化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞

Posted on 2011/08/15 in 化學, 化學教育, 化學與社會 with 沒有迴響 7,379 views

化學示範實驗：紙鈔含鐵嗎？（Is There Iron in Paper Dollar Bills?）﹝II﹞
國立彰化師範大學化學系學生鄭舜竹 / 國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

原理和概念

● 混合物是由二種或二種以上的物質所組成，在混合物中每一個純物質都有本身的物理和化學性質。由於這些性質的存在，因此使我們可以從混合物分離出物質。有些國家的紙鈔含鐵粉，因此紙鈔是混合物。

● 均質混合物（Homogeneous mixture）是每一個組成物質有相同的貢獻度的混合物；異質混合物（Heterogeneous mixture）是每一個組成物質有不同的貢獻度的混合物。鐵粉以細粉狀分散在紙鈔的兩端，因此紙鈔是異質混合物。

● 通常分析一個樣品會不可逆地改變這個樣品，本示範實驗也是如此。

● 會被磁鐵吸引是因為物體具有順磁性，順磁性是指一種物質的磁性狀態。有些物體可以受到外部磁場的影響，產生指同相向的磁化向量的特性，這樣的物質具有正的磁化率。與順磁性相反的現象被稱為抗磁性。

● 判斷一個物質是否可以被磁鐵吸引，就要看它是否有順磁性（paramagnetism）。簡單地說，我們把原子外圍的電子之量子數分成四種，分別是主量子數、角量子數、磁量子數以及旋量子數。順磁性主要依據旋量子數，每一個軌域都可以填兩個旋量子數不同的電子（+1/2和-1/2），以鐵為例，鐵的電子組態如圖十四所示：

圖十四鐵的電子組態

依照洪德定則（Hund’s rule），其中3d有五個軌域，鐵應該填六個，有四個未成對電子（unpaired electrons）在四個3d軌域，因此我們可以推知鐵是順磁性物質，如圖十五所示。

圖十五鐵的3d軌域有四個未成對電子

● 單獨的氧原子之2p軌域以及兩個氧原子形成的氧之分子軌域都有未成對電子，因此氧原子和氧分子是一個順磁性物質，如圖十六所示。氧分子軌域（O₂ molecule orbitals）在圖的中央，兩邊為氧原子軌域（O atom orbitals），標示星號者（*）為反鍵結軌域。

圖十六氧的分子軌域有二個未成對電子。圖片來源：Citizendium, http://en.citizendium.org/wiki/Oxidative_stress

● 硫氰根離子（SCN⁻）被加到一個含有三價鐵離子（Fe³⁺）的溶液中，會反應生成血紅色的[Fe(NCS)(H₂O)₅]²⁺，其反應如反應式[1]所示。

SCN⁻(aq) + Fe³⁺(aq) + H₂O(l)→ [Fe(NCS)(H₂O)₅]²⁺(aq) [1]

● 普魯士藍（Prussian blue）是由亞鐵氰化鹽類（ferrous ferrocyanide salts）氧化所製備而成。化學式為Na₂Fe^II[Fe^II(CN)₆]或K₂Fe^II[Fe^II(CN)₆] 的鹽類呈現白色固體，而非藍色固體。在這類鹽類裡的鐵皆是亞鐵離子，不會出現深藍色，而呈現的顏色與鐵原子的價數有關。如果這個白色固體加入雙氧水或是氯酸鈉，就會得到普魯士藍。亞鐵氰化鉀（potassium ferrocyanide, [Fe^II(CN)₆]^4-）與三價鐵離子反應而產生可溶的普魯士藍K[Fe^IIIFe^II(CN)₆]，如反應式[2]所示。

K⁺ + Fe³⁺ + [Fe^II(CN)₆]^4- → KFe^III[Fe^II(CN)₆] [2]

