2017年7月31日 星期一

空氣成分的檢驗

好~~我知道這是一個引起筆戰的討論
但還是和大家分享好了
但我不會加入筆戰

        八年級上學期的自然科第二章進入物質的分類,早期實驗利用蠟燭在密閉容器中燃燒水位上升來說明空氣只有部分的成分具有助燃性,實驗本身的設計其實問題不大,但卻有少部分的老師將實驗結果直接引入容器進入1/5體積的水,因此空氣成分中含有1/5體積的氧氣。這樣的實驗結果要推論到空氣成分含有約1/5的氧氣其實非常不恰當,首先進入容器中的水無法明確測量體積,蠟燭也占據了一定程度的體積,再者,以蠟燭的燃燒效率也不容易將容器內部的助燃物消耗殆盡,定量的部分相對就難以測量。
        但是,再回到實驗本身的原理來看,為何容器內部分氣體被消耗掉,水就會進入容器內部?這就必須採用壓力的角度來解釋比較合適,但壓力單元卻又是下學期的內容。蠟燭燃燒後雖然消耗掉空氣中的助燃物(在此直接先以氧氣來說明),但同一時間也產生了二氧化碳,這些二氧化碳不也佔據了原本被消耗掉的氧氣體積嗎?那產生的二氧化碳體積又有多少?為何水還會進入容器中?這些問題其實還是有必要說明清楚。
        有關二氧化碳延伸出來的實驗問題,後來的教科書已經有改良成利用鋼絲絨的氧化(產生氧化鐵固體,而非二氧化碳)來避免解釋上的困擾,確實使得二氧化碳的干擾降到最低,但實驗時間卻必須拉長到數天才能明顯觀察出結果,也不太適合在課堂中即時呈現。因此,筆者嘗試改良了實驗的方式,或許仍無法作出精確的定量實驗,但方便在課堂中操作,也可以提供老師另一個教學參考。
教具設計如下








將衛生紙纏繞在鐵絲上,沾上少許酒精幫助燃燒
點燃衛生紙,等待火焰較小時再迅速蓋上廣口瓶,避免廣口瓶內的空氣熱膨脹使得實驗產生誤差
將注射軟管放入水中,再打開流量控制器,水立刻被吸入廣口瓶中,觀察吸入廣口瓶中的水量
體積約佔廣口瓶的1/5





        在稍微練習過操作技巧後,可以做出非常接近1/5的結果,但產生的二氧化碳跑到哪裡去了?
        根據美國維基百科的資料(註1),在100KPa,25℃時,二氧化碳對水的溶解度約1.45g/L,這又是多大呢?大部分的人其實對這個數字有多大並沒有明確的概念,若將二氧化碳轉化為體積,就比較容易理解了,計算的方式如下:
代入理想氣體方程式:PV=nRT
1*V=1.45/44*0.082*298
V=0.805(L)
        也就是1公升的水,約溶解0.8公升的二氧化碳。
        這樣的溶解度以氣體來說不算小,若以筆者所設計的實驗來說,在容器中利用乙醇來燃燒,反應式如下:C2H5OH+3O2→2CO2+3H2O,假設完全燃燒,且溫度變化不大,依亞佛加厥定律,體積減少約(3−2)/3*0.21=7%,因此容器內部壓力因氣體分子數變小而較外界壓力小,水就會往容器內部流動,一旦水流入容器中,產生的二氧化碳就會溶入水中,我們特別將吸入的水加入廣用試劑,從變色的情況(綠色變為黃色)就可以知道二氧化碳確實有溶入水中,使得水呈現出弱酸性的黃色,理論上有80.5%的二氧化碳溶入水中,依比例來說約有(21%-7%)*0.805=11.27%,加上原本因燃燒所減少的7%,理論上水位約上升容器體積的18.25%,和我們預期的21%仍有約有13.1%的相對誤差(註2)。
        但若將吸入的水改為石灰水,石灰水和二氧化碳會結合成固態的碳酸鈣,所影響的體積就會降低許多。
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
若產生1000cm3,1atm,25℃的二氧化碳
代入理想氣體方程式:PV=nRT
二氧化碳莫耳數=(1*1)/(0.082*298)=0.041莫耳
產生的碳酸鈣質量=0.041*100=4.1克,體積=4.1/2.8=1.46cm3
        也就是說,當二氧化碳轉化為碳酸鈣,體積約縮小至原體積的1.46/1000=0.146%,理論上水位會上升容器積體的(1-0.146%)*14%+7%=20.98%,若以相對誤差來說,約只剩下0.095%,當然這只是理論值,實際操作還有許多人為與環境的不確定因素,使得準確率下降,但卻可以讓實驗本身有更多的參考價值。

註1
http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_dioxide
註2
以上推論都是假設我們利用乙醇可以將容器內部的氧氣完全燃燒且沒有熱膨脹的情況下來討論,因此可能會因為操作技巧與外在環境等因素,導致實驗產生極大的誤差,在此僅就數學上作探討。

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