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化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

点赞:180 时间:2019-05-22 阅读量:543

前言

「黑色异形」在无名火中诞生,它虽不重,但很黑,还带点焦糖的芳香味道。此示範实验是透过不用火且突然燃烧的一连串化学反应,首先利用浓硫酸使蔗糖脱水并且放出热量,引发蔗糖与氯酸钾的激烈反应,然后引燃蔗糖而使蔗糖碳化。学生最感惊奇的是不需要点火就可以引燃蔗糖。

示範实验影片

请按此连结:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born in the Dehydration of Sugar),YouTube。

 

示範步骤

一、示範前準备

1. 取约4刮勺(约18克)的蔗糖置入研钵中,用力地研磨成细粉状。然后加入约1刮勺(约3克)的氯酸钾,轻轻地研磨此混合物成为细粉状,如图一所示。称此混合的粉末为「神奇粉末A」。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图一  研磨混合物成为细粉状(「神奇粉末」)

2. 另取约4刮勺(约18克)的蔗糖置入研钵中,用力地研磨成细粉状。然后加入约1刮勺(约6克)的氯酸钾,轻轻地研磨此混合物成为细粉状。称此混合的粉末为「神奇粉末B」。

3. 以1支PE滴管吸取约0.5 mL的浓硫酸,然后插入一支试管中,备用。放置此试管于一个锥形瓶中使之直立着而不倾倒,如图二所示,称此浓硫酸为「神秘液体」。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图二  试管中装少许的浓硫酸(「神秘液体」)

二、表演「黑色异形」的诞生

1. 携带「神奇粉末A」、「神奇粉末B」、「神秘液体」、二个空铝罐、二块铝箔和一支药匙到教室外通风处或在实验室的通风柜中。

2. 先取一块铝箔垫在教室外的地面上或通风柜的桌面上,然后取一个空铝罐倒立放置在铝箔上作为燃烧的平台。

3. 放置「神奇粉末A」于倒立的铝罐底部凹槽内,并且尽量堆成高山状,如图三所示。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图三  「神奇粉末A」置于倒立的铝罐底部凹槽内

4. 接下来,滴入一滴「神秘液体」于「神奇粉末A」上,如图四所示。滴入「神秘液体」后,PE滴管务必迅速移开,否则可能会被立即起火燃烧的蔗糖烧到。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图四  滴入一滴「神秘液体」于「神奇粉末A」上

5. 请学生注意观察变化的情形。图五至图八为「神奇粉末A」燃烧的过程以及「黑色异形」的诞生。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

 图五  「神奇粉末A」立即起火燃烧

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图六  「神奇粉末A」燃烧越来越激烈

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

 图七  在「神奇粉末A」燃烧的过程中「黑色异形」慢慢诞生

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

 图八  「黑色异形」诞生的外观

6. 重複步骤3-4,用「神奇粉末B」取代「神奇粉末A」。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图九  滴入一滴「神秘液体」于「神奇粉末B」上

7. 再次请学生注意观察变化的情形。图十至图十四为「神奇粉末B」燃烧的过程以及另一个「黑色异形」的诞生。

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图十  「神奇粉末B」立即起火燃烧且非常激烈

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图十一  「神奇粉末B」燃烧非常激烈,「黑色异形」诞生之中

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 图十二  在「神奇粉末B」燃烧过程中「黑色异形」突然诞生

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图十三  「黑色异形」诞生的外观之一

化学示範实验:黑色异形在蔗糖脱水中诞生(Alien Born

图十四  「黑色异形」诞生的外观之二

8. 请学生描述本示範实验所发生的变化现象,并且思考变化现象背后的化学原理和概念。

9. 在思考一段时间后,老师先告诉学生刚刚使用的「神奇粉末A」、「神奇粉末B」和「神秘液体」是什幺化学药品,然后老师引导学生讨论变化现象背后的原理和概念。

药品与器材

1. 蔗糖(Sucrose, C12H22O11) 3刮勺(约18克)x 2
2. 氯酸钾(Potassium chlorate, KClO3) 1刮勺(约3克)和2刮勺(约6克)
3. 药匙  2支
4. 研钵和杵  2组
5. 浓硫酸(Conc. sulfuric acid, 18 M H2SO4) 0.5 mL
6. PE滴管  1支
7. 试管  1支
8. 锥形瓶  1个
9. 空铝罐  1个
10. 铝箔(约30 cm x 30 cm) 2张

原理和概念

● 浓硫酸为常见的化学试剂,具有极强的腐蚀性,因此在使用时应该非常小心。浓硫酸亦有很强的脱水性,能使碳水化合物脱水以及留下黑色的碳,利用浓硫酸使蔗糖的脱水反应为放热反应,如反应式[1]所示:

C12H22O11(s) → 12C(s) + 11H2O(g) + 429 kJ    [1]

在本示範实验中,当浓硫酸(「神秘液体」)滴到蔗糖(「神奇粉末A」或「神奇粉末B」的成分之一)中,蔗糖立即进行脱水反应并且放出大量的热(429 kJ/mol sucrose)。

