中學化學示範: 自製簡易蒸餾裝置進行示範教學 / 李俊穎

星期六 , 9, 5 月 2020 Leave a comment

中學化學示範:
自製簡易蒸餾裝置進行示範教學

 

李俊穎

新北市立光復高級中學
jimmyli819@yahoo.com.tw

  • 前言

面對新課綱的高中化學課程,在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自科學領域課程綱要」中,有提到主題「物質的結構與功能C」和副主題「物質的分離與鑑定(Ca」,以及相關的學習內容「CCa-c-1混合物的分離過程與純化方法:蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」。為配合108課綱的學習內容,筆者設計一個利用家用物品組裝簡易的蒸餾裝置,在教學方法上以師生互動對話討論的方式進行示範教學,在問與答之間引導學生觀念的建構,在操作與觀察之中思考其中的原理。此示範教學也配合手機直播的方式讓在教室遠方的學生方便觀察細微的現象。

筆者規劃約15分鐘的演示教學內容,分為三個部分:第一部分由生活常見的米酒、高粱酒切入,並且透過點火說明米酒的酒精濃度不足以直接點燃;第二部分利用自製的簡易蒸餾裝置展示蒸餾的過程並藉此說明其原理;最後一個部分則以食鹽的溶解度粗略地判斷酒精的濃度,並以咻聲瓶的點火作為結尾。

  • 示範教學影片欣賞

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影片網址:自製簡易蒸餾裝置進行示範教學,https://www.youtube.com/watch?v=z0iMuc_j52E

  • 器材與藥品

l 器材:塑膠水盆 2個、寶特瓶(標籤撕掉) 2個、電工膠布 1捲、空鋁罐 5個、燒杯(50 mL4個、燒杯(250 mL1個、燒杯(1000 mL1個、塑膠滴管 5隻、水果叉(或蛋糕叉)數隻、藥勺  1隻、冰塊(冰浴用)適量、食鹽適量。

l 藥品:料理米酒1瓶、58°高粱酒 1瓶、酒精(95%1瓶。

l 視訊直播器材:手機 1隻(可連線網路,筆者以自己的臉書帳號直播)

  • 示範教學過程

階段一:    酒類介紹與可燃性示範

1.    首先,教師在桌面上擺放「料理米酒」和「金門高粱酒」兩種家庭常見的酒類,藉此吸引學生的目光並且引導學生思考這兩種酒的差異。在此階段大多數的學生可以透過瓶身的標示說出酒精濃度的差異,引導學生觀看標籤,米酒的酒精濃度大多落在19~22%,高粱酒大多為58%,如1所示。

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1:陳列米酒和高粱酒給學生觀察並引導討論酒精濃度的差異。

2.    接著,讓學生猜測米酒與高粱酒何者可以點火燃燒。教師利用鋁罐倒立的凹槽作為燃燒平台,分別倒入少量的米酒和高粱到兩個鋁罐凹槽,以點火槍點火,並請學生仔細觀察何者可以著火燃燒,此時暫時關閉教室的電燈會更有助於觀察,如圖2所示。

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2:以點火槍點燃米酒(在白色鋁罐凹槽內)和高粱酒(在黃色鋁罐凹槽內),高粱酒可以點燃,米酒則否。

3.    教師帶領學生討論上述點火實驗的結果,此階段大多的學生會了解酒精濃度是能否著火的關鍵,但可能不太清楚可以燃燒的酒精臨界濃度,此時示範教師可以口頭說明需要40%以上(大多文獻資料提到50%或以上)的酒精濃度才能順利點火燃燒,因此米酒無法點燃,高粱酒則可以燃燒。

階段二:    自製簡易的蒸餾裝置

1.    首先,請學生仔細觀察教師的示範,並且提示觀察現象與稍後的問題討論相關。此時教師取出兩個燒杯,並於其中一個燒杯內倒入80毫升的95%酒精,此時可邀請一位學生取另一個燒杯裝滿自來水,接著倒入自來水到裝有酒精的燒杯中,以水稀釋酒精至刻度約200毫升處,此時教師詢問學生酒精濃度的改變,最終稀釋的酒精濃度約落於30~40%之間。

2.    隨後,教師取出兩個寶特瓶(標籤撕掉),倒入上述的酒精溶液到其中一個寶特瓶內,拿起另一個寶特瓶請學生仔細觀察瓶內有無液體,教師強調瓶內是乾燥的並無其他液體成分。此時教師邀請另一位學生協助將兩個瓶子的瓶口對接在一起,裝有酒精溶液者為下瓶,空瓶子為上瓶,如圖3所示。

