化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

2020-06-19
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前言

你在姜黄纸上画过图和写过字吗?想不想自己动手製作姜黄纸呢?姜黄纸还可以隐藏秘密,你要如何显现被隐藏的讯息?这个化学实验真好玩,它涉及什幺化学原理和概念呢?

示範实验影片

请按此连结:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and Writing on the Goldenrod Paper),YouTube。

示範步骤

一、示範前製作姜黄纸

1. 準备所需的器材和药品,如图一所示。

化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

图一  製作姜黄纸的器材和药品

2. 以刮勺取4匙的印度咖哩粉到一个小烧杯中,再加入20-30 mL的药用酒精。用玻棒搅拌促进溶解,形成黄色的姜黄酒精溶液,如图二所示。

化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

图二  姜黄酒精溶液

3. 倾析姜黄酒精溶液到一个平底塑胶盆中,固体沈澱物儘可能地不要倒到塑胶盆中。

4. 放置一张A4空白影印纸到姜黄酒精溶液中,均匀地沾湿此溶液,使整张纸呈现金黄色,如图三所示。

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图三  影印纸沾湿姜黄酒精溶液

5. 取出此张纸,以晒衣服方式用夹子夹住,晾乾此纸张,便形成金黄色姜黄纸,如图四所示。若纸张沾有固体沈澱物,则用卫生纸擦掉。

化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

图四  完成的金黄色姜黄纸

6. 取一张姜黄纸,拿蜡或白色蜡烛画图画或写讯息(例如:Hello、Hi等);或取三张姜黄纸,分别写上「今天」、「要考试」和「取消」),此时图画或讯息是隐藏的,如图五所示。注意:拿蜡或白色蜡烛需要稍微用力画图或写字使得蜡整个盖满画图或讯息。

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图五  拿蜡或白色蜡烛画图画或写讯息

二、 在教室示範

1. 带已画好图画或写好讯息的姜黄纸、一小包洗衣粉或一块洗衣皂、以及一个小纸杯到你上课的教室。

2. 向学生要一些饮用水,配製少许的洗衣粉水或洗衣皂水(非香皂水)。

3. 取一张姜黄纸用磁铁条压在黑板上,然后用你的手指沾湿洗衣粉水或洗衣皂水(可以不必戴乳胶手套),涂抹在姜黄纸上隐藏的图画或讯息,如图六所示。

化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

图六  涂抹洗衣粉水在姜黄纸上立即出现图画或讯息

4. 另类示範:取出你事先分别写好「今天」、「要考试」和「取消」的隐藏讯息之三张姜黄纸,并压在黑板上。此时,学生会误认为三张黄色影印纸。然后,依序用洗衣粉水或洗衣皂水涂抹前二张纸,「今天」和「要考试」讯息立即出现,停故意顿一下,看看学生的反应,再来,涂抹第三张纸,「取消」讯息又立即出现,再看看学生的反应。

5. 教师亦可取一张姜黄纸用磁铁条压在黑板上,整支手掌沾湿沾洗衣粉水或洗衣皂水,然后在姜黄纸上用力拍打,立即留下一个“血手印”,如图六所示。或者,以手指沾衣粉水或洗衣皂水,在姜黄纸上写下“血书”,皆可製造惊奇效果。

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图六  在姜黄纸上用力拍打,立即留下“血手印”

6. 在姜黄纸上出现的图画或讯息,可以用食用醋涂掉,还原成为原先金黄色的姜黄纸。

器材和溶液

1. 小烧杯(50 mL)  一个
2. 药用酒精  30 mL
3. 印度咖哩粉  一罐
4. 玻棒  一支
5. 夹子  数个
6. 蜡(蜡或白色蜡烛)  少许
7. 弱硷性水溶液(如小苏打水、洗衣粉水、洗衣皂水、香皂水)  50 mL
8. 弱酸性水溶液(如食用醋)  50 mL

原理和概念

● 姜黄素(curcumin)是咖哩粉中常见的香料成分,它是一种从姜黄根茎中提取得到的黄色色素。姜黄素是最主要的姜黄色素(curcuminoid)类物质,约佔姜黄色素的70%,约为姜黄的3-6%。姜黄素是明亮的黄色,可以作为食用色素,作为食品添加剂。

● 物理光谱证明:姜黄素在固态和溶液中主要是以烯醇式(enol form)存在,其结构式如图六所示。

化学示範实验:在姜黄纸上画图和写字(Drawing and

图六  姜黄素以烯醇式存在的结构式
图片来源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Curcumin

● 物质的溶解度法则为相似者互溶(Like dissolves like),亦即极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂。姜黄素(低极性)不溶于水(高极性)而溶于乙醇(低极性),而且非极性的蜡不溶于极性的水分子。

● 姜黄素在酸性条件(pH<7.4)下呈黄色,其结构式如图六所示;在硷性条件(pH>8.6)下呈红褐色。

● 若使用NaHCO3水溶液,与姜黄素反应,且HCur表示curcumin(姜黄素),则其反应式如下所示:

