化學教育

3D有趣實驗：美麗彩虹的消失（Chemical Whoosh Bottles）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生許紘齊 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「3D有趣實驗：美麗彩虹的消失〔I〕」

原理和概念

• 酸鹼指示劑的作用原理是當環境發生pH值改變時，自身的形態會改變，從而改變顏色，透過顏色的改變來指示滴定的終點。在滴定終點的附近，指示劑變色的過程中，會呈現出一種中間的顏色，處在這個過程中的範圍稱為指示劑的變色範圍。選擇指示劑的標準，一是變色範圍（包括終點），二是反應靈敏。也就是說，一種合適的指示劑在達到終點時必須很快的變色。常用的酸鹼指示劑之變色，如表一所示。
  

  表一 常用的酸鹼指示劑之變色

• 本實驗使用的酚酞（phenolphthalein）、間硝基苯酚（m –nitrophenol）和百里酚酞（thymolphthalein）三者皆為酸鹼指示劑，依照溶液環境的pH值的不同而顯現出不同的顏色，如表一所示的前三者。利用這些酸鹼指示劑的特性，在高pH值的環境下，溶液呈分別現出紅、黃、藍三種顏色。再藉由這三種指示劑之二種，以不同比例混合，使顏色混合呈現出橙（紅加黃：酚酞加間硝基苯酚）、綠（黃加藍：間硝基苯酚加百里酚酞）、紫（紅加藍：酚酞加百里酚酞）三種顏色。這三種指示劑具有共通點，就是在酸性環境中皆呈現無色。
• 乾冰（Dry Ice）是二氧化碳（carbon dioxide）的固體形式，二氧化碳略溶於水，容於水中隨之發生化學反應，產生碳酸（carbonic acid），如反應式[1]所示。碳酸與溶液中的氫氧化鈉反應，發生酸鹼中和，產生碳酸鈉，如反應式[2]所示。乾冰直接與氫氧化鈉反應，產生碳酸鈉，如反應式[3]所示。亦即，反應式[3]為反應式[1]和[2]之和。本實驗是透過乾冰的酸性，使溶液的pH值下降，進而使指示劑逐漸趨向無色。

  CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)    [1]
  H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) → Na2CO3(aq) + H2O(l)    [2]
  2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)    [3]

3D有趣實驗：化學咻聲瓶（Chemical Whoosh Bottles）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生王楨 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

請按此連結，參閱「3D有趣實驗：化學咻聲瓶〔I〕」

原理和概念

• 本實驗使用的藥用酒精，含95%乙醇（ethanol），乙醇為低沸點的醇類。當少量的乙醇置入有一小孔洞的塑膠瓶中時，氣態乙醇與空氣形成氣體混合物，在瓶口的混合物剛好提供了燃燒的必要條件之二條件－可燃物和助燃物；用點火槍點燃時，提供燃燒的第三個必要條件－達到燃燒的溫度。
• 乙醇易與氧氣發生反應，點火後發生燃燒產生氧化還原反應，過程中伴隨著火焰的產生及能量的釋放。乙醇在空氣中燃燒的反應及其燃燒熱，如下反應式所示：

  C2H5OH(g) + 3O2(g) → 2CO2(g) + 3H2O(l)  ΔHc = -1409.26 kJ/mol

• 乙醇剛開始燃燒時，在瓶蓋孔洞附近的氧氣的相對濃度較高，因此氣態酒精的燃燒速率率極快。然而，燃燒到瓶蓋孔洞下方時，由於空氣只能從小孔洞進入，無法瞬間大量進入，此時氧氣的相對濃度較低，因此氣態乙醇並非一次全部燃燒，導致的燃燒速率變慢，而造成由上往下漸層的燃燒效果。
• 由於氣態乙醇比酒精燈的液態乙醇的粒子表面積較大且活化能較低，因此氣態乙醇的燃燒速率比液態乙醇快。再者，由於酒精塊的酒精分子被醋酸鈣緊緊抓住（亦即酒精與醋酸鈣之間有強的氫鍵和離子－偶極吸引力），因此酒精燈的液態乙醇的燃燒速率比酒精塊的膠態酒精為快。
• 由於氣態乙醇的燃燒反應非常快速且發生在具有小孔洞的瓶內，乙醇燃燒產生的高熱使二氧化碳氣體和水蒸氣快速膨脹，並衝出瓶蓋的孔洞，發出類似”咻”的尖銳聲響。
• 不同的醇類會有不同的燃燒效果，像是焰色或是聲音的不同。若是使用甲醇則反應會較快，焰色則為藍色；若是使用正丙醇或異丙醇，則聲音會有些微不同，反應會較慢更易觀察，並產生藍色或黃色的火焰。

3D有趣實驗：鎂粉的爆炸 (Magnesium Powder Explosions)〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生李錡峰 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

實驗影片

請按此連結，參閱「3D有趣實驗：鎂粉的爆炸〔I〕」