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趣味化學實驗與科學思考

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資料來源: 科學研習月刊43-7

文/蕭次融/大學入學考試中心研究發展處

化學是探討物質的性質及其變化的科學，也是實驗的科學。有些從事化學教育的學者專家認為學生在中等學校的階段，透過實驗來學習化學最有效，而認知還在具體操作期的小學生，更需要實驗來幫助了解化學原理。化學變化的分類方式有多種，一般將其分為四種：(一)化合、(二)分解、(三)置換、(四)複分解；但也可依氧化數的變化以及生成物產生沉澱與否，而將化學反應分為凡人類：(一)氧化還原反應；(二)酸鹼反應；(三)沉澱反應。本篇以「趣味化學實驗與科學思考」為標題，對上述的四種反應各舉簡而有趣的化學（ Plain and Attractive Chemistry，簡稱 PAC）實驗提供教師作為演示實驗或學生實驗。這四種反應中，化合、分解與置換都屬於氧化還原反應，而複分解則多屬於酸鹼反應，但也有沉澱反應與氧化還原反應者。

一、化合與分解

（一）目的

1.利用兩種元素，鋅與碘，直接反應，化合成碘化鋅。
2.電解由化合所得的碘化鋅溶液，取回碘與鋅。
3.透過實驗讓學生能親眼目睹化學反應，亦即I2和Zn。的反應與其逆反應。
4.體會化合與分解的定義，被學習推測可能的生成物以及如何書寫化學反應式。

(二)器材

(三)實驗步驟

（甲）鋅與碘的化合

1.取 5 克的鋅粉與 5 克的碘粒，置於研缽研磨數分鐘（此操作，不會有任何明顯反應〉。得混合粉末。
2.次將混合粉末移入大試管，輕蓋一個配有吸管的木塞（吸管內吸有水約 2 毫升），如圖一所示。
3.從滴管滴下水數滴，即見混合物冒出紅紫色氣體，試管底部發熱而有黃褐色液體。此時，再慢慢加水，一邊搖動試管讓昇華後凝華而附著在試管壁的碘繼續反應。加完水數分鐘後，可能還可以見到試管上端有紫黑色固體附著於管壁。
4.取下試管塞，用另一根長吸管吸取溶液，洗下管壁上的顆粒，即見顆粒溶解。黃褐色溶液沿管壁流下，使碘再與鋅粉作用。靜置數分鐘，見試管底部何未反應的金屬粉末沙與無色透明的溶液。

(乙)碘化鋅的分解

5.用吸管吸取試管內的混合物過濾，得無色透明濾液（過濾方法參考附錄中「簡易加壓過濾法」
6.取上述無色透明的濾液數滴於水彩畫用的調色盤上，然後用迥紋針為陽極，銅線（或黃銅釘）為陰極，電解濾液數秒鐘，如圖二所示。即見鋼線上端為亮亮的銀灰色沉澱物所覆蓋，而迥紋針上有褐色固體析出，但會脫落溶解成黃褐色溶液。若在黃褐色溶液上滴下澱粉液，立即呈現藍色。

（四）問題

1.在實驗步驟 3，「從滴管滴下水數滴，即見混合物冒出紅紫色氣體」。試問「水」在此反應中，扮演何種角色？
2.在實驗步驟 6 ，電解碘化鋅溶液時，為什麼陰極用銅線（或黃鋼釘）而不用迴紋針？

（五）教師手冊

本實驗包含兩部分：（一）化合與（二）分解。兩部分的實驗因相關，宜連續做，但也可分開單獨做。若分開單獨做時，第二部分的「（乙）碘化鋅的分解」，教師最好在很短的時問內演示第一部分的「（甲）鋅與碘的化合」，然後直接給學生已過濾好的碘化鉀澄清溶液約1mL ，學生則做步驟6，在調色盤操作電解。

（ A ）教師演示實驗

1.取約 10 克的鋅粉與約 10 克的碘粒，置於研缽研廢數分鐘，不見有任何反應。（給學生看）
2.先準備一個無色透明的塑膠袋（約 25cm × 35cm )，並將其充滿空氣，袋口向下倒置於桌上後，用吸管吸取清水約2mL，滴入研缽即見冒出紫色氣體，相當壯觀，但因碘蒸氣有毒，應立即以塑膠袋蓋住，以免碘蒸氣擴散。
3.俟研缽不再冒碘蒸氣後，移去塑膠袋。在研缽壁上未反應的碘粒，用滴竹吸一些溶液將其沖入溶液中，即見碘又反應，但不再冒濃煙。
4.依前述學生實驗的步驟 5 的方式過濾碘化鉀溶液。

