关键概念
物理学
沸点
冷凝
蒸馏
简介
您喜欢烹饪吗?如果您在家里的厨房帮忙或看过别人做饭,您可能已经看到许多液体——如水、牛奶和汤——被加热。您是否注意到一旦液体沸腾,就会产生大量蒸汽?您有没有想过蒸汽是由什么组成的,以及溶解在您正在煮沸的溶液中的所有物质(如糖或盐)会发生什么?它们也会沸腾掉,还是会留在溶液中?在这个活动中,您将构建一个蒸馏装置,让您能够取样煮沸果汁时产生的蒸汽!您认为味道会如何?
背景
您需要什么来制作溶液?首先,您需要水或溶剂,然后您需要一种物质(如糖或盐)来溶解,也称为溶质。溶剂和溶质变成一种溶液——一种均匀混合物——您在其中再也看不到它们之间的区别。实际上,大多数溶液都包含许多不同的物质。但是,如果您想从液体溶液中分离出各个组分怎么办?有一种称为蒸馏的过程可以让您做到这一点。它在许多实际应用中使用,例如制造药物、香水或一些食品。
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蒸馏利用溶液组分挥发性的差异,这意味着每种化合物都有不同的沸点,并在不同的温度下开始汽化(从液态变为气态)。蒸馏时,您加热溶液,使沸点最低的组分首先蒸发,留下其他溶质。气态的汽化组分然后可以通过冷凝收集在不同的容器中,称为馏出物。这意味着蒸汽被冷却下来,气体再次变成液体。通过改变蒸馏温度,您可以根据许多不同物质的不同挥发性来分离它们。但是,如果您的溶液包含非挥发性溶质,则该化合物将始终留在溶液中。
现在了解了蒸馏的工作原理,您认为一旦加热果汁会发生什么?制作您自己的蒸馏装置并找出答案!
材料
炉子(使用炉子时务必与成年人助手一起工作。)
带斜盖的深煮锅(如果有透明盖)
陶瓷碗
小陶瓷盘或陶瓷咖啡杯
三个玻璃杯
苹果汁或蔓越莓汁(约半升)
液体量杯
冰
烤箱手套
肉汤(可选)
烹饪温度计(可选)
醋(可选)
准备工作
确保您的所有材料都是干净的。(这样您就可以在活动结束时取样果汁和产品。)
将小陶瓷盘放在煮锅的中心。根据您的锅有多深,您也可以将陶瓷咖啡杯放在其中心。
将陶瓷碗放在小盘子或咖啡杯的顶部。
将您的锅放在炉子上。
步骤
量取一杯果汁倒入玻璃杯中。看看它的颜色,并小口品尝一下。它很甜吗?颜色看起来怎么样;颜色很浓吗?保留剩余的果汁以供最后比较。
在锅底倒入额外一杯有色果汁。(您的小陶瓷盘或陶瓷咖啡杯现在将立在果汁中。)
与您的成年人助手一起,将炉子调到中火,将果汁煮沸。应该是温和的沸腾,而不是剧烈的沸腾。当您的果汁开始沸腾时,您能看到蒸汽产生吗?
现在将盖子倒置放在锅上,使倾斜盖子的尖端朝向锅内放置的碗。一旦您盖上盖子,蒸汽会发生什么?
在锅盖上放冰。您可能需要更换盖子中的冰,因为它会融化。如果您使用透明盖子,您能看到液滴在盖子内侧形成吗?它们来自哪里,液滴会发生什么?
让果汁煮沸 20 到 30 分钟,确保锅底始终留有一些果汁。您看到锅内果汁的量有任何变化吗?
20 到 30 分钟后,关掉炉子。让锅冷却几分钟。
戴上烤箱手套,小心地从锅上取下盖子。您注意到您放在盖子下方的空碗有什么变化吗?
仍然戴着热手套,将碗从小陶瓷盘或咖啡杯上提起,并将其放在耐热表面上。
取下小盘子或咖啡杯。看看锅中剩余的果汁,剩余的果汁比您倒入的量多还是少?
