化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

2020-06-19
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前言

龙捲风是一种相当猛烈的天气现象,在台湾我们不容易见到这种天气现象,在这个示範实验中我们要製造一个类比的龙捲风—〝化学酸硷龙捲风〞!利用磁石搅拌溶液产生类似龙捲风的漩涡,然后再滴入另一溶液与原本的溶液产生有颜色变化的化学反应,让我们能够清楚地观察〝化学酸硷龙捲风〞。

示範实验影片

请按此连结:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornado Formation by Acid-Base Reactions),YouTube。

示範步骤

1. 準备此示範实验所需的药品与器材到上课教室,这些包括1台电磁加热搅拌器及1个磁石、1个1000 mL的烧杯内装0.01 M的盐酸、1个100 mL的烧杯内装0.1 M的氢氧化钠、1个100 mL的烧杯内装0.1 M的盐酸、少许酚酞指示剂以及3支PE滴管,如图一所示。

化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

图一  本示範实验所需的药品与器材

2. 到上课教室后,放置1000 mL的烧杯(内装0.01 M的盐酸)于电磁加热搅拌器上。然后,放入1个磁石于溶液中。电磁加热搅拌器插入电源后,开取搅拌速率旋转钮,以由慢渐增的方式搅拌溶液,使磁石能稳定地且快速地旋转。最佳〝龙捲风〞为在溶液的中心位置形成龙捲风般的漩涡,在溶液的表面中心位置形成倒置的凹陷三角形,如图二所示。
 化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

图二  搅拌使溶液的中心位置形成龙捲风般的漩涡

3. 加入2-3 mL的酚酞指示剂到烧杯中,并且搅拌均匀使之扩散到整个溶液中。

4. 滴入3-5滴的0.1 M的氢氧化钠溶液在烧杯内溶液的表面中心位置。此时,无色的〝龙捲风〞漩涡立即变为粉红色的,并且持续一段时间后才消失,如图三所示。
 化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

图三  粉红色的〝化学酸硷龙捲风〞

5. 重複步骤3数次,直到烧杯中的整个溶液变为红色时才结束滴加氢氧化钠溶液,此时氢氧化钠为过量试剂,如图四所示。

化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

图四  当氢氧化钠为过量试剂时整个溶液变为红色

6. 若想要观察更多次的〝龙捲风〞漩涡之颜色变化,则可以加入0.1 M的盐酸使溶液的颜色回来的无色且稍加过量。然后重複步骤4,继续观察〝化学酸硷龙捲风〞。

药品与器材

1. 电磁加热搅拌器  1台
2. 磁石  1个
3. 大烧杯(容量1000 mL) 1个
4. 稀盐酸(0.01 M HCl) 800 mL
5. 小烧杯(容量100 mL)  2个
6. 氢氧化钠溶液(0.1 M NaOH)  50 mL
7. 稀盐酸(0.1 M HCl) 50 mL
8. 酚酞指示剂  10 mL
9. 塑胶滴管  2支

原理和概念

● 龙捲风是一种相当猛烈的天气现象,由于快速旋转造成直立中空管状的气流。龙捲风大小不一,但形状一般都呈上大下小的漏斗状,如图五所示。
 化学示範实验:化学酸硷龙捲风(Chemical Tornad

图五  漏斗状的龙捲风
图片来源:Tlindenbaum, http://www.flickr.com/photos/lindenbaum/328304747/

●  在龙捲风的内部是非常快速的扰动状态,但是在龙捲风的上方切线方向之外面几乎不会受到龙捲风的影响,但是在龙捲风的下方或附近则会受到快速扰动,与地面接触并且时常被一团尘土或碎片残骸等包围,如图六所示。因此,我们看到新闻报导常会听到龙捲风经过的路径会满目疮痍,但是没有经过的地方不会受到影响。
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图六  龙捲风的下方或附近受到快速扰动
图片来源:Jmos®, http://www.flickr.com/photos/indigente/798304/

●  当滴入氢氧化钠溶液时,形成〝化学酸硷龙捲风〞的过程如下:(1)首先在漏斗状上方形成胖宽的红色漩涡,但未到达烧杯底部。(2)红色龙捲风的长度增长,延伸到转动的磁石处,并且在杯底消失。(3)然后漏斗状上方胖宽的红色龙捲风由上而下消失。(4)在胖宽漩涡的消失过程中,出现瘦长的红色柱状结构。(5)接着细长的红色柱状结构上方开始消失,接着下方也消失,形成一条较短的红色柱状结构。(6)最后全部的红色柱状结构消失。

●  由〝化学酸硷龙捲风〞的形成过程中,我们可以发现龙捲风的气流分为二层:(1)内层:直立管状最中间瘦长的柱状结构,旋转的速度较慢。(2)外层:直立管状的中间第二层宽胖的漏斗状结构,旋转的速度较快,是非常快速的扰动状态。在第二层漏斗状结构的外面,旋转的速度最慢,几乎不会受到影响。我们也可以发现在龙捲风的上方的切线方向之外面几乎不会受到影响,但是在龙捲风的下方或附近则会受到快速扰动。

