化学示範实验:化学发光龙捲风(Chemical Tornad

2020-06-19
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连结:化学发光龙捲风〔I〕

原理和概念

● 龙捲风(Tornado)是一种相当猛烈的天气现象,由于快速旋转而造成直立中空管状的气流。龙捲风大小不一,但形状一般呈现上大下小的漏斗状,如图八所示。

化学示範实验:化学发光龙捲风(Chemical Tornad

图八 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,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,如图九所示。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。

化学示範实验:化学发光龙捲风(Chemical Tornad

图九 龙捲风的下方或附近受到快速扰动 图片来源

● 当滴入鲁米诺的硷性溶液时,形成〝化学发光龙捲风〞的过程如下:(1)首先在漏斗状上方形成胖宽的蓝色萤光漩涡,但未到达烧杯底部。(2)蓝色萤光龙捲风 的长度逐渐增长,延伸到转动的磁石处,并且在杯底的磁石周围处消失。(3)然后漏斗状上方胖宽的蓝色萤光龙捲风由上而下消失。(4)在胖宽漩涡的消失过程 中,出现瘦长的蓝色萤光柱状结构。(5)接着细长的蓝色萤光柱状结构上方开始消失,再来下方柱状也消失,形成一条较短的蓝色萤光柱状结构。(6)最后全部 的蓝色萤光柱状结构消失。

● 由〝化学发光龙捲风〞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〝化学发光龙捲风〞是利用龙捲风的特性,在溶液中的漩涡处和龙捲风的最中间瘦长柱状的内层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。

● 鲁米诺化学发光反应中,鲁米诺必须先被氧化剂活化。活化剂通常使用过氧化氢(H2O2)和氢氧化物的混合水溶液。如果碰到含铁化合物会催化过氧化氢,使过氧化氢分解成氧气和水,并且释放大量的能量,如下反应式所示:

2H2O2 → O2 + H2O + heat

● 在实验室中,所使用的催化剂通常是铁氰化钾K3[Fe(CN)6];在法医检测中,是血红素中的铁当作催化剂,而在各种生物系统中的酶也可催化使过氧化氢分解。

● 鲁米诺化学发光反应过程如图十所示:鲁米诺(luminol)与氢氧化物反应形成双价阴离子(dianion)。再者,过氧化氢分解所产生的氧气(O2)与鲁米诺双价阴离子作用生成非常不稳定的有机过氧化物(unstable organic peroxide)。有机过氧化物很快地被分解产生氮气(N2)和3-氨基苯二甲酸(3-aminophthalic acid)和激发态的电子(excited state dianion, S1 and S2)。当激发态释放能量回到基态(ground state dianion, S0)时,多余的能量会以光子()形式释放,发出可见的蓝光。

化学示範实验:化学发光龙捲风(Chemical Tornad

图十 鲁米诺化学发光反应过程 图片来源:Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Luminol

教学提示

1. 这个示範实验所需要配製的溶液有三种,建议教师在上课前先完成溶液的配製,以利上课时示範实验的顺利进行。

2. 在示範此实验时,在灯光昏暗的房间或暗房中进行较容易观察到发光现象。

3. 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〝化学发光龙捲风〞的长度也会长很多。

4. 这个示範实验包含许多科学原理和概念,例如:龙捲风的构造、化学发光和萤光等,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。

5. 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硷性溶液皆有刺激性与腐蚀性,使用时应多加注意。

6. 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〝化学发光龙捲风〞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,〝化学发光龙捲风〞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. 在「化学发光龙捲风」示範实验中,为何A溶液与B溶液混合会发光?
答:铁离子会催化过氧化氢分解产生氧气,氧气与鲁米诺双价阴离子作用生成有机过氧化物,有机过氧化物的氮很快地被分解而产生激发态的电子,当激发态释放能量回到基态时,多余的能量会以光子形式释放,发出可见的蓝光。

3. 鲁米诺化学发光反应中所产生的发光现象为何只能持续数秒钟或数十秒钟,而不能永久发光呢?
答:鲁米诺发光是由于激发态的电子回到基态时,以光子形式释放能量而发出可见的蓝光。若所有电子都已经由激发态回基态,没有能量产生,就不会发出可见的蓝光了。

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

● 示範后的溶液倒入标示「无机物和有机物废弃桶」中。

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. INCREDIBLE TORNADO VIDEO!! YouTube, http://www.youtube.com/watch?v=DNL7ASvl4k4.
5. Tornado Destruction, http://www.youtube.com/watch?v=43VoMesUd2Q.
6. Luminol, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Luminol.
7. Crime Scene Chemistry-The Cool Blue Light of Luminol, http://www.sciencebuddies.org/sc … eas/Chem_p078.shtml

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