HCur (yellow) + HCO3– ⇌ Cur– (red) + H2CO3    [1]

当纸张渐渐乾燥时,H2CO3会生成CO2气体和水,反应式如下所示:

H2CO3 ⇌ CO2 + H2O    [2]

依照勒沙特列原理,当反应式[2]的CO2气体逸散到空气中时,平衡向右进行,因而导致反应式[1]平衡也往向右进行,而使得沾到NaHCO3的姜黄素呈现红褐色,而且不会褪色。

● 若使用洗衣粉水或洗衣皂水(含OH–),与姜黄素反应,则其反应式如下所示:

HCur (yellow) + OH– ⇌ Cur– (red) + H2O    [3]

当纸张长久放置时,OH– 会与空气的CO2作用生成HCO3–,其反应式如下所示:

OH– + CO2 ⇌ HCO3–   [4]

依照勒沙特列原理,当反应式[4]生成的HCO3–时会降低反应式[3]的OH– 的浓度,亦即降低洗衣粉水或洗衣皂水的硷性,导致平衡向左进行,因而导致红色褪色而回复到原来的黄色。

● 姜黄素的反应颜色变化是可逆的,若pH值下降到初始或低于初始的条件,让姜黄素就会回复到原先的黄色。例如用食用醋即可使姜黄纸变为黄色,其反应是如下所示:

Cur– (red) + CH3COOH ⇌ HCur (yellow) + CH3COO–    [5]

教学提示

1. 因製作姜黄纸的需时较长,教师可事先製作好,再带到教室示範,然后互动讨论使学生获得原理和概念。

2. 虽然这是一个化学示範实验,教师也可以改成有趣的化学实验,让学生亲自动手做。再者,可以用米酒代替药用酒精,全部的器材和溶液均为家用产品,此化学实验可以安排在教室或家里进行,国中国小的学生进行此实验时必须有老师或家长监督。

3. 教师示範「显现图画或讯息」、「留下“血手印”」和「写上“血书”」,皆可製造惊奇效果。教师也可以找一张黄色的影印纸,然后此张影印纸与一张姜黄纸同时压在黑板上,请两位学生手掌沾湿洗衣粉水或洗衣皂水,再同时用手掌分别拍打这两张纸,一张会出现“血手印”,另一张却不会,引起学生的疑惑。

4. 此实验亦可浸泡一整张姜黄纸到NaHCO3水溶液中,使整张纸呈红色,再夹起晾乾。然后拿蜡在这张纸上画图画或写讯息,以食用醋涂抹,会使得红色的姜黄纸变为黄色,图画或讯息就会显现出来,其反应如反应式[5]所示。

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。

6. 这个示範实验所使用的大部分溶液和器材可重複使用,最好装在一个标示「在姜黄纸上画图和写字」或放在相似主题的置物箱中备用,方便带到教室上课。

问题和参考答案

1. 为什幺姜黄纸的製作使用药用酒精当溶剂,而不用水?

答:物质的溶解度法则为相似者互溶(Like dissolves like),亦即极性分子易溶于极性溶剂,非极性分子易溶于非极性溶剂。因而姜黄素(低极性)不溶于水(高极性)而溶于乙醇(低极性),而且蜡(非极性)不溶于水(极性)。

2. 为什幺姜黄纸沾到洗衣粉水或洗衣皂水就会变成红褐色?

答:姜黄素在酸性条件(pH<7.4)下呈黄色,这是姜黄纸原来的颜色;洗衣粉水或洗衣皂水为弱硷性,它在硷性条件(pH>8.6)下呈红褐色。

3. 为什幺姜黄纸沾NaHCO3溶液造成的红色不会褪色回原本的黄色?

答:当纸张渐渐乾燥时,H2CO3会生成CO2气体和水。依照勒沙特列原理,当反应式[2]的CO2气体会逸散到空气中时,平衡向右进行,因而导致反应式[1]平衡也向右进行,而使沾到NaHCO3的姜黄纸呈现红色,而且不会褪色。

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

● 已用过的姜黄纸可丢弃于垃圾桶中。
● 未用毕的姜黄酒精溶液可重複使用,可用小瓶子密封装好。

参考资料(撷取日期:2010年8月)

1. 姜黄素,维基百科,http://zh.wikipedia.org/zh-tw/姜黄素。
2. Curcumin, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Curcumin.
3. Expt 022–Goldenrod Messages, David W. Brooks Teaching and Research Web Site, http://dwb.unl.edu/chemistry/beckerdemos/BD022.html.
4. Massey University-institute of fundamental sciences-Acid Base Indicators, http://ifs.massey.ac.nz/outreach/resources/chem/indicators.php.
5. Educational Innovations-goldenrod paper, http://blog.teachersource.com/2009/10/01/goldenrod-paper/.
6. eHow-How to Make Goldenrod Paper, http://www.ehow.com/how_5869678_make-goldenrod-paper.html.
7. Goldenrod Indicator Paper, http://www.profbunsen.com.au/doc … dIndicatorPaper.pdf. 

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