化學示範實驗：化學發光龍捲風（Chemical Tornado Formation by Chemiluminescences）〔II〕

化學示範實驗：化學發光龍捲風（Chemical Tornado Formation by Chemiluminescences）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生葉明蕙 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

連結：化學發光龍捲風〔I〕

原理和概念

● 龍捲風（Tornado）是一種相當猛烈的天氣現象，由於快速旋轉而造成直立中空管狀的氣流。龍捲風大小不一，但形狀一般呈現上大下小的漏斗狀，如圖八所示。

圖八 漏斗狀的龍捲風 圖片來源：Tlindenbaum, http://www.flickr.com/photos/lindenbaum/328304747/

●  在龍捲風的內部是非常快速的擾動狀態，但是在龍捲風的上方切線方向之外面幾乎不會受到龍捲風的影響，在龍捲風的下方或附近則會受到快速擾動，與地面 接觸並且時常被一團塵土或碎片殘骸等包圍，如圖九所示。因此，我們看到新聞報導常會聽到龍捲風經過的路徑會滿目瘡痍，但是沒有經過的地方不會受到影響。

圖九 龍捲風的下方或附近受到快速擾動 圖片來源：http://25frames.org/php_filme/print_movie.php?film_id=10584

● 當滴入魯米諾的鹼性溶液時，形成〝化學發光龍捲風〞的過程如下：（1）首先在漏斗狀上方形成胖寬的藍色螢光漩渦，但未到達燒杯底部。（2）藍色螢光龍捲風 的長度逐漸增長，延伸到轉動的磁石處，並且在杯底的磁石周圍處消失。（3）然後漏斗狀上方胖寬的藍色螢光龍捲風由上而下消失。（4）在胖寬漩渦的消失過程 中，出現瘦長的藍色螢光柱狀結構。（5）接著細長的藍色螢光柱狀結構上方開始消失，再來下方柱狀也消失，形成一條較短的藍色螢光柱狀結構。（6）最後全部 的藍色螢光柱狀結構消失。

● 由〝化學發光龍捲風〞的形成過程中，我們可以發現龍捲風的氣流分為二層：（1）內層：直立管狀最中間瘦長的柱狀結構，旋轉的速度較慢。（2）外層：直立管 狀的中間第二層寬胖的漏斗狀結構，旋轉的速度較快，是非常快速的擾動狀態。在第二層漏斗狀結構的外面，旋轉的速度最慢，幾乎不會受到影響。我們也可以發現 在龍捲風的上方的切線方向之外面幾乎不會受到影響，但是在龍捲風的下方或附近則會受到快速擾動。

● 本示範實驗的〝化學發光龍捲風〞是利用龍捲風的特性，在溶液中的漩渦處和龍捲風的最中間瘦長柱狀的內層會形成像未混合的異質混合物般不均勻地攪拌，與一般的攪拌溶液促使混合均勻有很大的不同。

● 魯米諾化學發光反應中，魯米諾必須先被氧化劑活化。活化劑通常使用過氧化氫（H₂O₂）和氫氧化物的混合水溶液。如果碰到含鐵化合物會催化過氧化氫，使過氧化氫分解成氧氣和水，並且釋放大量的能量，如下反應式所示：

2H₂O₂ → O₂ + H₂O + heat

● 在實驗室中，所使用的催化劑通常是鐵氰化鉀K₃[Fe(CN)₆]；在法醫檢測中，是血紅素中的鐵當作催化劑，而在各種生物系統中的酶也可催化使過氧化氫分解。

● 魯米諾化學發光反應過程如圖十所示：魯米諾（luminol）與氫氧化物反應形成雙價陰離子（dianion）。再者，過氧化氫分解所產生的氧氣（O₂）與魯米諾雙價陰離子作用生成非常不穩定的有機過氧化物（unstable organic peroxide）。有機過氧化物很快地被分解產生氮氣（N₂）和3-氨基苯二甲酸（3-aminophthalic acid）和激發態的電子（excited state dianion, S₁ and S₂）。當激發態釋放能量回到基態（ground state dianion, S₀）時，多餘的能量會以光子（hν）形式釋放，發出可見的藍光。

圖十 魯米諾化學發光反應過程 圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Luminol

教學提示

1. 這個示範實驗所需要配製的溶液有三種，建議教師在上課前先完成溶液的配製，以利上課時示範實驗的順利進行。

2. 在示範此實驗時，在燈光昏暗的房間或暗房中進行較容易觀察到發光現象。

3. 這個示範實驗可以使用大量筒取代大燒杯，由於大量筒的高度高於大燒杯很多，因此形成〝化學發光龍捲風〞的長度也會長很多。

4. 這個示範實驗包含許多科學原理和概念，例如：龍捲風的構造、化學發光和螢光等，教師可以配合單元的需求或學生的程度介紹部分的概念。此示範實驗也可以融入氣象學，引起學生的學習地球科學的興趣。

5. 放入磁石攪拌時，攪拌的速率應由慢漸增，以免溶液噴濺。此示範實驗所使用的鹼性溶液皆有刺激性與腐蝕性，使用時應多加注意。

6. 提醒示範者：現場演示示範實驗所展現的變化現象的臨場感，以及激發互動討論的教學效果，比單純的播放影片好很多。

問題和參考答案

1. 試說明本示範實驗的〝化學發光龍捲風〞具有氣象學的龍捲風之特性。
答：龍捲風是一種相當猛烈的天氣現象，由於快速旋轉造成直立中空管狀的氣流。在電磁加熱攪拌器的磁石快速攪拌下，〝化學發光龍捲風〞呈現上大下小的漏斗 狀。我們亦可觀察到此〝龍捲風〞的結構內是非常快速的擾動狀態，但是在上方切線的方向之外幾乎不會受到影響，而在下方或附近則會受到快速擾動，這些現象與 氣象學的龍捲風相似。

2. 在「化學發光龍捲風」示範實驗中，為何A溶液與B溶液混合會發光？
答：鐵離子會催化過氧化氫分解產生氧氣，氧氣與魯米諾雙價陰離子作用生成有機過氧化物，有機過氧化物的氮很快地被分解而產生激發態的電子，當激發態釋放能量回到基態時，多餘的能量會以光子形式釋放，發出可見的藍光。

3. 魯米諾化學發光反應中所產生的發光現象為何只能持續數秒鐘或數十秒鐘，而不能永久發光呢？
答：魯米諾發光是由於激發態的電子回到基態時，以光子形式釋放能量而發出可見的藍光。若所有電子都已經由激發態回基態，沒有能量產生，就不會發出可見的藍光了。

安全

● 示範這個實驗最好戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

● 示範後的溶液倒入標示「無機物和有機物廢棄桶」中。

參考資料

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. 龍捲風，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/龍捲風。
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