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气化主操
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化学示範实验:烧不破的纸钞〔II〕? ● 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℃)。 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C 2 H 5 OH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/cm 3 ,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。 CH 3 CH 2 OH( l ) + 3O 2 ( g ) → 2CO 2 ( g ) + 3H 2 O( 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/cm 3 ,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 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 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 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 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,那么手容易被火焰烫到。 ● 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. 本示範过程发生什么惊奇的现象? 答:纸钞被点燃了,但是燃烧不会使纸钞烧破。 2. 承上题,本示範涉及什么化学原理和概念呢? 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。 查看更多
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羧酸与氨基酸缩合? 活性酯反应试一下 哪个活性酯啊??? 查看更多
化学情境试题:过火,是神话还是科学?(Firewalking: Myth or Science?)〔I〕? 在回答问题之前,首先请你阅读与本试题有关的情境描述,以增加你对本试题背景知识的了解;然后思考问题解决的策略,并且写下你的答案;最后用我们提供的参考答案检查你的答案是否正确。 情境描述 生长在台湾的我们,常见庙会活动,炮声响彻云霄,锣鼓震天价响,信徒夹道烧香祈福,所到之处皆掀起一片欢腾热潮。接着点燃煤炭,烈火高温驱退了围观的人潮,当火焰化为漫延数尺的炭床余烬,满满人潮又淹没了广场,先锋先将驱赶了靠近高温炭床的人群,开出一条路。接下来,重头戏登场—过火(firewalking),抬轿的轿夫赤脚走过高温的炭床(图一),跟随过火的民众亦赤脚踏过,现场的气氛让人感到震撼,可是却没有人因此受伤,是信仰的虔诚庇护双脚?是神明的威灵展现魔法?还是单纯的科学? 图一:庙会的过火仪式 图片来源:谢一麟,http://www.flickr.com/photos/tragicomedy1979/3076235287/ 理论上,只要控制得宜,赤脚行走于高温的炭床上其实是安全的。因为脚板的皮肤比人体其它部份厚二十五倍,所以行得快就不会烧伤脚板的皮肤。再者,人体组织中含有大量的水,水具有高的比热,热传导不易。若要急遽改变脚底的温度,则炭床需要提供大量的热能。然而每一次踏步,脚板与炭堆热流传递时间短暂,以至于温度上升未高达到烧伤脚板的程度。 此外,炭床的表面虽然温度高,但其红热的部分非常薄,其实具有的热能并没有想像中多。温度与热能有何差异性?温度是在一特定的物体中随机动能的强度,与物质的质量无关;热能的高低则与物质质量有关,如10克的物质所具有的热能比同温度下1克的物质来得多,所以像使用打火机时,微量的火花伤不了你的手,儘管火花具有相当高的温度,但因为火花质量非常小,不足以传递足够的能量烧伤你的手,同样的道理可用于解释过火时高温却薄层的炭床。还有,煤炭及煤灰的热传导性差,导致热传导的速率慢。 过火的炭床有烧煤炭,也有烧木炭,长度有长有短,通常4-5公尺,最长达36公尺。使用煤炭或木炭的量多寡不一。大多数的纪录,过火发生在约550℃的煤炭上,也有纪录有人行走在1000℃的高温上。 在台湾,过火是历史悠久的民俗庙会活动,有其文化价值,值得保存传承。然而,我们以不同的角度观之,过火的活动也有能源消耗和环境污染的问题。 在此,提供一些科学的基本资料,以便用于「情境试题」的解题。 ? 脚底皮肤有表皮与真皮两层,真皮下有一层皮下脂肪。整体来说,皮层和脂肪层平均比热(specific heat capacity)分别为3.662 kJ/kg?K和2.973 kJ/kg?K,密度分别为1.010 g/cm 3 和0.920 g/cm 3 。 ? 水的比热和密度分别为4.184 kJ/kg?K和1.000 g/cm 3 。 ? 无烟煤含C、H、O和S元素之重量百分比分别为大于91.5%、小于3.75%、小于2.5%和约1%。 ? 煤的燃烧热可以用热值表示,无烟煤(Anthrazit)的高热值(higher heating value,HHV)为27.00 MJ/kg,比热为1.26 kJ/kg?K。 ? 煤的燃烧热也可以用电能的单位表示,1 kWh = 3.60 MJ,无烟煤的能密度(energy density)为7.50 kWh/kg。 ? 碳的原子量为12.01 g/mol,二氧化碳的莫耳质量为44.01 g/mol。 ? 美国能源情报署(Energy Information Agency)1999年对发电的CO 2 排放报告,燃煤电厂二氧化碳排放的低值规定为0.963 kg CO 2 /kWh。 情境试题 1. 根据「情境试题」,过火时赤脚行走于高温的炭床上而不会灼伤,下面的叙述何者正确?(多选题) (A) 行走快速,接触炭床的时间短,导致传导的热量少。 (B) 脚板有厚皮肤,具低的热传导性,导致热传导的速率慢。 (C) 脚底的组织含有水,水具有低的比热,导致温度改变不大。 (D) 煤炭及煤灰的热传导性差,导致热传导的速率慢。 (E) 炭床红热的部分非常薄,虽然温度很高而且所含热量也很多,但是热传导的速率慢。 2. 下面的作法是否会导致在过火时增加灼伤的风险?并以科学的角度说明之。 (1) 过火前在炭床上遍撒大量盐巴。 (2) 过火前在炭床上遍撒一些铁珠。 (3) 过火时在炭床上脚尖踮高行走。 (4) 过火时在炭床上快速跑步(非快速行走)。 (5) 过火前先擦乾脚底的汗水。 (6) 过火前脚底先沾少量的水。 (7) 过火前在炭床的红热部分先洒少量的水。 (8) 过火前在炭床的非红热部分先洒少量的水。 3. 过火时,一单脚总面积2.0 x 10 2 cm 2 的脚底陷于炭床0.20 cm,炭床热源提供的功率为271 W。根据「情境试题」提供的资料,计算过火时单脚踏在高热的炭床3.0秒内的温度变化。(假设过火时无其他能量散失;而且为简化计算,假设脚底皮层与脂肪组成各占一半。) 4. 用煤发电的典型热力学效益(typical thermodynamic efficiency)为30.%。根据「情境试题」提供的资料,若一次过火时使用20.0 kg的无烟煤,则此煤可以产生多少电能?可以使3.6 W的LED灯球发亮多少天? 5. 根据「情境试题」提供的资料,若一次过火时使用20.0 kg的无烟煤,则此煤至少排放多少公斤的CO 2 ?此排放值符合美国能源情报署的CO 2 排放低值规定吗? 6. 根据「情境试题」提供的资料,回答下面的问题。 (1) 无烟煤完全燃烧含有哪些气体产物(除氢外各原子氧化数最高的产物)? (2) 在无烟煤完全燃烧的气体中,哪一种气体会造成温室效应(greenhouse effect)? (3) 在无烟煤完全燃烧的气体中,哪些气体会造成酸雨(acid rain)?写出形成酸雨的平衡反应式。哪一种气体对酸雨的影响最大?说明原因。 (4) 写出光化学烟雾(photochemical smoke)形成的过程。在无烟煤完全燃烧的气体中,哪一种气体是造成光化学烟雾的关键气体? 连结:过火,是神话还是科学?(Firewalking: Myth or Science?)〔II〕 参考资料 (以下网页撷取日期:2010年5月) Firewalking, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Firewalking. Firewalking Myth vs Physics, http://www.pitt.edu/~dwilley/Fire/FireTxt/fire.html. Firewalking, http://www.williamjames.com/Folklore/FIREWALK.htm. A FIREWALKING THEORY THAT CAN BENEFIT EVERYONE, http://www.firewalking.com/firewalkingTheory.jsp. FIREWALKING, http://www.et.byu.edu/~vps/ME340/PROJECTSW07/17.ppt. Heat of combustion, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Heat_of_combustion. Coal, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Coal. 查看更多
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求助LFA测试? 我们这里可以测导热系数,需要请站内私信留言联系我们 查看更多
简介
职业:北京百达先锋气体科技有限公司 - 气化主操
学校:成都理工大学 - 核技术与自动化工程学院
地区:黑龙江省
个人简介:真正的科学家应当是个幻想家;谁不是幻想家,谁就只能把自己称为实践家。查看更多
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