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化学示範实验:烧不破的纸钞〔II〕


2020-06-19



请按此连结,参阅「烧不破的纸钞﹝I﹞」

原理和概念

● 点燃乾的纸张会燃烧起来,而点燃被水浸湿的纸张则不会燃烧。纸张浸泡过95%酒精之后点火,酒精和纸张都会燃烧起来,但是当浸泡过特定比率的酒精与水的混 合溶液之后点火,酒精会燃烧起来,但是纸张不会燃烧起来。纸张不会燃烧起来,是因为酒精燃烧放出的热提供(传导)给水,然后水吸收此热量变成水蒸气,而没 有足够的热能够使纸燃烧起来。因此,沾湿高粱酒(如50度)的纸钞,点燃后只有酒精燃烧而已,而纸钞不会燃烧起来,如图九所示。根据下面「延伸探讨」的实 验结果,47%酒精水溶液的纸面温度在176℃。依此结果推测,54度的高粱酒燃烧的纸面温度应该稍高于176℃而已,此温度是低于纸张燃烧的温度(约 230℃)。

化学示範实验:烧不破的纸钞〔II〕

图九 示範烧不破的纸钞

● 乙醇(Ethanol)是醇类的一种,是酒的主要成份,又称酒精。化学式为C2H5OH或EtOH,Et代表乙基。乙醇易燃,是常用的燃料、溶剂和消毒剂,也用于製备其他化合物。工业酒精含有少量甲醇,医用消毒酒精是浓度为75%左右的乙醇。室温下,乙醇是无色,且有特殊香味的挥发性液体。乙醇的液体密度为0.789 g/cm3,其沸点为78.4℃。乙醇可以与空气中氧气产生剧烈的氧化反应,发生燃烧现象,而生成水和二氧化碳,并放出热量,其反应如反应式[1]所示。

CH3CH2OH(l) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l) + heat    [1]

● 氯化钠是食盐的主要成分,化学式为NaCl。氯化钠是海水中盐分的主要组成部分,也用于调味料和食物防腐剂。氯化钠的固体密度为2.16 g/cm3,熔点为801℃,对水的溶解度为35.9 g/100 mL(在25℃下)。由于钠离子的焰色是黄色的,因此本示範实验加入食盐是为了使火焰发出鲜豔的黄色光,比较容易观察。

● 酒度或称酒精强度,通常是指在20℃时酒中的酒精(乙醇)的百分含量。高粱酒的酒度表示係採用国际上通用的表示法,用体积百分数或质量百分数表示,即写成 体积分数为58%。但因酒精在20℃时的密度约为0.7893,故酒精的体积百分数约为质量百分数的1.267倍,如上述的体积百分数为58%的58度 酒,换算成质量分数时仅约为48%。以酒精的质量百分数表示酒度:即100克酒中含有纯酒精度的克数。例如啤酒的酒度过去都用该法表示,即所谓3.2酒度 是指在100克啤酒中含有3.2克的纯酒精。

延伸探讨

● 为探讨不同浓度的酒精水溶液之燃烧温度,本次实验利用金属温度棒测试玩具假钞燃烧的火焰顶部温度和纸面温度。火焰顶部温度是指金属温度棒放置在玩具假钞燃 烧的火焰上方所测得的温度,而纸面温度是指金属温度棒接触到玩具假钞的上面,本实验的环境温度约为30℃,而且不同浓度的酒精水溶液都加入食盐,以利观察 燃烧火焰的位置,测试结果如表一至表四以及图十到图十三所示。

1. 95%酒精水溶液(直接使用药用酒精,95%酒精)

表一  95%酒精水溶液的燃烧温度

化学示範实验:烧不破的纸钞〔II〕

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图十 火焰顶部(左)和纸面(右)的温度

2. 71%酒精水溶液(使用混合体积3/4的药用酒精与1/4的蒸馏水)

