化學示範實驗：七彩化學小蝌蚪—半透膜（Semipermeable Membranes）

化學示範實驗：七彩化學小蝌蚪—半透膜（Semipermeable Membranes）
國立彰化師範大學化學系學生劉怡寧/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

 前言

你看過溪流湖泊裡的小蝌蚪嗎？這些小蝌蚪都是黑漆漆的！你一定沒看過住在化學系館裡的小蝌蚪，它們卻擁有「七彩」繽紛的顏色而且還活潑「游動」喔！老師要如何使這些化學小蝌蚪「誕生」呢？你知道這些小蝌蚪涉及什麼化學原理和概念嗎？

示範實驗影片

 請按此連結：七彩化學小蝌蚪—半透膜（Semipermeable Membranes），YouTube。

示範步驟

一、示範前配製溶液

1. 配製各種溶液

a. 0.025 M氫氧化鈉溶液：取0.2 g的氫氧化鈉固體，溶解於200 mL的水中，攪拌至完全溶解。
b. 0.1 M鹽酸：取1.0 mL的濃鹽酸，溶解於120 mL的水中，並且攪拌均勻。
c. 鹼性海藻酸鈉溶液：取8.0 g的海藻酸鈉粉末，溶解於250 mL的水中，加入5 mL的0.025 M氫氧化鈉，並且攪拌均勻（此溶液稱為A_b溶液）。
d. 鹼性氯化鈣溶液：取7.5 g的氯化鈣固體，溶解於1000 mL的水中，加入0.025 M的氫氧化鈉，攪拌直到溶液變得稍微混濁，然後滴入0.1 M的鹽酸直到澄清為止，以保鮮膜封存（此稱為B溶液）。

2. 配製三種指示劑

a. 酚酞指示劑（PP）：取0.2 g的酚酞粉末，溶解在10 mL的藥用酒精中，再以10 mL的蒸餾水水稀釋，然後混合均勻。
b. 間-硝基苯酚指示劑（NP）：取0.2 g的間-硝基苯酚粉末，溶解在20 mL的藥用酒精中，混合均勻。
c. 百里酚酞指示劑（TP）：取0.1 g的百里酚酞粉末，溶解在20 mL的藥用酒精中，混合均勻。

3. 配製七彩的海藻酸鈉溶液，然後調成透明無色。

a. 取1支PE滴管，用剪刀在粗管徑處剪斷而形成較大管口的滴管（此稱為粗口滴管）。
b. 準備7個透明杯，並且編號1-7，用1支粗口滴管分別加入約20 mL的海藻酸鈉溶液（A_b溶液）於杯中，此溶液呈鹼性。
c. 在各杯中，加入酚酞（PP）、間-硝基苯酚（NP）或／和百里酚酞（TP）三種指示劑調配紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫七種不同的顏色，圖一為利用PP或／和NP調配紅、橙和黃的顏色。顏色的調製可依個人的認知加以調整。指示劑的濃度要稍高一些，顏色的飽和度才會高，示範效果才會明顯。

圖一  利用PP或／和NP調配紅、橙和黃的顏色（由左而右）

d. 用1支滴管，分別滴入0.1 M的鹽酸於上述的七個透明杯中，直到指示劑的顏色消失為止（此溶液稱為A_a溶液）。

二、示範“七彩化學小蝌蚪”

1. 攜帶示範用的器材和溶液到上課的教室。這些包括1台電磁加熱攪拌器和1個攪拌磁石、1個500 mL的大燒杯內含約500 mL的B溶液、7個透明杯含A_a溶液和7支粗口滴管，以及1張白色壁報紙。

2. 在示範桌上，放置大燒杯（含B溶液）在電磁加熱攪拌器上，並放入1顆攪拌磁石。然後，開啟攪拌器的旋轉鈕，以中低速率攪拌B溶液。

3. 放置7個透明杯（含A_a溶液）在電磁加熱攪拌器的前面，並插入7支粗口滴管於各杯中，如圖二所示。

圖二  含指示劑的海藻酸鈉酸性溶液在7個透明杯中

4. 請兩位學生手持1張白色壁報紙當作背景。

5. 分別以7支粗口滴管吸取各杯中的A_a 溶液，逐滴地滴加到大燒杯中。在滴加過程中，七彩化學小蝌蚪就「誕生」了！如圖三所示。藉由磁石的攪拌，七彩化學小蝌蚪好像活潑的「游動」。