冷却后,将锅中剩余的果汁倒入玻璃杯中。果汁在煮沸过程中发生变化了吗?有什么不同?
将冷却的馏出物(冷凝的蒸汽),现在是小碗内的液体,倒入玻璃杯中。馏出物看起来怎么样?
现在拿出开始时装有原始果汁的玻璃杯,并将其与剩余的果汁和馏出物放在一起。比较它们的外观。它们有什么不同?您是否预料到这些结果?您认为果汁为什么会发生这样的变化?与您倒入锅中的量相比,还剩下多少果汁?
让液体冷却至室温。因为您在这个实验中使用了干净的厨房用具和可食用的果汁,所以继续品尝每种溶液。三种不同的液体在味道上如何比较?哪种最甜?哪种最不甜?冷凝的蒸汽味道如何?您认为为什么会有差异?
最后,通过将馏出物倒入剩余的果汁中,将馏出物和剩余的果汁重新组合。体积加起来是否与您开始时放入的量相同?这种溶液的外观和味道与原始果汁相比如何?
额外内容:用咸味溶液(如肉汤)代替甜果汁重复此活动。您认为结果会相似吗?当您煮沸肉汤时,肉汤中的盐会发生什么变化?
额外内容:尝试再次使用家用醋进行此实验。醋是由约 4% 至 6% 的乙酸和水组成的混合物。您可以通过蒸馏分离这两种液体吗?在这种情况下,您的馏出物味道如何?
额外内容:您可能知道纯水的沸点在正常大气压下为 100 摄氏度(212 华氏度)。向水中添加溶质(如糖、盐或其他化合物)会改变所得溶液的沸点。尝试加热您的三种液体(原始果汁、馏出物和剩余果汁),并用温度计测量它们的沸点。它们差别很大吗?沸点如何随溶质浓度的增加而变化?
观察和结果
果汁通常很甜。这是因为水果含有大量的果糖,称为果糖。然而,大多数水果的 80% 以上由水组成,因此基本上苹果汁或蔓越莓汁是水和糖的混合物。一旦达到果汁的沸点,它就会开始蒸发,您会看到蒸汽从锅中冒出来。如果您用盖子盖住锅,蒸汽会升到盖子上,并且由于盖子比蒸汽冷得多(尤其是在您在顶部放冰之后),蒸汽会迅速冷却并冷凝,再次变成液体,您可以在盖子内部以液滴的形式看到它。这些液滴会掉落并收集在您放在锅中的碗中。随着果汁的煮沸,您可能注意到碗中的水量增加了,而锅中的果汁量减少了。这是因为蒸汽(果汁的一部分)被收集在单独的容器中。如果组合在一起,馏出物和剩余的果汁应加起来达到您开始时拥有的果汁的相似体积。
当您在最后比较三种不同的溶液(原始果汁、馏出物和剩余果汁)时,您可能首先看到的是剩余果汁的颜色变得更深,而馏出物根本没有颜色,看起来像纯净水。它实际上是纯净水;当您品尝时,它不应该有任何甜味,而剩余的果汁应该比原始果汁尝起来更甜。原因是糖是一种非挥发性化合物,这意味着当您煮沸任何含糖液体时,糖将留在溶液中,而不会转移到气态中。然而,混合物中的水成分在约 100 摄氏度时开始蒸发,产生由纯水组成的蒸汽。盐也是一种非挥发性物质,如果您用肉汤重复该活动,您的馏出物也应该是纯净水。如果您在最后比较了所有三种溶液的沸点,您可能已经注意到,您可以通过添加溶质来提高水的沸点——溶质的量越高,其沸点就越高。
另一方面,醋——或 4% 至 6% 的乙酸和水的混合物——不容易通过蒸馏分离。这是因为水(100 摄氏度)和醋(约 100.6 摄氏度)的沸点太接近,无法完全分离两种组分。您应该注意到馏出物仍然尝起来像醋。
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