表二  71%酒精水溶液的燃烧温度化学示範实验:烧不破的纸钞〔II〕

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图十一 火焰顶部(左)和纸面(右)的温度

3. 47%酒精水溶液(使用混合体积2/4的药用酒精与2/4的蒸馏水)

表三  47%酒精水溶液的燃烧温度
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图十二 火焰顶部(左)和纸面(右)的温度

4. 24%酒精水溶液(使用混合体积1/4的药用酒精与3/4的蒸馏水)

表四  24%酒精水溶液
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图十三 顶部没有火焰(左)和纸面(右)的温度

● 根据上述的测试结果,发现火焰顶部温度和纸面温度随着乙醇的浓度降低而降低,而且火焰顶部温度比纸面温度高出甚多。再者,当酒精浓度低于24%时是无法点 燃酒精水溶液。由于本实验未测试24%-47%酒精水溶液是否可燃,因此无法得知酒精水溶液可以燃烧的最低酒精浓度。根据上述的实验结果,47%酒精水溶 液的纸面温度在176℃。依此结果推测,54度的高粱酒燃烧的纸面温度应该稍高于176℃而已。另外,添加食盐于酒精水溶液可能会降低酒精的燃烧浓度。

教学提示

● 示範者在示範时首先要克服自己的心理障碍,虽然燃烧时的火焰会让示範者感觉有点烫热之感,但是实际上纸面的火焰温度不是很高,因此不用担心会烧伤。根据上述的延伸探讨之实验结果,推测54度的高粱酒燃烧的纸面温度应该稍高于176℃而已,因而手的感觉不会很烫。

● 在示範时,手持钞纸应该尽量使酒精燃烧的火焰朝上面或朝侧面,避免火焰上方接触到手。如果酒精燃烧的火焰朝下,那幺手容易被火焰烫到。

● 在示範时,老师向学生借用纸钞,可以增加示範的惊奇程度,引起学生注意力。在家中或餐厅表演时,也可以向亲朋好友借用纸钞。

● 本示範实验也可以延伸探讨其他不同浓度乙醇的燃烧情形,让观众能够更清楚地了解不同位置的火焰其实温度是不同的。

● 示範此实验必须注意安全,旁边不可有易燃物,示範时準备一桶水或一个灭火器,以便不时之用。

● 提醒示範者:现场演示示範实验所展现的变化现象的临场感,以及激发互动讨论的教学效果,比单纯的播放影片好很多。

● 本示範实验所使用的器材可重複使用,可装在一个标示「烧不破的纸钞」或放在相似主题的置物箱中备用。

问题与参考答案

1. 本示範过程发生什幺惊奇的现象?
答:纸钞被点燃了,但是燃烧不会使纸钞烧破。

2. 承上题,本示範涉及什幺化学原理和概念呢?
答:由于酒精燃烧放出的热提供(传导)给水,然后水吸收此热量变成水蒸气,因而没有足够的热能够使纸燃烧起来。因此,沾湿高粱酒(如54度)的纸钞,点燃后只有酒精燃烧而已,而纸钞不会燃烧起来。

3. 根据上面的「延伸探讨」,推测54度的高粱酒燃烧时纸钞的温度。
答:根据上述的延伸探讨之实验结果,47%酒精水溶液的纸面的温度在176℃。依此结果推测,54度的高粱酒燃烧的纸面温度应该稍高于176℃而已。

安全

● 示範这个实验最好戴安全眼镜及可丢弃的手套。
● 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

● 表演后剩余的酒精倒入水槽并以水沖掉即可。


参考资料

1. The non-burning £5 note, Classic Chemistry Demonstrations, http://www.rsc.org/Education/Tea … on-burning-note.asp.
2. The non-burning paper, David A. Katz, http://www.chymist.com/Nonburning paper.pdf.
3. Ethanol, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Ethanol.
4. Sodium chloride, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_chloride.
5. 酒度,http://www.kkl.gov.tw/life/life_4_a.asp?sid=59。



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