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化学示範实验:魔术玻棒点燃蜡烛和仙贝(Candle and

点赞:426 时间:2019-05-22 阅读量:371

请按此连结,参阅「魔术玻棒点燃蜡烛和仙贝﹝I﹞」

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,当浓硫酸滴到蔗糖中,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。这些连锁反应产生大量的热而造成高温,足以点燃蜡烛的烛蕊,然后继续燃烧蜡烛。

● 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。这些连锁反应产生大量的热而造成高温,足以点燃蜡烛的烛蕊,然后继续燃烧蜡烛。

● 蜡烛由石蜡(paraffin wax)製造而成,石蜡是指烷烃(alkanes)的混合物,其通式为CnH2n+2,20 ≤ n ≤ 40。石蜡为白色、无臭、无味、蜡状固体,具有典型的熔点约47-64℃。石蜡完全燃烧的反应如反应式[5]、[6]和[7]所示:

2C20H42 + 61O2 → 40CO2 + 42H2O + heat    [5]

C25H52 + 38O2 → 25CO2 + 26H2O + heat    [6]

2C36H74 + 109O2 → 72CO2 + 74H2O + heat    [7]

● 在点燃仙贝(米果)的示範中,氯酸钾与浓硫酸反应会产生化学性质非常活泼的氯酸及硫酸钾,如见反应式[3]。当反应式[3]所产生的氯酸遇到澱粉时,会发 生激烈的反应,并且放出大量的热量,类似反应式[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。这些连锁反应 产生大量的热而造成高温,足以点燃仙贝并继续燃烧。因此,不需蔗糖也可以燃烧仙贝。

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、反应热。

2. 这个示範实验以製造惊异的效果为主要目的。教师準备时间:20分钟(包括準备药品与器材以及研磨药品);课堂时间:示範实验以幽默神奇方式呈现约5分钟示範。

3. 在研磨蔗糖和氯酸钾时,由于氯酸钾为强氧化剂,因此不可与其他还原物质摩擦,也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. 神奇蜡烛最好用刚挖掉的蜡烛小碎块轻轻地盖上蔗糖和氯酸钾的混合物,以避免学生看到烛蕊旁填充的白色药品,降低惊奇的效果。示範前,最好不让学生知道使用的药品,以利创造歧异事件,引起学生好奇,激发学习的兴趣。

5. 这个示範实验的反应非常剧烈并伴随强光,少许的浓烟及炭渣喷溅,教师必须提醒学生切勿靠近。此示範实验有火产生,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,则可能因吸收水蒸气而浓度下降,导致示範失败。如有此疑虑,示範前应该事先测试以确保实验顺利进行。

8. 蜡烛的烛蕊上如有残留过多的石蜡,可能使点燃失败。再者,蔗糖与氯酸钾混合比率约2:1,过多的氯酸钾会使燃烧时间缩短,而无法及时地点燃烛蕊。

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「魔术玻棒点火蜡烛和仙贝」或放在相似主题的置物箱中备用,方便上课之用。

问题

1. 「魔术玻棒」点到「神奇蜡烛」的烛蕊会发生什幺现象?
2. 「魔术玻棒」点到「神奇仙贝」会发生什幺现象?
3. 为什幺「魔术玻棒」能够点燃「神奇蜡烛」?
4. 为什幺「魔术玻棒」能够点燃「神奇仙贝」?

安全

● 示範这个实验必须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。

参考资料

1. Paraffin, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Paraffin.
2. How To Perform the Instant Fire Chemistry Demonstration, About.com, http://chemistry.about.com/od/de … /ht/instantfire.htm.
3. Summerlin, Lee R. and Ealy, Jr., James L., Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd Ed., 1988, Volume 2, pp 107-108, Washington, D.C., American Chemical Society.
4. Shakhashiri, B.Z. Chemical Demonstrations, A Handbook for Teachers of Chemistry, University of Wisconsin Press: Madison, WI, 1983; Vol. 1, pp. 77-78.
5. 咦!蜡烛怎幺自己亮起来啰!中学化学示範实验,http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26450。

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