3D有趣實驗：瓶中精靈（Genie in the Bottle）〔II〕

3D有趣實驗：瓶中精靈（Genie in the Bottle）〔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：瓶中精靈〔I〕」

原理和概念

• 催化劑（Catalyst）又稱為觸媒，在一些化學反應中，某物質既不是反應物也不是生成物，但可以改變該化學反應的速率，加速這項化學反應，稱該物質為催化劑。催化劑在反應完成後，本身的質量既不增加，也不減少。生物體中的催化劑，叫做酵素（Enzyme）。一般而言，催化劑加速反應過程具有兩個途徑，一個是增加反應物的活性中心，另一種是改變反應途徑。
• 催化劑的定義：催化劑可參與反應但不出現在反應式中，反應前或反應後催化劑的性質和質量都不改變，不同的反應所使用的催化劑不相同，不一定每一個反應都有催化劑可以使用。催化劑的作用：催化劑就是藉著改變反應的路徑，造成不同的活性複合體（activity complex），可降低活化能（activity energy），達到催化的目的。催化劑加入反應中，同時使正反應和逆反應的活化能也降低，正反應和逆反應的速率同時加快，故不會改變化學平衡，如圖六所示。

圖一 催化劑使正反應和逆反應的活化能降低

（Reaction without catalyst，沒有催化劑的反應，黑色字體和圖形）
（Reaction with catalyst，有催化劑的反應，紅色字體和圖形）
（Reaction path，反應路徑；Energy，能量：Ea，活化能；△H，焓變化）

• 過氧化氫（H₂O₂，俗稱雙氧水）的催化分解反應，產生氧氣、水蒸氣、及大量的熱。在常態下，過氧化氫分解速率不快，但若加入二氧化錳（MnO₂）或碘化鉀（KI）等催化劑後立即發生劇烈作用，產生大量氧氣與煙霧般的水蒸氣。此催化反應如反應式[1]所示：

2H₂O₂(aq) → O₂(g) + 2H₂O(g) + heat    [1]

除了上述兩種化學藥品，一般酵母粉或紅蘿蔔亦含有酵素，可催化過氧化氫的分解，但反應較不激烈且速率慢。

• 本實驗加入碳酸鈉（Na₂CO₃），是為了去除反應所生成的碘（I₂），碘蒸汽具有味道，聞多對身體有害。由於碘在鹼性環境（碳酸鈉溶液含OH^–）中會產生自身氧化還原反應，可以避免碘蒸氣的產生。其反應如反應式[2]所示：

3I₂(s) + 6OH^–(aq) →5I^–(aq) + IO₃^–(aq) + 3H₂O(g)    [2]

教學提示

1. 本實驗使用雙氧水，未稀釋的高濃度雙氧水具腐蝕性，配製及使用時應確實配戴手套、安全眼鏡及實驗衣。

2. 本實驗所使用的軟木塞，在實驗前應先打洞。避免「衛生紙捲」不慎掉入瓶中而發生化學反應，導致氣體冒出而酒瓶發生爆炸的風險。

3. 拔開軟木塞後可以搖晃酒瓶數下，使反應順利發生。

4. 本實驗使用的固體藥品以研缽磨至細粉末狀，實驗效果較佳

5. 本實驗亦可當作教師演示的化學示範實驗。

安全

1. 進行本實驗「瓶中精靈」必須在老師的監督下進行，也必須在戴上實驗手套、穿實驗衣和戴安全眼鏡的防護下進行。

2. 由於反應過程為放熱反應而呈現高溫狀態，反應後的酒瓶應放置一段時間後等待冷卻後才能取下。

3. 本實驗使用的雙洋水為強氧化劑，使用時應小心，使用後藥瓶應該立即塞緊。

4. 對本實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

1. 反應後剩餘的二氧化錳及碳酸鈉，應該回收到「重金屬」廢棄桶中，不可用水沖洗而污染環境。

2. 實驗結束後，酒瓶和軟木塞應清洗乾淨，並且回收再利用。

問題與參考答案

1. 拿掉軟木塞後產生的白色煙霧是什麼？為什麼會發生白色煙霧？
答：白色煙霧是水蒸氣。在包有催化劑的「衛生紙捲」掉到雙氧水（過氧化氫）中，雙氧水會發生劇烈反應，而分解產生水和大量的熱，水吸收了大量的熱能便產生大量的水蒸氣。

2. 請問本實驗涉及哪些化學反應？請寫下這些反應式並平衡之。
答：涉及兩個化學反應，其平衡反應式如下所示：

2H₂O₂(aq) → O₂(g) + 2H₂O(g) + heat
3I₂(s) + 6OH^–(aq) →5I^–(aq) + IO₃^–(aq) + 3H₂O(g)

3. 承上題，這些反應是屬於氧化還原反應嗎？若是，反應式中反應物和產物的各原子的氧化數為何？針對各反應，哪一個反應物被氧化？哪一個反應物被還原？
答：兩個反應都是屬於氧化還原反應。

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就2H₂O₂(aq) → O₂(g) + 2H₂O(g)而言，

H₂O₂：H的氧化數為+1，O的氧化數為-1。

H₂O：H的氧化數為+1，O的氧化數為-2。

O₂：O的氧化數為0。

由於反應物H₂O₂的O氧化數為-1，下降到產物H₂O的O氧化數為-2，因此H₂O₂被還原。由於反應物H₂O₂的O氧化數為-1，上升到產物O₂的O氧化數為0，因此H₂O₂被氧化。由上述可知，H₂O₂在此反應中屬於自身氧化還原。

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就3I₂(s) + 6OH^–(aq) →5I^–(aq) + IO₃^–(aq) + 3H₂O(g)而言，

I₂：I的氧化數為0，I^–的氧化數為-1。

I₂：I的氧化數為0，IO₃^–的氧化數為+5。

OH^–：O的氧化數為-2，H的氧化數為+1。

H₂O：O的氧化數為-2，H的氧化數為+1。

由於反應物I₂的I氧化數為0，下降到產物I^–的I氧化數為-1，因此I₂被還原。由於反應物I₂的I氧化數為0，上升到產物IO₃^–的I氧化數為+5，因此I₂被氧化。由上述可知，I₂在此反應中屬於自身氧化還原。

4. 請問本實驗所使用之二氧化錳和碘化鉀有何功能？

答：二氧化錳和碘化鉀在實驗中都當作催化劑。過氧化氫在常態下分解速率不快，加入二氧化錳（MnO₂）或碘化鉀（KI）等催化劑後，酒瓶內立即發生劇烈作用，產生大量氧氣和煙霧般的水蒸氣。

5. 請問催化劑有何功用？

答：催化劑的功用是改變反應的路徑，造成不同的活性複合體（activity complex），可降低活化能，達到加速化學反應的目的。一般具有兩個途徑，一個是增加反應物的活性中心，另一種是改變反應途徑。

參考資料：
1. Genie in a Bottle: The Exciting Nature of Chemistry, Flinn Scientific—Teaching ChemistryTM eLearning Video Series.
2. Catalysis, Wikipedia, the free encyclopedia.
3. Hydrogen peroxide , Wikipedia, the free encyclopedia.
4. Potassium iodide, Wikipedia, the free encyclopedia.
5. Manganese(IV) dioxide, Wikipedia, the free encyclopedia.
6. Sodium carbonate , Wikipedia, the free encyclopedia.
7. 阿拉丁神燈與大象的牙膏，2007白沙化學驚奇秀，中學化學示範實驗。