3D有趣實驗（3D Funny Experiments）：表演化學詐騙術（Showing Chemical Tricks）〔II〕

3D有趣實驗（3D Funny Experiments）：表演化學詐騙術（Showing Chemical Tricks）〔II〕
國立台中高級工業職業學校化工科陸冠輝老師 / 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：表演化學詐騙術〔I〕」

實驗影片

請參考上方連結。

原理和概念

• 當過錳酸鉀（KMnO₄）接觸到甘油（C₃H₅(OH)₃）時，立即發生反應並放出熱量，隨之升高的溫度使液態的甘油汽化成氣態，氣態的甘油易與產物之一的水蒸氣和空氣中的水蒸氣結合，而形成白色煙霧。接著，反應繼續發生，放出更多的熱量，升高更高的溫度，達到甘油的燃點（封閉杯160℃，開放杯176℃）而起火燃燒，此燃燒又繼續放出熱量也使得衛生紙燃燒起來（紙的燃燒溫度約230℃）。在此氧化還原反應中，過錳酸鉀為氧化劑，甘油為還原劑，此反應是一個激烈的氧化還原反應。本示範實驗的化學反應如下反應式所示：

  14KMnO4(s)+ 4C3H5(OH)3(l) → 7K2CO3(s)+ 7Mn2O3(s)+ 5CO2(g)+ 16H2O(g) + heat

• 過錳酸鉀與濃硫酸反應會生成極具爆炸性的Mn₂O₇，而且過錳酸鉀與純甘油或簡單的醇類也會造成猛烈的燃燒反應。另有文獻提到過錳酸鉀與甘油的反應如下反應式所示：

  14KMnO4(s) + 3C3H5(OH)3(l)→ 14MnO2(s) + 14KOH(s) + 9CO2(g) + 5H2O(g) + heat

• 用水溶解反應後的固體產物，可以看見綠色溶液（含Mn(VI)）和棕色固體（含Mn(IV)），這個現象證實了此氧化還原反應的產物性質。由於過錳酸鉀中有鉀離子的存在，因此表演時可以觀察到淡紫色的火焰。在反應後，過錳酸鉀可能會留下一褐色污漬，可用亞硫酸氫鈉（NaHSO₃）去除，此去除污漬也是利用氧化還原反應。
• 早期的攝影師使用過錳酸鉀作為閃光粉。由於過錳酸鹽的不穩定性，現在已用其他氧化劑取代之。過錳酸鉀水溶液與T-Stoff（即80%的雙氧水）可以作為Me 163戰鬥機的推進劑。在此應用中，過錳酸鉀被稱為Z-Stoff。這種組合的推進劑有時候仍使用在魚雷上。
• 甘油（Glycerol, glycerin, glycerine）是一個簡單多元醇化合物。這是一個無色、無味、粘性的液體，廣泛應用於藥劑配方。甘油有三個親水的羥基，以致於可溶在水中以及其吸濕的性質。甘油具有甜味和低毒性。甘油的蒸汽壓為10 mmHg（167.2℃）、40 mmHg（198.0℃）、100 mmHg（220.1℃）、400 mmHg（263.0℃），其燃點為160℃（密閉杯）、176℃（開放杯），其沸點為290℃。

教學提示

1. 示範者能夠適當地控制過錳酸鉀和甘油的使用量，反應就可以發生。加上口中「念念有詞」以及施展「內功運氣」的動作，然後產生白色煙霧，最後衛生紙瞬間燃燒起火，達到驚奇的效果，如處在「化學詐騙術」的情境中。
2. 由於過錳酸鉀為強氧化劑，能夠與甘油發生非常劇烈的反應，具有危險性，因此過錳酸鉀的使用量不可太多。
3. 由於細小晶體的過錳酸鉀之起火燃燒效果比大晶體好很多，因此大晶體需用研缽磨碎。
4. 使用單張或兩張衛生紙包裹過錳酸鉀，與甘油發生反應的時間不同。若以兩張衛生紙包裹，則發生反應的時間過長，不易發生衛生紙瞬間起火燃燒，表演效果不佳。
5. 學生應該對延遲反應時間提出合理的解釋，造成延遲反應的原因為：此反應為放熱反應，而且在剛開始的反應速率較慢，當最初反應的熱量被釋放後，才能加速後來的反應。
6. 舊的甘油可能會因為吸收了水而失去與過錳酸鉀反應的效果。在示範之前，可以先加熱甘油到沸騰，然後冷卻，移除水分，便可以解決這個問題。另一方法使用氧化鈣在甘油中加入氧化鈣也可以移除水分。
7. 本實驗屬高度放熱反應，需在通風良好的場所進行示範。過錳酸鉀固體具強氧化性，必須必須與被易氧化的物質分離。
8. 示範桌旁可準備一桶水，以便熄火之用。
9. 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。
10. 這個示範實驗剩餘含過錳酸鉀的衛生紙不可保存，必須處理掉或與甘油反應掉。其他的藥品和器材，最好裝在一個標示「在教室中表演化學詐騙術」或放在相似主題的置物箱中備用。

問題與參考答案

1. 此化學詐騙術的表演過程發生什麼驚奇的現象？
   答：當老師拿起筆直狀衛生紙後不久冒出白色煙霧。接著，衛生紙瞬間起火燃燒。
2. 此化學詐騙術的表演過程所發生驚奇的現象，其涉及什麼化學原理和概念呢？
   答：過錳酸鉀與甘油的反應是一個激烈的氧化還原反應，並且放出大量的熱。當過錳酸鉀接觸到甘油時，立即發生反應並放出熱量，隨之升高的溫度使液態的甘油汽化成氣態，氣態的甘油易與產物之一的水蒸氣和空氣中的水蒸氣結合，而形成白色煙霧。接著，反應繼續發生，放出更多的熱量，升高更高的溫度，達到甘油的燃點而起火燃燒，此燃燒又繼續放出熱量也使得衛生紙燃燒起來。本示範實驗的化學反應如下反應式所示：

   14KMnO4(s)+4C3H5(OH)3(l)→ 7K2CO3(s)+ 7Mn2O3(s)+ 5CO2(g)+ 16H2O(g) + heat

安全

1. 示範這個實驗最好戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
2. 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

• 表演後殘留在水桶中中的廢棄物和廢棄水，應該倒入無機物廢棄桶中，不可用水稀釋沖掉而污染環境。

參考資料

1. 化學示範實驗：在教室中表演化學詐騙術（A Chemical Trick Shown in the Classroom），高瞻自然科學教學資源平台。
2. Potassium permanganate, Wikipedia.
3. Glycerol, Wikipedia.
4. Glycerol (data page), Wikipedia.
5. The reaction between potassium permanganate and glycerol, Classic Chemistry Demonstrations, The Royal Society of Chemistry.
6. Permanganate Volcano, www.chem-toddler.com.