3D有趣實驗：美麗彩虹的消失（Disappearing Beautiful Rainbow）〔II〕

3D有趣實驗：美麗彩虹的消失（Chemical Whoosh Bottles）〔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：美麗彩虹的消失〔I〕」

原理和概念

• 酸鹼指示劑的作用原理是當環境發生pH值改變時，自身的形態會改變，從而改變顏色，透過顏色的改變來指示滴定的終點。在滴定終點的附近，指示劑變色的過程中，會呈現出一種中間的顏色，處在這個過程中的範圍稱為指示劑的變色範圍。選擇指示劑的標準，一是變色範圍（包括終點），二是反應靈敏。也就是說，一種合適的指示劑在達到終點時必須很快的變色。常用的酸鹼指示劑之變色，如表一所示。
  

  表一 常用的酸鹼指示劑之變色

• 本實驗使用的酚酞（phenolphthalein）、間硝基苯酚（m –nitrophenol）和百里酚酞（thymolphthalein）三者皆為酸鹼指示劑，依照溶液環境的pH值的不同而顯現出不同的顏色，如表一所示的前三者。利用這些酸鹼指示劑的特性，在高pH值的環境下，溶液呈分別現出紅、黃、藍三種顏色。再藉由這三種指示劑之二種，以不同比例混合，使顏色混合呈現出橙（紅加黃：酚酞加間硝基苯酚）、綠（黃加藍：間硝基苯酚加百里酚酞）、紫（紅加藍：酚酞加百里酚酞）三種顏色。這三種指示劑具有共通點，就是在酸性環境中皆呈現無色。
• 乾冰（Dry Ice）是二氧化碳（carbon dioxide）的固體形式，二氧化碳略溶於水，容於水中隨之發生化學反應，產生碳酸（carbonic acid），如反應式[1]所示。碳酸與溶液中的氫氧化鈉反應，發生酸鹼中和，產生碳酸鈉，如反應式[2]所示。乾冰直接與氫氧化鈉反應，產生碳酸鈉，如反應式[3]所示。亦即，反應式[3]為反應式[1]和[2]之和。本實驗是透過乾冰的酸性，使溶液的pH值下降，進而使指示劑逐漸趨向無色。

  CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)    [1]
  H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) → Na2CO3(aq) + H2O(l)    [2]
  2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)    [3]

教學提示

1. 氫氧化鈉為強鹼，具有腐蝕性，配製時及使用時配戴手套、安全眼鏡及實驗衣。若由學生配製，應在現場確實督導。
2. 本實驗「美麗彩虹的消失」可使用實驗室中容易取得的酸性溶液代替乾冰，只是無法製造驚豔的煙霧效果。
3. 本實驗的指示劑變色時間的長短可藉由加入氫氧化鈉的體積多寡或濃度高低來控制。加入氫氧化鈉的體積越多或濃度越濃，加入乾冰的量就要越多，指示劑變色的時間就要越長。
4. 本實驗可準備多種指示劑，讓學生嘗試不同指示劑之間的差異，培養學生探討實驗，觀察並紀錄結果，歸納結果及發表結論之能力。
5. 本實驗可當作教師演示的化學示範實驗，亦可作為學生動手做的實驗。

安全

1. 操作實本實驗「美麗彩虹的消失」時必須戴上實驗手套、穿實驗衣和戴安全眼鏡的防護下進行，避免被鹼性溶液噴濺而發生危險。學生操作實驗，必須在老師的監督下進行，
2. 酸鹼指示劑噴濺到皮膚或是衣物上，應該立即用酒精清潔。
3. 實驗時為避免凍傷，拿取乾冰時應戴手套（建議使用麻布手套）。
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. 剩餘的氫氧化鈉溶液需用酸中和後，再用大量水沖掉即可。
2. 氫氧化鈉與乾冰反應後溶液接近中性，用大量水沖洗掉即可。
3. 本實驗使用的酸鹼指示劑用量很少，而且這些指示劑大多為染料，對環境危害低，以大量水沖洗即可

問題與參考答案

1. 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，如下所示：

   CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
   H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) → H2O(l) + Na2CO3(aq)
   2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)

2. 承上題，請問這些反應式中哪一個或哪些屬於化合反應、分解反應、酸鹼中和反應、氧化還原反應？
   答：這些反應式屬於化合反應有一個：CO₂(g) + H₂O(l) → H₂CO₃(aq)
   這些反應式屬於酸鹼中和反應有兩個：
   H₂CO₃(aq) + 2NaOH(aq) → H₂O(l) + Na₂CO₃(aq)
   2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
3. 請問本實驗所使用之乾冰有何功能？
   答：乾冰為固體的二氧化碳，溶於水後可產生碳酸，與的氫氧化鈉發生中和反應，使溶液的pH值下降，指示劑由顯色變成無色。
4. 請問本實驗可以用什麼來取代乾冰？
   答：酸性的溶液皆可取代乾冰。乾冰的作用在於產生酸，因此可以用其他的酸性溶液取代之，只是無法製造驚驗的煙霧效果。

參考資料

1. Indicators and Dry Ice: Demonstration, Nuffield Foundation.
2. Phenolphthalein, Wikipedia, the free encyclopedia.
3. Nitrophenol, Wikipedia, the free encyclopedia.
4. Acid-base indicator, Wikipedia, the free encyclopedia.
5. Dry Ice, Wikipedia, the free encyclopedia.