●  本示範实验的〝化学酸硷龙捲风〞是利用龙捲风的特性,在溶液中的漩涡会形成像未混合的异质混合物般不均匀地搅拌,与一般的搅拌溶液促使混合均匀有很大的不同。

● 在此示範实验中,使用酚酞(Phenolphthalein)当作酸硷指示剂。酸硷指示剂是用来测试pH值的试剂,通常它们是有机染料,本身是弱酸或弱硷,在滴入溶液时酸硷指示剂会与氢离子(H+)或氢氧离子(OH−)反应,转变成相对应的酸式或硷式,因而显示不同的颜色。

酚酞是一种弱的有机酸,通常会以H2In表示。酚酞在pH<8.2的溶液里为无色;在pH>10的溶液里为粉红色。反应式如下所示:

H2In(无色) ⇌ 2H+ + In2−(粉红色)

● 酚酞指示剂的酸硷变色:H2In(无色) ⇌ 2H+ + In2−(粉红色),可以利用勒沙特列原理来解释。当酚酞在硷性的环境下,氢氧离子(OH−)与氢离子(H+)反应,导致氢离子减少,平衡位置往右移动,溶液呈粉红色;反之,当酚酞在酸性的环境下,氢离子(H+)增加,平衡位置往左移动,溶液呈无色。

● 在此示範实验中,也涉及到限量试剂和过量试剂的概念。限量试剂即在化学反应中最先用尽的化合物,使得反应终止。更进一步说明,就是反应物的莫耳数除以反应係数,所得比值最小者即为限量试剂。相反地,反应物的莫耳数除以反应係数,所得比值最大者即为过量试剂。

以酸硷反应说明,若添加氢氧化钠是限量的,则最初产生的〝龙捲风〞颜色会褪为原来的无色,因为氢氧化钠被用尽了。这示範实验可以反覆进行直至添加到漩涡中的氢氧化钠为过量试剂,此时溶液的颜色不会褪回原来的无色。

教学提示

1. 在示範〝化学酸硷龙捲风〞实验时,必须注意背景是否太过于杂乱,杂乱的背景会影响学生的观察。若烧杯放置淡色的背景,则学生能清楚地观察颜色的变化以及〝化龙捲风〞漩涡的结构。

2. 这个示範实验可以使用大量筒取代大烧杯,由于大量筒的高度高于大烧杯很多,因此形成〝化学酸硷龙捲风〞的漩涡的长度也长很多。

3. 这个示範实验包含了许多科学原理和概念,例如:龙捲风的构造、酸硷指示剂、勒沙特列原理、限量试剂和过量试剂等,教师可以配合单元的需求或学生的程度介绍部分的概念。此示範实验也可以融入气象学,引起学生的学习地球科学的兴趣。

4. 放入磁石搅拌时,搅拌的速率应由慢渐增,以免溶液喷溅。此示範实验所使用的酸硷溶液皆有刺激性与腐蚀性,使用时应多加注意。

5. 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。

问题和参考答案

1. 试说明本示範实验的〝化学酸硷龙捲风〞具有气象学的龙捲风之特性。
答:龙捲风是一种相当猛烈的天气现象,由于快速旋转造成直立中空管状的气流。在电磁加热搅拌器的磁石快速搅拌下,形状的〝龙捲风〞漩涡亦呈现上大下小的漏斗状。我们亦可观察到此〝龙捲风〞的结构内是非常快速的扰动状态,但是在上方切线的方向之外几乎不会受到影响,而在下方或附近则会受到快速扰动,这些现象与气象学的龙捲风相似。

2. 我们经常使用的酸硷指示剂,例如:石蕊、酚酞…等,它们为何可以用来测试酸硷呢?
答:酸硷指示剂可用于测试酸硷是由于它们本身为弱酸或弱硷,在滴入溶液时酸硷指示剂会与氢离子或氢氧离子反应,转变成相对应的酸式或硷式,因而显示不同的盐色。亦即藉由观察颜色的变化,而得知溶液的酸硷性。另外,由于各种指示剂的变色範围不尽相同,因此选择适当的指示剂可以作为判定的酸硷的指标。

3. 酚酞指示剂的酸硷变色:H2In(无色) ⇌ 2H+ + In2−(粉红色),试以勒沙特列原理来解释其变色现象。
答:当酚酞指示剂在硷性的环境下,氢氧离子(OH−)与氢离子(H+)反应,导致氢离子减少,平衡位置往右移动,溶液呈粉红色;反之,当酚酞指示剂在酸性的环境下,氢离子增加,平衡位置往左移动,溶液呈无色。

4. 一般使用酚酞指示剂于滴定实验时,为何由无色变成粉红色作为溶液由酸性变硷性的指标,而不是由粉红色变无色作为溶液由硷性变成酸性的指标?
答: 酚酞指示剂的变色範围在pH值8.2~10之间,pH值小于8.2为无色,pH值大于10为粉红色。因此,当溶液变为粉红色时,我们可以确定其pH值大于8.2,一定是硷性。但是,若溶液呈现无色,则其pH值还是有可能大于7,我们不能百分之百确定溶液为酸性。

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

● 示範后的溶液以酚酞指示剂加入酸性或硷性溶液调成中性后,再用大量的水沖掉。

参考资料

1. Chemical tornadoes, Royal Society of Chemistry, http://www.rsc.org/Education/EiC … emicalTornadoes.asp.
2. Tornado, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Tornado.
3. 龙捲风,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/龙捲风。
4. 酸硷指示剂,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/酸硷指示剂。
5. Phenolphthalein, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein.
6. Limiting reagent, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Limiting_reagent. 

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