酸鹼指示劑

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。

化學示範實驗:在薑黃紙上畫圖和寫字(Drawing and Writing on the Goldenrod Paper)

化學示範實驗:在薑黃紙上畫圖和寫字(Drawing and Writing on the Goldenrod Paper)
國立彰化師範大學化學系學生邱琬婷/國立彰化師範大學化學系楊水平副教授責任編輯

前言

你在薑黃紙上畫過圖和寫過字嗎?想不想自己動手製作薑黃紙呢?薑黃紙還可以隱藏秘密,你要如何顯現被隱藏的訊息?這個化學實驗真好玩,它涉及什麼化學原理和概念呢?

示範實驗影片

請按此連結:在薑黃紙上畫圖和寫字(Drawing and Writing on the Goldenrod Paper),YouTube。

化學示範實驗:「粉紅幽靈」—氨在水中擴散(Diffusions of Ammonia in the Water)

化學示範實驗:「粉紅幽靈」—氨在水中擴散(Diffusions of Ammonia in the Water)
國立玉里高級中學化學科黃有道老師 / 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「氨鬼」嗎?在這個示範實驗就看得到。與鬼魂相比,它們既美麗又害羞,只要幾滴醋酸就能嚇走它們。這個示範實驗讓氨透過濾紙向外擴散到含酚酞指示劑的水中,水中微小的水流擾動就能帶著「粉紅幽靈」一起漂浮和旋轉。

示範實驗影片

請按此連結:「粉紅幽靈」—氨在水中的擴散,YouTube。

自製酸鹼指示劑

自製酸鹼指示劑 (Home-made Acid-Base Indicators)
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

自1663年Robert Boyle應用植物性色素測定酸鹼度至今,石蕊 (litmus) -地衣用氨與鹼處理後所得到的藍色粉末,仍為廣泛運用的酸鹼指示劑。大部份指示劑屬於弱酸或弱鹼性的有機化合物。酸型指示劑如溴百里酚藍 (bromothymol blue)、酚酞 (phenolphthalein) 等,在酸中呈HIn的型式,在鹼中脫去氫離子而為共軛鹼In狀態;鹼型指示劑,如甲基橙 (methyl orange)、甲基紅 (methyl red) 在鹼中為In型式,在酸中得到氫離子而呈共軛酸InH+的狀態。結構改變後對光線的吸收與反射也改變,因而顯現不同的顏色。

酸鹼指示劑

酸鹼指示劑 (Acid-Base Indicators)
高雄市立新莊高級中學化學科歐惠郡老師/國立中山大學化學系張祖辛副教授責任編輯

一般酸鹼指示劑的變色範圍及其在酸、鹼溶液中呈現的顏色,皆列於下表。在自製酸鹼指示劑一文中曾提到:指示劑變色範圍的 pH 值通常會介於 pKa±1之間,下表中亦呈現出部份指示劑的此種相關性:

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的變色原理

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的變色原理
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

酸鹼指示劑無論對於判定物質的 pH值,或是應用於酸鹼滴定上,都扮演著重要的角色。早在十七世紀,人們就開始在各樣的研究上利用指示劑,然而卻遲至十九世紀末,科學家才開始對「為什麼酸鹼指示劑在不同的pH值之下會呈不同顏色?」這樣的問題有較深入地探討。最先對這現象提出解釋的,是德國化學家威廉•奧士華(Wilhelm Ostwald),後來經過漢茲許(A. Hantzsch)、科爾索夫(I. M. Kolthoff)以及史第格立茲(Julius Stiegliez, 1867-1937)等人的研究、修正與歸納後,提出現今我們所認同的酸鹼指示劑變色理論。

「決定指示劑變色的因素是什麼?」言簡意賅的說,就是「平衡」。一般常用的指示劑本身即是一種弱酸或弱鹼,所以置於溶液中,自然有微弱的解離現象產生,而能寫成如式一的平衡式。

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的發展歷史(二)

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的發展歷史(二)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

在波以耳發展「酸鹼指示劑」的工作之後(請參閱酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的發展歷史(一)),隨著人們對「酸鹼指示劑」的認識更為廣泛,將之應用於學術、工業或生活的企圖心也越大。在以下的為文中,將回顧「酸鹼指示劑」作為滴定終點判定試劑及人工合成「酸鹼指示劑」的歷史。

作為酸鹼滴定的終點試劑(Endpoint Indicators)
早在波以耳發表酸鹼指示劑相關研究之前的幾年,就有文獻記載「酸鹼滴定的技術」。西元1658年,約翰•魯道夫•格勞勃爾(Johann. Rudolph. Glauber)曾這樣記載他進行過的實驗:「將碳酸鉀溶液(K2CO3, 原文以”liquore nitri fixi”描述)一滴一滴慢慢滴入硝酸溶液中,直到反應不再起泡為止。此時不論是硝酸或是碳酸鉀,都因彼此的消磨而不再存在。」格勞勃爾同時也是第一個提出鹽的組成「一部分由酸提供、另一部分由鹼提供」的科學家。1729年,吉歐佛里(C. L. Geoffroy)根據格勞勃爾的實驗,以碳酸鉀滴定不同濃度的醋酸,並由碳酸鉀所消耗的多寡,計算出醋酸的濃度,這也是利用酸鹼滴定法精確分析物質的第一篇記載。然而以上這兩筆記錄,皆以「直到反應不再冒泡」的現象,作為實驗結束的依據,那麼如果中和反應中所用的鹼並非碳酸鹽類,是不是就無法以「停止冒泡」作為反應終點?

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的發展歷史(一)

酸鹼指示劑(Acid-Base Indicator)的發展歷史(一)
國立臺灣大學化學系林雅凡博士/國立臺灣大學化學系李俊毅責任編輯

「指示劑」或「試紙」對現今的生活來說,是非常重要的,許多生理與生物上的檢測,都需要依賴「指示劑」或「試紙」來知道、分析結果。舉例來說,若要知道一杯溶液之酸鹼性,最簡便的方式便是使用「指示劑」或「酸鹼試紙」;除了酸鹼指示劑,血型的檢驗,也同樣透過加入適當的試劑,看其反應,來驗明結果。此外還有「葡萄糖試紙」,用以明白待檢液體中葡萄糖的含量、「驗孕試紙」等等。

然而人們如何開始知道使用「指示劑」呢?在以下的篇幅,我們要特別針對「酸鹼指示劑」,回溯其發展的過程,看看人們如何從大自然中學功課,進而累積成文明的智慧。