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3:教師說明蒸餾裝置的架構(左);邀請學生協助組裝蒸餾裝置(右)。

3.    以電工膠布纏繞兩個寶特瓶的瓶口對接處,待螺紋處都纏繞一圈膠布後,小心地扳彎折上方的寶特瓶,使之產生一點的角度,再纏繞數圈膠布。扳動瓶身加大彎折角度,再次纏繞數圈膠布。重複上述步驟直至兩個瓶身的夾角約120°,如圖4所示。

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4:在組裝蒸餾裝置時,邊纏繞邊彎折做出夾角,直到兩瓶瓶身的夾角約120°

4.    取出兩個塑膠盆,下瓶端(裝酒精溶液者)浸泡在熱水浴中並蓋上兩條抹布以利保溫,上瓶端(空瓶)浸泡冰水浴中,完成蒸餾裝置如圖5所示。在完成組裝裝置後。引導學生思考此裝置的組裝用意為何,並且藉此討論蒸餾的原理。

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5:自製簡易蒸餾裝置的組裝(左);組裝完成蒸餾裝置的外觀(右)。

5.    在等待蒸餾的同時,教師引導學生討論蒸餾的關鍵是利用沸點的差異分離物質。此時教師取出另一個空寶特瓶,倒入約20毫升的米酒,蓋上瓶蓋後浸泡於熱水浴中。討論過程中教師引導學生回憶裝置組裝過程,並請同學嘗試提出見解,在12分鐘後教師取出在熱水浴中的寶特瓶並打開瓶蓋,邀請學生以點火槍朝向瓶口點火,便可觀察到漸層的火焰由瓶口燃燒至瓶底,並發出咻聲(咻聲瓶),如圖6所示。

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6:寶特瓶內裝20毫升米酒,浸泡瓶身到熱水浴中(左);點燃米酒蒸出的酒精蒸氣,進行咻聲瓶的示範(右)。

6.    在咻聲瓶實驗結束後,教師引導學生思考原本無法燃燒的米酒,為什麼在浸泡熱水後,產生容易燃燒的蒸氣,藉此引導學生推理出蒸餾裝置的蒸餾原理。

階段三:    蒸餾液與酒精濃度的檢驗

1.    在等待蒸餾液產生的同時,教師取出四個鋁罐並倒置在桌上,拿出食鹽以藥勺(小端)各取一平匙的食鹽放置於鋁罐凹槽處,分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒、酒精(95%)。,如圖7所示。

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7:取一平匙的食鹽,分別放置於4個鋁罐的凹槽(左);分別滴入1毫升的水、米酒、高粱酒及95%酒精(右)。

2.    邀請四位學生以拋棄式水果叉仔細攪拌,請學生仔細觀察食鹽的溶解情形。由於食鹽溶解情形不太容易觀察,因此在情況,教師可以使用手機以直播的方式拍攝特寫,讓在教室遠方學生可以在網路上同步觀察食鹽的溶解情形,如8-9所示。

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8:學生以水果叉攪拌溶液觀察食鹽的溶解情形(左);透過手機直播特寫細微現象,讓更多學生能同時觀看(右)。

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9:在示範的影片中,以子母畫面插入手機直撥的特寫畫面,有助於呈現較細微的觀察。

3.    在攪拌完畢後,請學生觀察食鹽的溶解情形。食鹽幾乎完全溶解在水中,而幾乎完全沒有溶解在95%酒精中,未溶解的食鹽量(由少到多)依序為水、米酒、高粱酒、95%酒精,如圖10所示。

clip_image036[4] 10:以一平匙的的食鹽溶解在1毫升的95%酒精、高粱酒、米酒及水中,未溶解的食鹽依序遞減(酒精剩餘最多,而水幾乎全部溶解)。

4.    示範到此,蒸餾裝置內的蒸餾液大約可以蒐集到1毫升左右,接著教師拆開蒸餾裝置,並取出另一個鋁罐仿照上述步驟,以食鹽的溶解度粗略地檢驗酒精的濃度,發現蒸餾液的酒精濃度與高粱酒差不多(酒精濃度提高了),如圖11所示。

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11:取出蒸餾液約1毫升,溶解等量的食鹽,發現未溶解食鹽介於高粱酒與95%酒精之間。

5.    取得少量的蒸餾液與原先蒸餾前的酒精溶液(酒精濃度約30~40%),分別滴加於兩個鋁罐的凹槽,以點火槍進行燃燒檢驗。此時學生觀察到蒸餾液可以輕易點燃(酒精濃度已提高),而未蒸餾的酒精溶液難以點燃,如圖12所示。(若酒精溶液為40%,長時間點火還是可以成功燃燒)