● 在反应式[1]中,蔗糖脱水放出大量的热可以达到蔗糖与氯酸钾反应的活化能使其反应,如反应式[2]所示。此反应亦为放热反应,而且放出大量的热(2029 kJ/mol sucrose),同时也发出强光。

C12H22O11(s) + 8KClO3(s) →

12CO2(g) + 11H2O(g) + 8KCl(s) + 2029 kJ    [2]

由于反应[2]的氯酸钾为限量试剂,蔗糖为过量试剂,因此在反应式[2]放出大量的热量下,过量的蔗糖继续进行脱水反应并且放出大量的热,如反应式[1]所示:

反应式[1]释放出大量的热又继续提供给反应式[2]所需的活化能,而造成连锁反应。这些反应的过程中产生的气体夹杂在黏稠状的焦糖和黑碳中,导致黑色的炭柱慢慢地形成或黑色的喷出物突然出现,此蓬鬆残渣犹如「黑色异形」出现了。

● 另外,有文献提到:氯酸钾与浓硫酸反应会产生化学性质非常活泼的氯酸(KClO3)以及硫酸钾,如反应式[3]所示:

2KClO3(s) + H2SO4(aq) → 2HClO3(aq) + K2SO4(s)    [3]

当反应式[3]所产生的氯酸遇到蔗糖时,会发生激烈的反应,并且放出大量的热量,如反应式[4]所示:

8HClO3(aq) + C12H22O11(s) → 11H2O(g) + 12CO2(g) + 8HCl(ag)    [4]

反应式[4]释放出大量的热又继续提供给反应式[1]所需的活化能,而造成连锁反应。这些反应的过程中产生的气体夹杂在黏稠状的焦糖和黑碳中,导致黑色的炭柱慢慢地形成或黑色的喷出物突然出现,此蓬鬆残渣犹如「黑色异形」出现了。

教学提示

1. 本示範实验可以讨论的主题有:硫酸的性质、氧化还原反应、气体的性质─氧气、影响反应速率的因素和反应热。

2. 教师準备时间:10分钟;课堂时间:示範实验当场研磨药品,让学生完全看到过程20分钟。

3. 在研磨蔗糖和氯酸钾混合物时,务必不可用力重击或加热,否则容易突然起火燃烧。这个示範实验也有潜在的危险性,最好由老师示範,不要让学生自己动手做。

4. 教师可以事先尝试各种比例的蔗糖与氯酸钾,以尽量增加炭渣残量以及减少实验产生的烟雾为原则。

5. 这个示範实验的反应非常剧烈并伴随强光、浓烟及炭渣喷溅,教师示範必须在教室外通风处或在实验室的通风柜中进行,也要提醒学生切勿靠近。示範此实验的旁边,必须準备一具灭火器,以备不时之需。

6. 此示範实验涉及燃烧反应而产生的大量烟雾,有可能引发消防警报大响,请务必事先了解,採取因应措施或知会相关单位。

7. 若浓硫酸存放时间过久,则可能因吸收水气而浓度下降,导致示範效果不佳。如有此疑虑,示範前应该事先测试以确保实验顺利进行。

8. 在示範前,若「神奇粉末A」和「神奇粉末B」以纸张分别包妥并注明,而且用滴瓶装少许的「神秘液体」并用标籤注明,则更容易创造歧异事件,引起学生的好奇,激发学习的兴趣。

9. 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。

10. 这个示範实验剩余的浓硫酸应该用橡皮塞塞紧试管,药品和器材可重複使用,最好装在一个标示「黑色异形在蔗糖脱水中诞生」或放在相似主题的置物箱中备用,方便上课之用。

问题

1. 滴入「神秘液体」滴到「神奇粉末A」中发生什幺现象?
2. 滴入「神秘液体」滴到「神奇粉末B」中发生什幺现象?
3. 浓硫酸(「神秘液体」)如何引起燃烧反应?
4. 为什幺黑色的炭柱会慢慢地形成或黑色的喷出物会突然出现?

安全

1. 示範这个实验必须戴安全眼镜及可丢弃的手套。
2. 示範这个实验实行适当的风险评估是老师的责任。

参考资料(撷取日期:2010年8月)

1. How To Perform the Instant Fire Chemistry Demonstration, About.com, http://chemistry.about.com/od/de … /ht/instantfire.htm.
2. Potassium Chlorate and Sugar: Instant Fire, http://www.angelo.edu/faculty/kb … re/instant_fire.htm.
3. Shakhashiri, B.Z. Chemical Demonstrations, A Handbook for Teachers of Chemistry, University of Wisconsin Press: Madison, WI, 1983; Vol. 1, pp. 77-78.
4. Potassium chlorate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Potassium_chlorate.
5. Sugar Dehydration Without Sulfuric Acid, http://www.chem.umn.edu/services … ar_dehydration.html.
6. 浴火重生的黑魔龙,李俊颖,http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/7李俊颖6.pdf。 

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