方法製備兩種氣體（乙炔和氯氣），並同時注入這兩氣體到裝水的寶特瓶中，當這些氣體在水中相遇時，便會產生驚人的火花而且燃燒起來，還有爆鳴聲，就如同水中煙火般的壯觀，可說是驚心動魄。

示範實驗影片

請按此連結：利用常見物品設計水中生火（Underwater Fire with Common Items），YouTube。

示範步驟
一、示範前裝置組合及氣體製備

1. 手持一支注射針頭在粗砂布上，以來回旋轉方式直到針頭被磨平，以防止針頭刺傷皮膚。本示範實驗需用到兩支磨平的針頭。

2. 取一個約2000 mL的大寶特瓶，於瓶身底部約三分之一處，以美工刀鑽兩個小孔洞，兩小孔洞的距離約為5 ~7公分。再分別塞入兩支注射針頭在小孔洞中，並以熱熔膠填補寶特瓶與注射針頭之間的孔隙，以防止其漏水，如圖一的A和B兩點所示。在熱熔膠未冷卻之前，調整兩支注射針頭的尖端處儘量可能地靠近，如圖一的C點所示。）

圖一 插入兩支注射針頭在寶特瓶的小孔洞中

3.在步驟2的大寶特瓶之瓶蓋鑽一個孔洞，然後套入一條橡皮管，如圖二所示。

圖二 寶特瓶的瓶蓋套入橡皮管

4. 乙炔氣體的製備

(1) 拔出一支容量50 mL的塑膠注射筒之活塞，在注射筒中放入一小粒的電石，然後塞入活塞到注射筒中，並推活塞到注射筒的底部。
(2) 插入此注射筒到一個裝水的燒杯中，再抽取約 50 mL 的水。
(3) 當水與電石接觸時，立即產生乙炔氣體，此時持注射筒的開口朝下，以利產生乙炔時排出水，如圖三所示。
(4) 在注射筒內收集滿乙炔氣體後，插入此注射筒在步驟2的注射針頭中，備用。

圖三 利用注射筒製備乙炔氣體

5. 氯氣的製備

(1) 持另一支容量50 mL的塑膠注射筒，先抽取25 mL的1 M稀鹽酸，再抽取約15 mL的含次氯酸鈉的漂白水。
(2)當稀鹽酸與漂白水中的次氯酸鈉接觸時，就會立刻產生氯氣。輕輕地搖動此注射筒，以利氯氣的反應和收集，如圖四所示。為避免吸入逸散的氯氣，製備時應該插入此注 射筒到一個含有1 M氫氧化鈉溶液的小寶特瓶的瓶口中，氫氧化鈉會與氯氣反應，而不會逸散出來。
(3) 在收集氯氣後，迅速地插入此注射筒在步驟2的注射針頭中，備用。

圖四 利用注射筒製備氯氣

6. 在大寶特瓶中裝約九分滿的水，並緊閉瓶蓋，如圖五的右邊寶特瓶所示。在小寶特瓶中裝約半滿的1 M氫氧化鈉溶液，然後橡皮管浸入此溶液中，如圖五的左邊寶特瓶所示。完成「水中生火」的裝置。

圖五 小寶特瓶內裝氫氧化鈉溶液，大寶特瓶內裝水。

二、表演“水中生火”

1. 兩隻手同時握住兩支塑膠注射筒，並且同時注入乙炔氣體和氯氣到寶特瓶的水中，如圖六所示。此時立即可見有火團產生，並發出「嗶嗶啵啵」的聲響，如圖七所 示。同時也有碳之微粒伴隨產生而漂浮於水面，如圖八所示。注意：擠壓乙炔的速率要稍微比氯氣的速率快些，以確保氯氣與乙炔在水中完全反應。

圖六 同時注入乙炔氣體和氯氣到寶特瓶的水中

圖七 注入兩氣體到水中有火團產生

圖八 有碳之微粒伴隨產生而漂浮於水面

藥品與器材

1. 大寶特瓶（容量2 L）  一個
2. 小寶特瓶（容量600 mL）  一個
3. 美工刀  1支
4. 熱熔槍  1支
5. 工作手套  1雙
6. 橡皮導管  1條
7. 燒杯（100 mL）  4個
8. 乳膠手套  1雙
9. 塑膠注射針筒（含注射針頭，容量50 mL）  2組
10. 粗砂布  1塊
11. 電石（碳化鈣，CaC₂，calcium carbide）  少許
12. 漂白水（含次氯酸鈉溶液）  少量
13. 無煙鹽酸（家用洗廁劑）  少量
14. 氫氧化鈉溶液（用水稀釋馬桶疏通劑10倍）  300 mL

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.

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