● 鐵氰化鉀是一個無機化合物，化學式為K₃[Fe(CN)₆]，俗稱赤血鹽。此固體呈現亮紅色是因為含有[Fe(CN)₆]³⁻陰離子。普魯士藍是藍圖印刷中使用的顏料，由鐵氰化鉀K₃[Fe(CN)₆]與Fe²⁺反應製得。鐵氰化鉀與酚酞混合得到鐵鏽指示劑，遇到Fe²⁺離子會變藍（普魯士藍），可用於檢測金屬的氧化程度。因此，金屬鐵與鹽酸作用產生的亞鐵離子可以用赤血鹽來檢驗，如反應式[3]所示。

K⁺ + Fe²⁺ + [Fe^III(CN)₆]^3- → KFe^III[Fe^II(CN)₆] [3]

教學提示

1. 這個示範實驗需要把果汁機搬到教室，不建議教師先攪拌好帶到教室，這樣才能吸引學生注意，增進示範教學的效果。

2. 雖然最後檢驗的步驟只需要少量的K₄Fe(CN)₆溶液和KSCN溶液，但是建議使用大一點的燒杯，溶液體積多一些，增加視覺效果，讓後面同學也可以看得到。教師也可以拿著在白色紙張上的鐵粉到學生面前，讓她們觀看。

3. 本次示範實驗使用1元美鈔在果汁機攪碎之理由，是此美鈔的磁性效果最好，而且最低面額，並非故意損壞此錢幣，純粹用於以教育為目的的示範教學。

4. 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。

問題與參考答案

1. 有什麼證據可以知道在製造紙鈔的墨水含有鐵粉？

答：因為紙鈔可以被強力的磁場吸引，而得知紙鈔含有磁性物質。進一步以K₄Fe(CN)₆溶液和KSCN溶液檢驗三價鐵離子，三價鐵離子與KSCN溶液反應可形成紅色的錯合物，以及三價鐵離子與K₄Fe(CN)₆溶液反應可形成藍色的普魯士藍，更能確定紙鈔含鐵。

2. 含有磁性物質的紙鈔有什麼優點？
答：紙鈔就可以很容易用機器讀取，而且可以防止偽鈔。

3. 想想看還有哪些順磁性物質？
答：(1) 鹼金屬：鹼金屬的電子層由惰性氣體電子層加上一個s電子組成，有未成對電子在軌域上。
(2) 鹼土金屬：雖然有兩個s電子，使電子層的軌域飽和，但是它們屬於金屬，擁有自由電子，除了鈹以外其自由電子導致順磁性強於抗磁性，因此他們是弱順磁性物質。
(3) 稀土金屬：是製造磁鐵最重要的合金物質，原因是稀土金屬不飽和的電子層不是最外部的電子層，而是內部的電子層（f層），因此它們對於原子的化學性能沒有影響。幾乎所有的稀土金屬是順磁性的，但是其磁化率不同。通過它們合金可以成為非常強的磁鐵。本次示範實驗使用的釹磁鐵（釹鐵硼磁鐵）即含有稀土金屬。
(4) 分子：一般分子擁有飽和的電子層，而且它們又不是金屬，因此只有由於受激態導致很弱的順磁性。一些順磁性的分子有二氧化氮及臭氧等。

安全

1. 示範本實驗中的鐵的檢驗最好戴可丟棄的手套。
2. 示範實驗用果汁機攪拌時，蓋子要蓋緊，以免裡面液體噴濺出來
3. 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

● 所有的化學藥品示範後應該倒入「無機廢液」桶中，不能倒入水槽。

參考資料

1. One dollar’s Worth of Iron, Becker Demos, http://dwb4.unl.edu/chemistry/beckerdemos/BD008.html.
2. Neodymium magnet, http://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet.
3. Le Chatelier’s principle, http://www.chalkbored.com/lesson … e-Chatelier-lab.pdf.
4. Paramagnetic Properties of Fe, Fe²⁺ and Fe³⁺, http://chemed.chem.purdue.edu/demos/demosheets/6.3.html.
5. Paramagetism, http://en.wikipedia.org/wiki/Paramagnetism.
6. Iron’s configuration, http://chemistryiseasy.com/.
7. Thiocyanate, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Thiocyanate.
8. Prussian blue, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Prussian_blue.
9. 順磁性，維基百科，http://zh.wikipedia.org/wiki/順磁性。