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12:分別倒入少量的蒸餾液(左鋁罐)與未蒸餾的30~40%酒精溶液(右鋁罐)到鋁罐的凹槽(左);以點火槍點火,蒸餾液可以輕易點燃而未蒸餾的酒精溶液則不易點燃(右圖)。

6.    最後示範,教師倒出蒸餾裝置上瓶中的蒸餾液,瓶身稍微浸泡在熱水浴中,使殘留在瓶內的酒精蒸氣快速揮發,邀請學生操作咻聲瓶實驗,結束此次示範,如圖13所示。

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13:倒出上瓶(冷凝瓶)中的蒸餾液後,利用瓶內剩餘的酒精蒸氣進行咻聲瓶的實驗。

 

  • 安全注意事項與廢棄物處理

1.  由於本實驗有少部分點火的需求,因此在實驗操作場所旁,須備有水盆與濕抹布。

2.  進行咻聲瓶實驗時,建議使用長柄的點火槍較為安全,若要以普通打火機點火,建議戴上麻布工作手套與安全眼鏡以免燙傷。

3.  酒精、高粱酒、米酒對環境無害,實驗過後可直接以水清洗乾淨即可。

4.  實驗用過的寶特瓶、鋁罐,妥善回收即可。

  • 實驗原理

一、  蒸餾的簡易原理

蒸餾是一種藉由混合物沸點的差異來分離物質的一種物理分離方法,透過蒸餾裝置(見圖14),當加熱蒸餾瓶內的溶液時,沸點較低的物質較容易揮發而形成蒸氣,流經冷凝管時蒸氣被冷卻回到液態,此時於右端的圓底燒瓶內可收集到沸點較低的物質。

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14:實驗室典型的蒸餾裝置圖:1.熱源、2.罐式蒸餾器3.蒸餾頭、4.溫度計/沸點溫度、5.冷凝器、6.冷卻水入口、7.冷卻水出口、8.餾出物/接收瓶、9.真空/氣體入口、10.接受器、11.加熱控制器、12.攪拌速度控制、13.攪拌器/加熱板、14.加熱槽(油或砂)、15.攪拌棒/防撞顆粒、16.冷卻槽

(圖片來源:蒸餾,https://zh.wikipedia.org/wiki/蒸餾

以本示範實驗為例,利用兩個寶特瓶的瓶口對接,一瓶作為蒸餾瓶以熱水浴的方式讓更多的酒精揮發,另一瓶作為蒸餾液(冷凝液)的收集瓶,以冰水浴的方式冷凝酒精蒸氣並儲存於瓶中,一段時間後便可得到酒精濃度更高的蒸餾液。

二、  蒸餾實驗的進階原理

由於酒精和水的混合物並非理想溶液,因乙醇和水分子在混合前後存在氫鍵環境改變的關係,使得溶液呈現正偏差,當乙醇成分佔有95.6%時,即產生共沸物(azeotrope),其共沸點(azeotropic point78.15,因此市售酒精濃度最高為95.6%;本實驗所使用的酒精溶液,乙醇濃度約落在35~40%(莫耳分率0.18~0.21),由15可知,所得冷凝液的組成乙醇會提升至約73~76%(莫耳分率0.52~0.55)。根據上述資料理解,本次實驗所收集到的蒸餾液,可輕易點火燃燒,可推知食鹽的溶解度介於58%酒精的高粱酒與95%酒精之間。

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15:乙醇和水混合物的液相(Liquid Composition)與氣相(Vapor Composition)組成關係圖(左),其中橫軸為乙醇莫耳分率,縱軸為絕對溫度;乙醇水溶液的液相與蒸氣的氣相莫耳分率組成對照圖(右),其中橫軸為液相的乙醇莫耳分率,縱軸為氣相的乙醇莫耳分率。

(圖片來源:Fermentation,https://che.gg/2T20esJ;Vapor-Liquid Equilibrium Data, https://bit.ly/2LpF9UV.

三、  用食鹽的溶解度粗略地判定酒精的濃度

食鹽於水中的溶解度為25之下,36 g / 100 g H2O,而在乙醇中則為0.065 g / 100 g C2H5OH。氯化鈉是一種標準的離子化合物,在強極性的水中有很高的溶解度,而在有機溶劑(如乙醇)中的溶解度有明顯的下降,因此本示範實驗利用食鹽的溶解情形粗略地判斷溶液中的酒精濃度。由實驗結果得知,取1平匙藥勺(小端)的氯化鈉(溶質)放入1毫升的液體(溶劑),所有的食鹽可完全溶解在純水中,而幾乎完全不溶在95%酒精在。因此可藉由觀察不同液體溶解的食鹽量來粗略地判斷米酒、高粱酒以及蒸餾得到蒸餾液的酒精濃度高低。