圖三  七彩化學小蝌蚪「誕生」了

器材和溶液

1. PE滴管  數支
2. 粗口滴管（用剪刀在粗管徑處剪斷的滴管）  8支
3. 剪刀  1支
4. 玻璃棒  3支
5. 透明杯  7個
6. 大燒杯（500 mL）  2個
7. 大燒杯（1000 mL）  1個
8. 電磁加熱攪拌器  1台
9. 攪拌磁石  1個
10. 氫氧化鈉（Sodium hydroxide）  0.2 g
11. 濃鹽酸（12 M） 1 mL
12. 氯化鈣（Calcium chloride）  7.5 g
13. 海藻酸鈉（Sodium alginate）  8 g
14. 藥用酒精（95% Ethanol） 50 mL
15. 酚酞（Phenolphthalein, PP）  0.2 g
16. 間-硝基苯酚（m-Nitrophenol, NP）  0.2 g
17. 百里酚酞（Thymolphthalein, TP）  0.1 g
18. 白色壁報紙  1張

原理和概念

● 海藻酸（Alginic acid）是由單醣醛酸以線性聚合而成的多醣，單體為β-D-甘露醛酸（β-D-mannuronate, M）和α-L-古羅糖醛酸（α-L-guluronate, G）。M和G單體透過1,4-糖苷鍵相連成為M-M，G-G或M-G的組合而成多醣。海藻酸鈉（Sodium alginate）是海藻酸的M和G之羧酸鈉鹽，其結構式如圖四所示。

圖四  海藻酸鈉的結構式（請參閱下面網頁的Figure 4）
參考網頁： The chemistry behind Gaviscon, http://www.chemistryinyourcupboard.org/gaviscon/3

● 在海藻酸鈉的液滴表面，透過CaCl₂的鈣離子取代海藻酸鈉的鈉離子，在海藻酸鈉的聚合物長鏈之間進行交聯作用（cross-linking），而產生海藻酸鈣（calcium alginate）。事實上，交聯作用的地區僅發生在海藻酸鈉G單體之間，這是因為此聚合物長鏈的鋸齒形的地區讓鈣離子整齊地坐在聚合物鏈之間，狀似“海藻酸筏（alginate raft）”，其結構式如圖五所示。由於海藻酸鈣的“海藻酸筏”而形成半透膜的膠囊，此膠囊包住海藻酸鈉、酸鹼指示劑和鹽酸。

圖五  海藻酸鈣之結構式，狀似“海藻酸筏”（請參閱下面網頁的Figure 5）
參考網頁：The chemistry behind Gaviscon, http://www.chemistryinyourcupboard.org/gaviscon/4

交聯作用是指聚合物的官能基之間形成本身以外的其它連結，其可以是鏈與鏈之間的作用力或鍵結（如纖維素），也可以是外加離子與鏈分子間的作用力或鍵結（如海藻酸鈣）。

透過半透膜，鹼性氯化鈣水溶液中的OH^–滲透至化學小蝌蚪的膠囊內部，囊內的H⁺碰到滲入的OH^–，先進行酸鹼中和。由於OH^–的濃度較高，為過量試劑，因此在酸鹼中和之後膠囊內部會含有過量的OH^–，而使得指示劑在鹼性的環境中呈現各種顏色，於是七彩小蝌蚪便「誕生」了！

● 在紅血球的外層也有半透膜，紅血球放入水中，水就會透過半透膜進行滲透作用，最後導致半透膜無法負荷而造成紅血球爆開。相反地，如果把紅血球放入飽和食鹽水中，紅血球中的水會透過半透膜而滲透到外面的食鹽水中，導致紅血球本身缺水而萎縮。

● 在市面上，販售的濃縮香水粒也是使用半透膜膠囊的原理；香水在膠囊中可以減少揮發而能夠維持長時間使用。在醫學上，為了防止無謂的浪費以及其他副作用，藥物也被濃縮在膠囊，而不易散開以達到更有效的藥效。在農業上，農藥被包覆在膠囊中以半透膜的方式控制其擴散量，而達到更有效的殺蟲殺菌並且減少浪費。

● 國外美食界「分子廚藝」料理手法中的雞尾酒，其實就是利用海藻酸鈣而生成的半透膜包覆各種口味的果汁。半透膜顆粒經咀嚼後，裡面的汁液會爆開，然後與一同飲入的基底酒混合，就在口中調製成傳統的雞尾酒。

