酒精的創意科學活動

資料來源
60-05
圖文/謝迺岳



酒精學名乙醇,是老祖宗在醱酵果實中發現的物質;吃了含有酒精的食物會讓人暈淘淘的,於是老祖宗們(傳說是酒聖杜康)就開始釀造各種酒來賣。酒會使人興奮並成癮,比大麻和搖頭丸毒性還強,卻沒有遭禁,真是奇怪。

除了飲用,酒精有許多用途,如殺菌、防腐、降溫、溶劑、脫水、燃料、做香水等,可見物體本身沒有善惡,它的價值要由人們來決定。酒精有一些醇類的朋友很常見,例如甲醇(木精)、異丙醇與丙三醇(甘油),其中甲醇的毒性很強,卻被不肖業者用於假酒,飲用後會讓人失明或喪命,使用時一定要小心。

酒精為易燃易揮發液體,容易發生燃燒跟氣爆,實驗操作時具有危險性,建議教師於教學示範時,請戴上護目鏡、手套等護具,並準備大量的水、濕抹布、滅火器等用品以防意外發生,並確切告知學生或小朋友,不可單獨自行實驗,務必要有師長、家長陪同,嚴禁個人自行操作!

 活動一:酒精槍


酒精的閃燃點是13℃,它和木精都很容易揮發且易燃,所以在酒精的附近要注意,絕不可在充滿酒精蒸汽的廠房內點火,甚至在吃火鍋時加酒精都必須很謹慎。

在一個寶特瓶蓋上鑽一個孔,並插入點火槍;把蓋子蓋住一支多多罐,點火就能把多多罐發射出去,這是點火槍內的丁烷和氧氣的反應。在多多罐內吹一口氣補充氧氣,然後滴入酒精或木精,再次發射就能射到更遠的地方(圖1)。

 活動二:酒精燈


酒精常被作為燃料,因為它容易取得、無毒且燃燒完全。如果找不到酒精燈,可以用一個鐡罐來代替,點了火後會呈現淡紫色的光芒,這是酒精的特性焰色。在酒精內加入一些食鹽或硫酸銅,火焰會呈現亮黃色與藍綠色的光,非常美麗,而且讓我們看得到火焰,操作就會更安全(圖2)。

要熄滅酒精的火焰可以用水,這一點大大的衝擊許多人的知識;因為酒精的密度比水小,但是酒精可以溶於水(所以有各種濃度的酒),會被水稀釋且降溫,這和油類著火的情況完全不同,因為油水不互溶!


圖1. 在多多罐內滴入酒精再搖一搖,就可以發射酒精槍了。


圖2. 加了廣用指示劑後,自來水變為藍色(弱鹼),而酒精與木精則呈現黃色(弱酸)。

 活動三:酒精魔術


把酒精和水以1:1的比例混合,並加入一些食鹽使火焰能明顯。把一張紙鈔的下半部浸入稀釋酒精後,橫向拿著紙鈔(避免火焰燒到手),點火後會發現火焰很快就熄滅了。

被稀釋為50%的酒精可以燃燒,但是產生的熱量剛好把水蒸發,因此火焰熄滅後可見鈔票沒有受損,而且紙面是乾的,是個非常吸引人的魔術。這個活動雖然不困難,操作時也很安全,仍然要小心不要讓燃燒中的酒精滴落地面,使別的東西燒起來。


圖3. 用50%酒精水溶液沾濕假鈔,點火後紙不會燒著。

 活動四:殺菌劑


酒精溶於水,而且很親水,因為它的結構式是,包含一個羥基OH。有羥基的有機分子能溶於水,是因為水也有羥基,互有好感(氫鍵),就能互溶了。

把蛋白液倒進兩個透明杯中,在其中一個杯裡倒入95%酒精(99.5%酒精更好,但是價格貴了三倍),在另一個杯裡倒入75%酒精,會發現濃酒精使蛋白液上層變白了,而較稀的酒精使蛋白液變白的量更多。原來蛋白質分子的內層也有羥基,遇到酒精時會翻轉,而且再也翻不回來,這個過程像是把蛋煮熟,稱為蛋白的變性(圖4)!

對細胞而言,酒精不只會使蛋白質變性;酒精被氧化時會變成乙酫,再氧化則變為乙酸。用廣用指示劑去測試,酒精往往呈現黃色,就是酒精在空氣中氧化的結果。好處是,我們可以酒精氧化去釀醋;壞處是,喝酒使人有醉意。濃酒精無法滅絕細菌,因為它會使細胞壁立刻變性;而75%酒精能鑽進細菌體內,不只變性,還可以用氧化後的乙醛和乙酸毒殺牠們,從而保護人體的安全。

 活動五:熔岩燈


酒精的密度為,水的密度為,而蠟是混合物,密度介於水和酒精之間;因此把蠟塊投入酒精中會沈,而在水中會浮。

找一支羊奶瓶(啤酒瓶也可以,但須確定耐熱且防爆),把酒精和水混合至比蠟的密度小一點點,使蠟沈入瓶底。接著在瓶底加熱,由於蠟的膨脹率比水和酒精的膨脹率大,於是熔融的蠟就會從瓶底浮升。