  • 教學應用與延伸

一、  示範操作提醒

1.    本示範實驗使用自製的蒸餾裝置,以電工膠布纏繞黏合時務必檢查是否氣密,避免蒸餾失敗。

2.    浸泡熱水浴時,建議以飲水機再沸騰後取用,需要較高的溫度才能縮短蒸餾的時間。

3.    為了加速蒸餾時間,筆者以體積百分率約40%的酒精稀釋液進行蒸餾,耗時約15分鐘後可得蒸餾液約1毫升。若以米酒直接蒸餾可能無法在短時間內得到足夠的蒸餾液,且蒸餾液的酒精濃度不高,不容易點火成功。

4.    本示範實驗嘗試結合手機用常見的社群平台以直撥方式呈現,但是畫質容易不清晰。若於教室內操作時,可以採用「實物投影機」,直接將操作的細節現場投影在電視或是螢幕上。

5.    示範這個實驗,教師應實行適當的風險評估。

二、  課程結合

配合108課綱所頒佈的高一化學(全),其中提及在「物質的分離與鑑定Ca)」部分,在課程設計上有提到學習內容「CCa-c-1混合物的分離過程與純化方法:蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」。筆者規劃「蒸餾」實驗的示範教學,由於本實驗設計可以透過家中方便取得的材料進行,因此在教學上可以要求學生在家中製作完成再統一帶到學校進行實測,或是分組進行競賽、評分,如此可以解決課堂時間有限的問題,亦可落實新課綱的實作精神。

此外,本示範實驗的第三部分可以配合高一化學(全)的「水溶液中的變化(Jb)」透過觀察食鹽在水、各式酒類及酒精之中的溶解情形,可以適時引導到溫度對於溶解度的影響,並結合前後課程相互呼應,使得知識得以學以致用和概念統整。

在進階的選修化學領域方面,在選修化學(I「物質與能量篇「物質的反應、平衡及製造」章節,提及「CJb-Va-4拉午耳定律與理想溶液」亦可讓學生延伸思考溶液組成與蒸氣組成的變化,以及理想溶液與非理想溶液的偏差情形。

三、探究與實作課程的開發

雖然本示範實驗為教師示範為主,但是極具開發為探究與實作課程的潛力,例如本次的蒸餾實驗裝置,可以設計拆分為三個學習階段,讓學生先就蒸餾的原理進行討論、分析、資料蒐集、實作並改良。未來,作者構思在自然科學探究與實作的課程,利用此簡易蒸餾裝置作為設計的源頭,引導學生發揮創意,讓他們設計快速的且有效的節約能源的蒸餾裝置和操作方式以及精準的定量分析方法,以培養學生問題解決的能力。

此外,在蒸餾液收集後的檢驗方面,由於本實驗並非使用精密的實驗器材操作,因此必定與理論值有相當程度的落差,可針對教高年級的學生引導相關的討論,例如溶液與蒸氣的組成差異、非理想溶液的正負偏差,並著手設計能夠進一步驗證定量的實驗。

近年來資訊能力備受重視,因此課程開發上可以嘗試透過系統化的實驗數據收集、微型化的數位實驗探測素材、電腦編成管理等,適度的結合資訊科技教育與科學素養的養成,訓練學生以電腦軟體(如Excel)整理數據和運算,正確且適切地作圖表達實驗結果。以小組為單位口頭報告並結合實體操作,除了能夠統整每個階段的學習歷程之外,也可以結合群性的陶冶與資料蒐集分析、表達分享等能力培養。

  • 致謝

特別感謝國立彰化師範大學化學系楊水平老師的指導與討論,以及新北市立光復高級中學科學魔法社團隊提供的實驗協助以及拍攝和影片後製作。

  • 參考資料

1.         高中化學(全),龍騰版,108年初版,p10

2.         蒸餾,https://zh.wikipedia.org/wiki/蒸餾

3.         蒸餾,大學化學實驗,第二版,國立臺灣大學出版中心:臺北,民95年。取自:https://bit.ly/2T1iSkm

4.         十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域,國家教育研究院,107年。取自:https://bit.ly/2WPsz6I

5.         Raymond Chang, Chemistry, Eighth edition, McGraw-Hill Education (Asia), 2005, pp. 500~506

6.         Fermentation By Yeast Produces Ethanol, https://che.gg/2T20esJ.

7.         Vapor-liquid equilibrium data, Dortmund Data Bank, https://bit.ly/2xZFH0P.

8.         DIY Solar Water Distiller!, https://bit.ly/2xZGLBR.

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