3D 化學實驗：模擬使用強酸和強鹼的危險情境

3D 化學實驗：模擬使用強酸和強鹼的危險情境 (Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases)
國立彰化師範大學化學系 林佑恩、顧展兆、楊水平

前言

在化學實驗室中，時常用到強酸和強鹼，卻潛藏著危險。本示範設計一部影片讓大家觀看，當強酸和強鹼接觸到皮膚時，會發生怎樣的變化。此實驗旨在提醒學生進入化學實驗室務必戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子，避免因不慎使用而導致化學灼傷。

實驗影片

請按此連結，戴紅藍眼鏡，觀看3D化學實驗：模擬使用強酸和強鹼的危險情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 3D紅藍，YouTube。

請按此連結，戴偏光眼鏡，觀看3D化學實驗：模擬使用強酸和強鹼的危險情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 3D偏光，YouTube。

請按此連結，觀看2D化學實驗：模擬使用強酸和強鹼的危險情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 2D影片，YouTube。

藥品與器材

1. 濃硫酸 (conc. Sulfuric acid) 約100 mL
2. 濃硝酸 (conc. Nitric acid) 約50 mL
3. 濃鹽酸 (conc. Hydrochloric acid) 約50 mL
4. 氫氧化鈉 (Sodium hydroxide) 約50 g
5. 豬皮 (Pig skin) 1張
6. 自來水或蒸餾水 約200 mL
7. 玻棒 1支
8. PE滴管 4支
9. 溫度計 (100℃) 1支
10. 燒杯 (500 mL) 2個
11. 燒杯 (200 mL) 2個
12. 戴護目鏡 1副
13. 口罩 1個
14. 乳膠手套 1雙
15. 實驗衣 1件

實驗步驟

實驗一：濃硫酸稀釋

一、正確示範

1. 示範者戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子。
2. 在一個250 mL的燒杯中，先加入約半滿的水，如圖一所示。


圖一：在燒杯中先加入水

3. 用一支溫度，測量水溫。
4. 再用一支玻棒插入這燒杯中，沿著玻棒緩慢地加入濃硫酸於水中，觀察混合時的變化，如圖二所示。


圖二：緩慢地加入濃硫酸於水中

5. 用一支溫度，測量硫酸加入水中的溫度，如圖三所示。


圖三：測量硫酸加入水中的溫度

二、錯誤示範

1. 取一個燒杯，用一支玻棒插入燒杯中，先緩慢地加入1/4杯的濃硫酸，如圖四所示。


圖四：在燒杯中先加入濃硫酸

2. 再用一支PE滴管。小心地滴加數滴的水到濃硫酸中，觀察混合時的變化，如圖五所示。


圖五：滴加數滴的水到濃硫酸中

3. 然後，取一個燒杯裝半滿的水，小心且快速地倒入大量的水到濃硫酸中，觀察變化的情形，如圖六所示。


圖六：倒入大量的水到濃硫酸中

4. 用一支溫度，測量水加入濃硫酸的溫度，如圖七所示。


圖七：測量水加入濃硫酸的溫度

實驗二：配製高濃度的氫氧化鈉

1. 示範者戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子。
2. 取一個250 mL的燒杯，加入1/3滿的水。
3. 加入固體的氫氧化鈉到水中，固體物沈到水中，如圖八所示。


圖八：加入固體的氫氧化鈉到水中

4. 用一支玻棒，攪拌氫氧化鈉水溶液，促使固體快速地溶解，如圖九所示。


圖九：用玻棒攪拌促進溶解

5. 當氫氧化鈉完全溶解後，繼續加入固體的氫氧化鈉，重複上述步驟，直到氫氧化鈉溶解速率很慢為止。
6. 用一支溫度，測量氫氧化鈉水溶液的溫度。

實驗三：豬皮接觸到強酸和強鹼

1. 示範者戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子。
2. 放置一張豬皮在示範桌上，虛擬地劃分豬皮為上下和左右共四小塊。
3. 用一支PE滴管，吸取前面配製的高濃度氫氧化鈉溶液，滴加在豬皮的左上方，仔細地觀察豬皮的變化，如圖十所示。


圖十：滴加高濃度氫氧化鈉溶液在豬皮的左上方

4. 用第二支PE滴管，吸取濃硫酸，滴加在豬皮的左下方，仔細地觀察豬皮的變化，如圖十一所示。


圖十一：滴加濃硫酸在豬皮的左下方

5. 用一第三支滴管，吸取濃鹽酸，滴加在豬皮的右上方，仔細地觀察豬皮的變化，如圖十二所示。


圖十二：滴加在濃鹽酸豬皮的右上方

6. 用第三支滴管，吸取濃硝酸，滴加在豬皮的右下方，仔細地觀察豬皮的變化，如圖十三所示。


圖十三：滴加濃硝酸在豬皮的右下方

7. 最後，觀察強酸和強檢對豬皮的變化，並比較其對皮膚的侵蝕影響。

實驗結果

濃硫酸稀釋的正確方式：濃硫酸慢慢地加入水中的實驗結果，如圖十四所示。濃硫酸稀釋的錯誤方式：濃硫酸快速地倒入水中的實驗結果，如圖十五～十六所示。加入固體的氫氧化鈉到水中的實驗結果，如圖十七所示。豬皮分別被滴加高濃度氫氧化鈉溶液、濃硫酸、濃鹽酸及濃硝酸的情形，如圖十八～十九所示。以下照片的左圖是2D的照片，右圖是3D照片，必須戴紅藍眼鏡才能觀看立體效果。

