3D有趣實驗：大象牙膏（Elephant Toothpastes）〔II〕

3D有趣實驗：大象牙膏（Elephant Toothpastes）〔II〕
國立彰化師範大學化學系學生王楨 / 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：大象牙膏〔I〕」

原理和概念

● 本實驗使用的過氧化氫（H2O2），俗稱雙氧水，在自然情況下會隨著時間而慢慢分解成水和氧氣。在本實驗中，透過添加催化劑－碘化鉀（KI），使雙氧水分解速率加快，而快速產生大量的小氣泡，如火山爆發。利用碘化鉀催化過氧化氫的分解反應涉及兩反應，這兩個反應如反應式[1]和[2]所示，過氧化氫分解的總反應如反應式[3]所示：

H₂O₂(aq) + I⁻(aq) → H₂O(l) + IO⁻(aq) [1] H₂O₂(aq) + IO⁻(aq) → H₂O(l) + O₂(g) + I⁻(aq) [2] ————————————————————————-
總反應：2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g) [3]

●  本實驗加入碳酸鈉（Na₂CO₃），是為了去除反應所生成的碘（I₂）。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，以避免碘蒸氣的產生。其反應式如反應式[4]所示：

3I₂(s) + 6OH^–(aq) →5I^–(aq) + IO3^–(aq) + 3H₂O(g) [4]

●  催化劑是能改變化學反應速率，而本身的質量、組成和化學性質在參與化學反應的前後皆不變。催化劑又可分為：
(1)正催化劑：可降低正、逆反應的活化能，使正、逆反應的速率同時加快。
(2)負催化劑：可升高正、逆反應的活化能，使正、逆反應的速率同時減慢。

●  催化劑的作用為：
(1)可改變反應的路徑；
(2)可能會產生不同的錯合物；
(3)可降低（或提高）活化能，來達到催化目的或降低反應速率；以及
(4)正催化劑加入反應中，同時使正、逆反應的活化能降低，因為正、逆反應的速率同時加快，故不會改變化學平衡。負催化劑也同樣原理。

●  平常使用的洗碗精裡含有界面活性劑，在洗碗時，攪動水而使空氣跑進水中，導致界面活性劑包住空氣，形成一顆顆的泡泡。同樣地，雙氧水在碘化鉀的催化下，快速產生氧氣，此時界面活性劑會包住氧氣，進而產生大量泡泡。

教學提示

1. 當碳酸鈉及碘化鉀加入量筒時，發生溫度很高，請勿立即觸摸量筒的管壁。

2. 若要重複此實驗，可準備多個大量筒，備用。

3. 過氧化氫為強氧化劑，具有腐蝕性，若不小心接觸到皮膚，應以大量清水沖洗。取用過氧化氫必須戴乳膠手套。使用後，應立即關緊瓶蓋。

4. 碳酸鈉勿與雙氧水事先混合，否則雙氧水的抑制劑會失效而造成提前分解，使實驗效果下降。

5. 本實驗可當作教師演示的化學示範實驗，亦可當作學生的化學實驗室實驗。

6. 實驗時必須注意下面安全事項：
(1) 實驗者應該戴上安全眼鏡及手套。
(2) 實驗時必須與旁觀者距離2公尺以上。
(3) 實驗時實驗的位置必須距離天花板2公尺以上。
(4) 倒入雙氧水到量筒時，必須非常小心，避免傾倒時發生危險。
(5) 示範此實驗前，應該小心地反覆重複練習，或學生實驗前，必須告知詳細，以免發生危險。

安全

1. 進行本實驗必須在老師的監督下進行，必須在戴上手套、穿實驗衣和戴安全眼鏡的防護下進行。本實驗為放熱反應，且大量放熱，反應進行時須保持距離。

2. 對本實驗實行適當的風險評估是老師的責任。

廢棄物處理

●  反應完畢，須等到雙氧水不再冒泡為止，才可以倒出量筒內的液體到水槽中。由於此實驗的生成物為水及氧氣，故可用大量的自來水沖洗。

問題與參考答案

1. 請描述使用不同濃度下的雙氧水，反應過程有何差異？
答：雙氧水的濃度越高，反應速率越快，產生氧氣的速率越快，泡泡形成的速率越迅速。

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：涉及四個化學反應，如下所示：

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

3.承上題，這些化學反應何者屬於酸鹼反應？何者屬於氧化還原反應？
答：四個化學反應全部都是氧化還原反應，沒有酸鹼反應。

4.碘化鉀在實驗中扮演什麼角色？有什麼作用？
答：碘化鉀在本實驗中為一種正催化劑，使本來分解很慢的過氧化氫，加快反應速率。

5.本實驗產生的泡泡含何種氣體？可以使用什麼方法驗證？
答：氧氣。點燃的線香放進正在產生泡泡的量筒中，線香會燒得更旺盛，這是因為氧氣具有助燃性。

參考資料：
1.Elephant Toothpaste Chemistry Demonstration, About.com.
2.How to Make Elephant Toothpaste, wikiHow.
3.Elephant toothpaste, Wikipedia.
4.19.7 The Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide, Chemistry Department, Purdue University.
5.Rates of Reaction, Catalysts used for the Decomposition of Hydrogen Peroxide, Dr. Colin France.
6.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。