● 七彩化學小蝌蚪中所使用的酚酞（PP）、間-硝基苯酚（NP）和百里酚酞（TP）三種指示劑有一共通點，便是在酸性環境中皆呈現無色。在鹼性環境中分別呈現三種原色：紅色、黃色和藍色。利用這三種原色便可調配成紅、橙、黃、綠、藍、靛和紫七種不同的顏色。七彩化學小蝌蚪的七種顏色，有些是單一指示劑的顏色，有些是兩種指示劑的混合顏色，指示劑的顏色具有加成性。此三種指示劑的pH值範圍與變色，如下表所示。

● 本示範實驗使用的酚酞指示劑是一種弱有機酸，當0＜pH＞8.2時，呈無色的內酯式結構，當10＜pH＞8.2時，為紅色的醌式結構，其顏色變化的結構式如下圖六所示：

圖六  酚酞指示劑的顏色變化之結構式
圖片來源：Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein

● 有些植物在不同土壤中會開出不同顏色的花，如：繡球花（鹼性：藍色，酸性：紅色）、牽牛花（鹼性：藍色，酸性：紅色），這是花青素受到酸鹼改變顏色的實例。花瓣、蔬果中的花青素是天然的酸鹼指示劑。實驗室中常用的石蕊試紙在最初發現時便是從植物中萃取所得。

教學提示

1. 配製海藻酸鈉溶液時，使用室溫的水中溶解速率很慢，建議使用熱水溶解之，最好在演示實驗前事先配製好此溶液。

2. 使用較粗的滴管管口，會形成較大隻的小蝌蚪，而且較易觀察，顏色的持續時間也會較久。

3. 示範時必須注意背景，最好使用白色背景。若背景太雜亂或對比不夠強烈，則學生不易觀察到七彩的化學小蝌蚪。

4. 大班級最好用1000 mL容量的大燒杯，內裝約800-900 mL的鹼性氯化鈣溶液，學生較易觀察。

5. 鹼性的氯化鈣溶液暴露在空氣中的時間過久易生成碳酸鈣，使得溶液變得混濁。建議在演示前半小時至一小時才配製，並以保鮮膜封存；若溶液變得混濁，可滴加些許的稀鹽酸，並且稍微攪拌促使溶液變為透明澄清為止，不可滴加過多的鹽酸。配製酸鹼溶液時，應該戴上橡膠手套。海藻酸鈉和氯化鈣溶液都是無害的，本示範實驗無特別的危險性。

6. 雖然這是一個化學示範實驗，教師也可以改成有趣的化學實驗，讓學生親自動手做。

7. 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。

8. 這個示範實驗剩餘的溶液可用合適的塑膠瓶裝妥並蓋緊，其他的溶液和器材可重複使用，最好裝在一個標示「彩化學小蝌蚪—半透膜」或放在相似主題的置物箱中備用，方便帶到教室上課。

問題和參考答案

1. 指示劑的用處為何？
答：酸鹼指示劑可以用來分辨各物質的酸鹼性。

2. 為什麼鈣離子可以抓住海藻酸鈉？
答：鈣離子帶有兩個正電，可以與海藻酸鈉的羧酸離子結合，進行交聯作用而形成海藻酸鈣，進而形成半透膜的膠囊。

3. 七彩小蝌蚪如何「誕生」呢？
答：透過半透膜，鹼性氯化鈣水溶液中的OH^–滲透至化學小蝌蚪的膠囊內部，囊內的H⁺碰到滲入的OH^–，先進行酸鹼中和。由於OH^–的濃度較高，為過量試劑，因此在酸鹼中和之後膠囊內部會含有過量的OH^–，而使得指示劑在鹼性的環境中呈現各種顏色，於是七彩小蝌蚪便「誕生」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

● 七彩小蝌蚪含指示劑，此固體物撈起並放入有機物的廢棄統中。
● 本實驗的液體直接以大量的水沖掉即可。

參考資料

1. Alginate Properties, http://www.openwetware.org/wiki/ … alginate_properties.
2. Alginic Acid, http://en.wikipedia.org/wiki/Alginic_acid.
3. The chemistry behind Gaviscon, http://www.chemistryinyourcupboard.org/gaviscon/3.
4. Phenolphthalein, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein.
5. 化學粉圓和化學毛毛蟲，2007白沙化學驚奇秀， http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/3黃堯琮4.pdf。
6. 杯中的彩虹，2007白沙化學驚奇秀， http://chemed.ncue.edu.tw/chemdemo/92/CHEMED/10陳軒弘8.pdf 。
7. 台北晶華酒店推出「夢幻調酒三部曲」，台灣商務新聞通訊社，http://www.taiwanpage.com.tw/news/000015710.html。