(B)補充說明

1.步驟 1 表示鋅與碘即使混合磨成粉末，也不起化學反應，但一加水，即見其放熱反應，留出紅紫色碘蒸氣。水在此反應中，扮演了重要的催化角色，可用下列反應式表示：

這是很典型的化合反應，由二種元素變成一種化合物。若將混合後的粉末移置於蒸發皿上，然後加水，即刻冒出紅紫色煙，著實相當狀觀。（但為了避免吸入碘蒸氣．還是用步驟 2 與 3 的方法比較妥當）
2.步驟 6 是電解，也是很典型的分解反應之一，由一種化合物分解成兩種物質，可以用反應式表示如下：

3.電解時，陰極起還原反應，產生鋅。因金屬鋅的顏色與迥紋針的顏色相近，不易分辨，但鋅沉澱在銅線或銅釘上，則容易觀察到。

(C)廢棄物的處理

1.碘化鋅溶液沖稀後可以放流（因鋅過量，不會有未反應的碘留下來，而且量很少）。
2.鋅應回收。收集全班的鋅粉，用清水洗滌數次後，置於錶玻璃或研缽曬乾，絕不可置於舉塑膠製器皿或可燃的物體上晾乾（即將乾的鋅粉，有自行起火燃燒塑膠的可能性）。

（六）附錄：簡易加壓過濾法

在實驗室雖然有很多過濾的方法，但若試樣的量非常少，例如只有1毫升，則一般的過濾方法均因太少而不適用。這時可採用滴管過濾，方法如下 : 1.取下玻璃滴管的橡膠乳頭。
2.取脫脂棉花一小塊．溼潤後以玻璃捧將其壓進玻璃滴管內，如圖(a)所示（鬆緊視需要調整），即得一支過濾滴管。
3.以另一支滴管吸取需要過濾的混合物溶液後，將其滴入於過濾用的滴管內。
4.若混合物不易過濾，在過濾用滴管上套回橡膠乳頭後，輕壓橡膠，即見混合物滴管被加壓而濾過棉花，而得澄清的濾液。

二、置換反應

(甲)銅幣變銀幣

(一)目的

以簡單的實驗讓學生了解金屬活性的不同所引起的置換反應，被藉由鋼幣變銀幣的趣味實驗，以提高學生學習化學的興趣。

（二）器材

註：硝酸汞耍使用飽和溶液，並裝於點眼滴瓶。

（三）實驗步驟

1.取一元銅幣一個（新舊銅幣均可），用鑷子夾住後在銅幣上面滴下一滴硝酸汞飽和溶液，然後用棉花棒擦塗銅幣的一半（同一面的一半留供比較），即見擦塗過的銅幣表面呈現銀色。
2.將上一步驟的一元銅幣放入杯中水洗後用面紙擦乾，則得光亮的銀色，與沒擦塗硝酸汞的一半相比較，有何不同？
3.仔細觀察棉棒塗擦前後有何不同？
注意；硝酸汞有毒(管制品)，必須小心使用，最好戴上外科醫生用的手套，用後要洗乾淨兩手。用過的棉花棒要聽從教師指示，回收集中處理。

(乙)鐵釘變銅釘

(一)目的

利用日常生活中容易取得的鐵釘與食醋，讓學生了解置換反應。

（二）器材

（三）實驗步驟

1.用透明塑膠杯取食醋約10毫升，放進 6 個舊硬幣（一元的銅幣），偶而用竹筷子翻動銅幣，仔細觀察銅幣表面有何變化。
2.約五分鐘後，用竹筷子取出銅幣（變亮了）三個，二正一反直接放在面紙上，其他三個用水清洗後，用面紙擦乾，也是二正一反放在面紙上，供作比較。
3.將浸泡過銅幣的食醋倒入底片盒中，放入兩之鐵釘或迴紋針(表面沒沾油，而且沒生鏽的，長度要夠長，要有一部份露出液面以便對照)，不久即見有氣泡附在鐵釘上。
4.數十分鐘後，即見浸泡在溶液中的鐵釘表面，為一層紅銅色所覆蓋。
5.取出鐵釘後用水清洗乾淨。放置一段時間後，再看看銅色是否改變。
6.比較步驟 2 ，面紙上的銅幣，沒用水清洗的銅幣與清洗過的銅幣上有何不同？綠色的表面是什麼？
注意：廢液要聽從教師指示，集中後處理。

（四）問題

1.試問在（甲）實驗的步驟 3，塗擦銅幣後的棉花捧上是否還殘留有硝酸汞？要如何檢驗？
2.試問在（乙）實驗的步驟 2，銅幣為何變亮了？若改用硝酸以替代食醋來洗銅幣，試推測結果會怎樣？

