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興奮的熱水---低壓力低沸點
by yangsp, 2011-04-29 22:32:48, 人氣(9240)

中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:謝孟樺 N1240005】  【編修者:楊水平


興奮的熱水---低壓力低沸點

簡介
 
用冰塊冷卻水蒸氣,降低密閉系統的壓力,使水在100℃以下沸騰。

示範步驟

1. 取一個錐形瓶裝約三分之二的水,滴入數滴紅墨水 (或食用色素), 在電熱板上加熱直到沸騰。
2. 電熱板上取下錐形瓶, 立即地用橡皮塞密封錐形瓶,如圖一所示。
3. 用隔熱手套倒置此錐形瓶在一個燒杯中,如圖二所示。
4. 放數塊冰塊在倒置的錐形瓶底部上,不久之後有再沸騰的現象,如下圖三所示。
圖一  水沸騰後用橡皮塞密封錐形瓶 圖二  錐形瓶倒置水不沸騰
 加冰塊於錐形瓶底部水再度沸騰

請按此連結:興奮的熱水---低壓力低沸點,YouTube。

(拍攝者:吳政隆和謝孟樺;影像製作和轉檔者:李忠家;影片後製作:陳薇婷

 

溶液和器材

1.
250 mL 錐形瓶一個以及合適的橡皮塞一個。
2.
500 mL燒杯一個。
3.
電熱板一個。
4.
紅墨水 (或食用色素)數滴。
5.
冰塊數小塊。
6.
隔熱手套一雙或抹布一塊。

原理和概念

1. 在一大氣壓下,水加熱至沸騰會產生 760 mm Hg 的水蒸氣,此時用橡皮塞把容器密封起來,該容器中的液面上充滿水蒸氣。用冰塊能夠急速地凝結水蒸氣成為液態的水,使水面上的水蒸氣壓下降。 當壓力下降,水變成水蒸氣的氣泡而呈現沸騰的現象。
2.

以下為水的相圖,英文翻譯中文:Pressure (壓力); Temperature (溫度); Liquid (液體); Solid (固體); Vaporization (蒸發); Condensation (凝結)。Source: Phase Diagram Water, Physical Chemistry (Accessed on 2011/04/29).

 

圖四   水的相圖(The Phase Diagram Water)

左下方的粗黑點為三相點 (triple point):0.0098℃0.006 atm (4.56 mmHg)一大氣壓下 水的凝固點0℃,正為 l00℃。 壓力 (Pressure) 愈低,水的沸點 (Boiling point) 愈低壓力為 433 mmHg 時, 水沸點為 85℃。

3. 每上升 1 公里,因為氣壓降低,水的沸點就會減少 3℃。以此算法,到 21 公里的高處,用體溫就可把水沸騰了!

教學提示

1. 倒置錐形瓶時,務必使用隔熱良好的手套或抹布,避免發生危險。
2. 加紅墨水數滴於水中,示範此實驗易於觀察。
3. 選用大小適中的橡皮塞塞住錐形瓶 的瓶口,勿使用太緊的塞子,否則實驗完畢後無法拔出。建議塗抹凡士林以增加密合度與潤滑性。

問題和參考答案

1. 一開始倒置錐形瓶,還沒放上冰塊前所產生的氣泡,是沸騰現象嗎?
答: 不是。此時錐形瓶剛移開電熱板,溫度下降不會很多,不足以使大量的水蒸氣凝結成水。此時產生的氣泡來自於空氣,此空氣原先置於錐形瓶的瓶口與橡皮塞接觸之處。一般 地,裝有半滿水的瓶子倒置時就有氣泡產生的現象。
2.  倒置的錐形瓶,為什麼放上冰塊後水會再度沸騰?
答: 由水的三相圖可知:壓力越大,水的沸點越高;壓力越小,水的沸點越低。當放上冰塊於錐形瓶底部後,瓶內的水蒸氣急速凝結成水,使水面上 的水蒸氣壓急速下降,而導致水的沸點下降,如此就出現再沸騰的現象。
3. 從這個實驗你可以推知高山煮飯與平地煮飯有何不同?
答: 高山上空氣較稀薄,大氣壓力較小,水的沸點較低,易導致加熱溫度不足而使得飯易煮熟。

參考資料

1. Summerlin, Lee R. and Borgford, Christie L. and Ealy, Julie B.,Chemical Demonstrations: a Sourcebook for Teachers, 2nd ed., 1988, Volume 2, p 24-25, Washington, D.C., American Chemical Society.
2. Phase Diagram Water, Physical Chemistry (Accessed on 2011/04/29).

適用程度

ˇ國民小學 ˇ國民中學 ˇ高級中學 大學普通化學

安全

 ● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 ● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。
 

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