加熱這種熔岩燈的方式可以選用蠟燭,但是火力不容易控制;用燈泡也可以,但是支架較難製作。在控制良好的情況下,蠟塊在瓶底被加熱20分鐘後就會融化成一顆透明的大球,緩緩從瓶底浮升;到達瓶口處被外界空氣冷卻,又緩緩下降。夜間點亮蠟燭或燈泡,看著熔岩燈內的液體蠟浮浮沈沈,並讓光影投射在四周的牆上,非常療癒(圖5)。

 活動六:天氣瓶


酒精兼具有羥基與碳鏈,因此是很好的溶劑,黑白通吃。例如食鹽能溶於酒精,成為加鹽的米酒,是做菜的好幫手,就是羥基的功勞。油類不溶於水,卻能溶於酒精,就是小碳鏈的幫忙。一些完全不溶於水的有機化合物,如樟腦與松香,也能溶於酒精而成為環境消毒的利器(圖6)。

樟腦可以防蟲,天然樟腦對人無害,但是假樟腦(萘)會使蠶豆症患者產生溶血現象,應避免接觸。松香不只能防蟲,還可以作為竹蟬童玩與琴弦的止滑粉。把樟腦或松香溶解在酒精裡,裝在噴霧罐中,噴在屋內牆角,蟑螂螞蟻就再也不敢靠近了。

把氯化銨和硝酸鉀溶解在水裡,再把樟腦溶解在酒精中,兩瓶液體一混合,就會有白濁的樟腦被析出。原來酒精遇到水就和水結合,樟腦在酒精中達到過飽和,就成為細小的結晶。把這瓶混合物加熱至樟腦結晶消失,然後使這瓶液體緩慢變涼,樟腦會重新結晶(藉著氯化銨和硝酸鉀的幫助),形成較為大顆且漂亮的羽毛。這個活動稱為天氣瓶,在氣溫緩慢或快速變冷時,結晶的大小與形狀不同,但都很美麗。


圖4. 把75%(左)和95%酒精倒在蛋白上,發現75%酒精更能深入蛋白內。


圖5. 用羊奶瓶做熔岩燈。調配水與酒精的比例,使蠟塊受熱時能升升降降,看了很療癒。


圖6. 樟腦可溶於酒精,卻不溶於水,因此可以製作天氣瓶。

 活動七:酒精膏


把醋酸鈣(可用蛋殼泡在醋中製成)溶解在水中形成飽和溶液,接著倒在酒精或木精內,醋酸鈣就會結塊。原來酒精或木精很親水,遇到飽和醋酸鈣水溶液就把醋酸鈣給沈澱出來了;然而鬆散的醋酸鈣晶體之間吸附了許多酒精,就像仙草或愛玉凍一樣,不同之處是酒精膏可以燃燒。甲醇和乙醇都可以製成酒精膏,保障了使用的安全,也使得燃料不致於消耗太快(圖7)。

在地面或鐡罐上,把酒精膏捏成愛心或英文字母,再灑一些食鹽或硫酸銅,點火後就形成火舞。也可以在一支透明杯或管中,把染色的酒精膏依次填入,看著很美麗,點火後更詩意。

 活動八:焰色


把酒精或甲醇作為燃料很方便,但是淡紫色的火焰常讓人看不清楚,因此必須在其中摻一些鹽類,利用焰色反應來保障操作時的安全。

用鐡線沾一些金屬鹽類放在火焰上燒,就可以看到各種焰色(圖8)。常用的金屬離子有明顯焰色的為鈉(黃)、銅(綠)、鈣(紅)、鉀(紫)等。非金屬物質也會呈現焰色,例如硼(綠)、磷(青綠)等;不過含硼的硼砂或硼酸必須溶在甲醇中燃燒才有焰色,是因為硼酸和甲醇形成硼酸三甲酯(酯類是由酸和醇縮合而成),而且聞起來有一點香味喔(圖6)!

焰色實驗對於物質的檢驗雖然很粗略,但是使用的質量甚微,對於環境的傷害較小;而且配合光譜分析,就能推測出岩石樣本中的某種物質含量,甚至可以用來觀察遙遠星球的物質成分喔!


圖7. 醋酸鈣溶於水,卻不溶於酒精;因此可以用來製作酒精膏。


圖8. 硼砂可溶於木精,燃燒有綠光;製成硼砂珠也很漂亮。

 活動九:香水


酒精和木精是醇類,它們和酸結合成香香的酯類。我們可以使用各種醇與酸結合,嘗試製成香水。但是真正的香水仍然須使用植物的花與果,溶解在酒精或油脂之中。

在酒精中滴入濃硫酸,然後和等量的冰醋酸混合,靜置一天後就成為乙酸乙酯,有香味出現。若是用甘油(丙三醇)與醋1:2混合,再加入四份水,則成為沒有香味的爽膚水,靜置一天後就可以擦在皮膚上了,養顏、美容又保濕(圖9)。

酒精的沸點是78.3℃;而汽化熱為210cal/g,在常見物質中僅次於水與氨.所以人們在發燒時,可以用30%的酒精退燒。同理,在香水中摻酒精,擦在皮膚上使人覺得涼爽,同時使香水揮發更快,能夠立即達到迷人的效果喔!


圖9. 酸加醇變成香香的酯類,所以木精和酒精都能製香水喔。




謝迺岳
國立新竹高級中學退休物理教師