（五〉教師手冊

（甲）鋼幣變銀幣

1.金屬活性次序在貴金屬的部份是銅、汞、銀、鉑、金．因此銅可以取代汞，用反應式表示如下：

由上式可見汞離子，

，被取代而析出金屬(Hg)。汞在常溫是液態，但因其容易與其他金屬構成合金成汞齊(銅汞齊是固態)，可用反應式表示：

2.在棉花棒上：可以看出式(1)所析出的藍色銅離子，但若用來塗擦的銅幣表面不很乾淨。
3.汞的化合物有毒，實驗後必須要求學生洗乾淨兩手，而且廢棄物要聽從教師指示處理。
4.汞化合物的廢棄物（溶液）收集後，加碘化鉀溶液或硫化鈉溶液使其成為碘化汞或硫化汞沉澱、過濾後沉澱貯存，交業者處理。
5.要檢驗棉花棒上是否有硝酸汞殘留，最好以碘化鉀溶液檢驗，因碘化汞的沉澱呈朱紅色易見，而且其Ksp很小。

(乙)鐵釘變銅釘

1.以上實驗說明了食醋洗淨了銅幣上的氧化銅或其他銅的化合物，但不傷及金屬銅本身，反應式如下：

2.步驟3與4，說明了留在食醋中的銅離子，被鐵釘的鐵所置換，反應式如下：

3.一般的銅綠是鹼式碳酸銅，但是銅幣表面上的成份相當複雜。
4.若沒有鐵釘，可用迴紋針（沒有塑膠皮包的）替代。
5.若用硝酸替代食醋以洗銅幣，結果會因稀硝酸仍具有氧化性，不僅與銅幣表面的銅化合物反應，而且會與銅幣本身(亦即銅)反應，產生有毒的氧化氮，反應式如下：

三、複分解（酸鹼中和反應）

固體食鹽的直接製法

(一)目的

使用濃鹽酸與氫氣化鈉顆粒直接作用，以演示酸鹼中和產生固體的「鹽」，以肉眼即可看到的食鹽顆粒，並演示簡易減壓抽濾法。

（二）器材

注意：本實驗使用濃酸濃鹼，需要特別注意安全，沒有教師的允許與監督，學生不可動手操作，尤其下列實驗步驟2。

（三）實驗步驟

1.用硬試管取氫氧化鈉顆粒 2~4 克（約 6~10 粒，不可太多）。
2.用滴管吸取濃鹽酸後，一滴一滴慢慢地滴入試管。每滴一滴濃鹽酸即有相當劇烈的反應，產生大量的熱，甚至發煙並發出嘶嘶聲。
3.用玻璃棒攪拌，即見有白色的小顆粒沉澱，若鹽酸與氫氣化鈉的作用太劇烈，則用冷水浴冷卻試管，作用完畢還要多加濃鹽酸，再攪拌確保沒有氫氧化鈉殘留。
4.用簡易減壓過濾裝置（如圖四，取自蕭次融，科學教育月刊， 208 期 40 頁， 87 年 3 月）過濾，抽乾後用清水數滴清洗固體數次，至濾液呈現中性為止，即得 NaCl晶體。

（四）問題

1.實驗步驟 2 ，為何產生大量的熱？
2.簡易減壓過濾裝置中的注射筒為何可打一個小孔，有何作用？若注射筒上不打孔，要如何才能達到減壓過濾的目的？

（五）教師手冊

1.教師在複分解的單元，教學時最常引用的例子是稀鹽酸與硝酸銀的作用，或鹽酸與氫氣化鈉的中和反應。後者也是酸鹼中和產生鹽的一個例子，雖然可以用反應式表示：

並說中和後的水溶液蒸乾即得固形的食鹽，但是蒸乾費時而艮所得固形食鹽的量很少，且外觀不像通常我們所見到的食鹽。本實驗則直接用濃鹽酸與固體的氫氣化鈉反應以得固體的食鹽。此反應產生大量的中和熱，因反應中的「水份」很少，使得反應混合物升高溫度甚多。此反應可用反應式表示：

式中（conc）表示濃的溶液，亦即使用濃鹽酸之意。演示本實驗時，教師必須帶護目鏡與塑膠手套，以策安全。
2.做科展或從事特別研究的高中生，得允許其親自操作實驗，但必需交代清楚有關強酸強鹼與其反應、應特別注意的事項，並接受教師的指導，尤其操作步驟 2 與步驟 3 時，濃鹽酸必須一滴一滴地慢慢加，抓時時攪拌。
3.所製作的食鹽成品必須檢驗其酸鹼值、確保中性，否則不可試嚐。
4.若注射筒上沒有打一小孔，則注射筒的活塞抽了後就難於壓回原狀。若筒上沒打孔，在軟管間要裝一個三向閥才可以完成減壓過濾。