化學示範實驗：化學酸鹼龍捲風（Chemical Tornadoes by Acid-Base Reactions）

化學示範實驗：化學酸鹼龍捲風（Chemical Tornadoes by Acid-Base Reactions）
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

前言

龍捲風是一種相當猛烈的天氣現象，在台灣我們不容易見到這種天氣現象，在這個示範實驗中我們要製造一個類比的龍捲風—〝化學酸鹼龍捲風〞！利用磁石攪拌溶液產生類似龍捲風的漩渦，然後再滴入另一溶液與原本的溶液產生有顏色變化的化學反應，讓我們能夠清楚地觀察〝化學酸鹼龍捲風〞。

示範實驗影片

請按此連結：化學酸鹼龍捲風（Chemical Tornado Formation by Acid-Base Reactions），YouTube。

示範步驟

1. 準備此示範實驗所需的藥品與器材到上課教室，這些包括1台電磁加熱攪拌器及1個磁石、1個1000 mL的燒杯內裝0.01 M的鹽酸、1個100 mL的燒杯內裝0.1 M的氫氧化鈉、1個100 mL的燒杯內裝0.1 M的鹽酸、少許酚酞指示劑以及3支PE滴管，如圖一所示。

圖一  本示範實驗所需的藥品與器材

2. 到上課教室後，放置1000 mL的燒杯（內裝0.01 M的鹽酸）於電磁加熱攪拌器上。然後，放入1個磁石於溶液中。電磁加熱攪拌器插入電源後，開取攪拌速率旋轉鈕，以由慢漸增的方式攪拌溶液，使磁石能穩定地且快速地旋轉。最佳〝龍捲風〞為在溶液的中心位置形成龍捲風般的漩渦，在溶液的表面中心位置形成倒置的凹陷三角形，如圖二所示。
 

圖二  攪拌使溶液的中心位置形成龍捲風般的漩渦

3. 加入2-3 mL的酚酞指示劑到燒杯中，並且攪拌均勻使之擴散到整個溶液中。

4. 滴入3-5滴的0.1 M的氫氧化鈉溶液在燒杯內溶液的表面中心位置。此時，無色的〝龍捲風〞漩渦立即變為粉紅色的，並且持續一段時間後才消失，如圖三所示。
 

圖三  粉紅色的〝化學酸鹼龍捲風〞

5. 重複步驟3數次，直到燒杯中的整個溶液變為紅色時才結束滴加氫氧化鈉溶液，此時氫氧化鈉為過量試劑，如圖四所示。

圖四  當氫氧化鈉為過量試劑時整個溶液變為紅色

6. 若想要觀察更多次的〝龍捲風〞漩渦之顏色變化，則可以加入0.1 M的鹽酸使溶液的顏色回來的無色且稍加過量。然後重複步驟4，繼續觀察〝化學酸鹼龍捲風〞。

藥品與器材

1. 電磁加熱攪拌器  1台
2. 磁石  1個
3. 大燒杯（容量1000 mL） 1個
4. 稀鹽酸（0.01 M HCl） 800 mL
5. 小燒杯（容量100 mL）  2個
6. 氫氧化鈉溶液（0.1 M NaOH)  50 mL
7. 稀鹽酸（0.1 M HCl） 50 mL
8. 酚酞指示劑  10 mL
9. 塑膠滴管  2支

原理和概念

● 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。龍捲風大小不一，但形狀一般都呈上大下小的漏斗狀，如圖五所示。
 

圖五  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，但是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，如圖六所示。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。
 

圖六  龍捲風的下方或附近受到快速擾動
圖片來源：Jmos&reg, http://www.flickr.com/photos/indigente/798304/

●  當滴入氫氧化鈉溶液時，形成〝化學酸鹼龍捲風〞的過程如下：（1）首先在漏斗狀上方形成胖寬的紅色漩渦，但未到達燒杯底部。（2）紅色龍捲風的長度增長，延伸到轉動的磁石處，並且在杯底消失。（3）然後漏斗狀上方胖寬的紅色龍捲風由上而下消失。（4）在胖寬漩渦的消失過程中，出現瘦長的紅色柱狀結構。（5）接著細長的紅色柱狀結構上方開始消失，接著下方也消失，形成一條較短的紅色柱狀結構。（6）最後全部的紅色柱狀結構消失。

●  由〝化學酸鹼龍捲風〞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〝化學酸鹼龍捲風〞是利用龍捲風的特性，在溶液中的漩渦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。

● 在此示範實驗中，使用酚酞（Phenolphthalein）當作酸鹼指示劑。酸鹼指示劑是用來測試pH值的試劑，通常它們是有機染料，本身是弱酸或弱鹼，在滴入溶液時酸鹼指示劑會與氫離子（H⁺）或氫氧離子（OH⁻）反應，轉變成相對應的酸式或鹼式，因而顯示不同的顏色。

酚酞是一種弱的有機酸，通常會以H₂In表示。酚酞在pH＜8.2的溶液裡為無色；在pH＞10的溶液裡為粉紅色。反應式如下所示：

H₂In（無色） ⇌ 2H⁺ + In²⁻（粉紅色）

● 酚酞指示劑的酸鹼變色：H₂In（無色） ⇌ 2H⁺ + In²⁻（粉紅色），可以利用勒沙特列原理來解釋。當酚酞在鹼性的環境下，氫氧離子（OH⁻）與氫離子（H⁺）反應，導致氫離子減少，平衡位置往右移動，溶液呈粉紅色；反之，當酚酞在酸性的環境下，氫離子（H⁺）增加，平衡位置往左移動，溶液呈無色。

● 在此示範實驗中，也涉及到限量試劑和過量試劑的概念。限量試劑即在化學反應中最先用盡的化合物，使得反應終止。更進一步說明，就是反應物的莫耳數除以反應係數，所得比值最小者即為限量試劑。相反地，反應物的莫耳數除以反應係數，所得比值最大者即為過量試劑。

以酸鹼反應說明，若添加氫氧化鈉是限量的，則最初產生的〝龍捲風〞顏色會褪為原來的無色，因為氫氧化鈉被用盡了。這示範實驗可以反覆進行直至添加到漩渦中的氫氧化鈉為過量試劑，此時溶液的顏色不會褪回原來的無色。

教學提示

1. 在示範〝化學酸鹼龍捲風〞實驗時，必須注意背景是否太過於雜亂，雜亂的背景會影響學生的觀察。若燒杯放置淡色的背景，則學生能清楚地觀察顏色的變化以及〝化龍捲風〞漩渦的結構。

2. 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〝化學酸鹼龍捲風〞的漩渦的長度也長很多。

3. 這個示範實驗包含了許多科學原理和概念，例如：龍捲風的構造、酸鹼指示劑、勒沙特列原理、限量試劑和過量試劑等，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。

4. 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酸鹼溶液皆有刺激性與腐蝕性，使用時應多加注意。

5. 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〝化學酸鹼龍捲風〞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，形狀的〝龍捲風〞漩渦亦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. 我們經常使用的酸鹼指示劑，例如：石蕊、酚酞…等，它們為何可以用來測試酸鹼呢？
答：酸鹼指示劑可用於測試酸鹼是由於它們本身為弱酸或弱鹼，在滴入溶液時酸鹼指示劑會與氫離子或氫氧離子反應，轉變成相對應的酸式或鹼式，因而顯示不同的鹽色。亦即藉由觀察顏色的變化，而得知溶液的酸鹼性。另外，由於各種指示劑的變色範圍不盡相同，因此選擇適當的指示劑可以作為判定的酸鹼的指標。

3. 酚酞指示劑的酸鹼變色：H₂In（無色） ⇌ 2H⁺ + In²⁻（粉紅色），試以勒沙特列原理來解釋其變色現象。
答：當酚酞指示劑在鹼性的環境下，氫氧離子（OH⁻）與氫離子（H⁺）反應，導致氫離子減少，平衡位置往右移動，溶液呈粉紅色；反之，當酚酞指示劑在酸性的環境下，氫離子增加，平衡位置往左移動，溶液呈無色。

4. 一般使用酚酞指示劑於滴定實驗時，為何由無色變成粉紅色作為溶液由酸性變鹼性的指標，而不是由粉紅色變無色作為溶液由鹼性變成酸性的指標？
答： 酚酞指示劑的變色範圍在pH值8.2~10之間，pH值小於8.2為無色，pH值大於10為粉紅色。因此，當溶液變為粉紅色時，我們可以確定其pH值大於8.2，一定是鹼性。但是，若溶液呈現無色，則其pH值還是有可能大於7，我們不能百分之百確定溶液為酸性。

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

● 示範後的溶液以酚酞指示劑加入酸性或鹼性溶液調成中性後，再用大量的水沖掉。

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. 酸鹼指示劑，維基百科，http://zh.wikipedia.org/zh-tw/酸鹼指示劑。
5. Phenolphthalein, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Phenolphthalein.
6. Limiting reagent, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Limiting_reagent.