實驗一：濃硫酸稀釋

濃硫酸稀釋的正確方式：濃硫酸慢慢地加入水中，如圖十四所示。從室溫31℃上升溫度到62℃，溫度上升緩慢且不高。

圖十四：濃硫酸慢慢地加入水中

濃硫酸稀釋的錯誤方式：濃硫酸快速地倒入水中，引起沸騰而發生噴濺現象，如圖十五～十六所示。從室溫31℃上升溫度到100℃以上，溫度上升快速且很高。

圖十五：濃硫酸快速地倒入水中時，引起沸騰而發生衝高現象

圖十六：濃硫酸快速地倒入水中時，引起沸騰而發生噴濺現象

實驗二：配製高濃度的氫氧化鈉

加入固體的氫氧化鈉到水中，從開始室溫31℃到溶解後上升到55℃，溫度上升緩慢，如圖十七所示。

圖十七：加入固體的氫氧化鈉到水中

實驗三：豬皮接觸強酸和強鹼

豬皮分別被滴加高濃度氫氧化鈉溶液（左上方）、濃硫酸（左下方）、濃鹽酸（右上方）及濃硝酸（右下方）的情形。顯而易見地，高濃度氫氧化鈉溶液、濃硫酸及濃硝酸侵蝕豬皮的嚴重程度比濃鹽酸為大，以濃硫酸侵蝕豬皮最嚴重呈現暗棕色；濃硝酸侵蝕豬呈現黃色，如圖十八所示。用自來水清水後，侵蝕的嚴重程度亦是明顯可見，如圖十九所示。

圖十八：強鹼和強酸侵蝕豬皮的情形（用水清洗前）

圖十九：強鹼和強酸侵蝕豬皮的情形（用水清洗後）

原理和概念

實驗一：濃硫酸稀釋

在強酸稀釋的步驟中，最需要注意的是濃硫酸（95-98% sulfuric acid, 18 M）的稀釋。若操作濃硫酸不慎，會灼傷皮膚和眼睛。由於濃硫酸溶解在水會放出大量的熱，再者濃硫酸的密度（1.84 g/ml）比水為大且兩者相差甚多，當濃硫酸加入水中時，濃硫酸會在水中向下擴散，不會聚集在水面上，如此能夠使濃硫酸與水混合均勻，以致放出大量的熱可以均勻地散開。反之，當水加入濃硫酸中時，由於水的密度比濃硫酸為小，導致水聚集在濃硫酸的表面上而無法快速混合均勻，使得大量的熱集中在一個小區域，造成水的沸騰而噴濺。
當10 mL的18 M濃硫酸加到100 mL的水中，其稀釋熱為–1.1 kJ；1.0 mol濃硫酸被加到100 mL的水中，其稀釋熱為–61.4 kJ/mol。

實驗二：配製高濃度的氫氧化鈉

雖然這個實驗看起來不危險，但是實際上配製高濃度的氫氧化鈉也必須非常小心，因為多量的固體氫氧化鈉加入少量的水中，會產生刺鼻難受的異味，甚至造成水的沸騰。高濃度的氫氧化鈉是強鹼溶液，具有強烈的腐蝕性。在溶解過程中會放出大量的熱，氫氧化鈉水解蛋白質的能力很強，接觸皮膚可能導致灼傷，濺入眼睛可能更嚴重，可導致失明。固體氫氧化鈉接觸手上時，手的水分會溶解氫氧化鈉而在皮膚上形成強鹼溶液，傷害皮膚，在取用或操作過程必須非常小心。

實驗三：豬皮接觸強酸和強鹼

大部分學生沒有機會看到強酸和強鹼侵蝕皮膚的情況，本示範實驗設計豬皮接觸強酸和強鹼，讓學生觀看強酸和強鹼對皮膚的強腐蝕性。實驗結果是高濃度氫氧化鈉、濃硫酸、濃鹽酸及濃硝酸都具有強腐蝕性，而且濃硫酸使皮膚灼傷變暗棕色，濃硝酸使皮膚變黃色。若皮膚不慎碰到強酸和強鹼，則必須先用大量的流水沖洗15分鐘，必要時送醫處理。若不慎誤服，則對體內器官構成不可逆的傷害，甚至致命。若眼睛不慎接觸到，輕微著傷害眼角膜，嚴重者甚至可造成永久性失明。因此，進入實驗室必須戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子。
此外，濃硝酸必須以深色玻璃瓶盛裝，避免受到光照反應釋出有毒的NO2。不論濃硝酸或稀硝酸都有氧化性和腐蝕性，若不慎濺到皮膚會引起嚴重燒傷。硝酸與蛋白質和脂肪接觸進行酸水解，皮膚接觸硝酸後會慢慢變黃色，最後表皮會起皮脫落（硝酸和蛋白質接觸後，會導致黃蛋白反應（xanthoproteic reaction）而變性。黃蛋白反應是帶有苯環的蛋白質與濃硝酸混合加熱後呈現黃色的反應。以酪胺酸（tyrosine）為例，其與硝酸進行薑黃反應，如式[1]所示：

…………[1]

濃鹽酸（發煙鹽酸，fuming hydrochloric acid）會揮發出酸霧（acidic mists），鹽酸本身和酸霧都會腐蝕人體組織，可能會不可逆地損傷呼吸器官、眼部、皮膚及胃腸等。鹽酸與氧化劑（例如漂白劑成分次氯酸鈉等）混合時，會產生有毒的氯氣，這兩種化學物質為常見的家用物品，必須小心使用。
圖二十顯示真正人的皮膚被氫氧化鈉溶液、濃硫酸、濃鹽酸及濃硝酸腐蝕後的情形。

圖二十：人的皮膚被強鹼和強酸腐蝕後的情形：暴露氫氧化鈉溶液44小時後引起的化學燒傷（最左）、濺到98％硫酸引起皮膚表面的化學燒傷（中左）、手指被濃鹽酸侵蝕引起灼傷（中右）及手指被濃硝酸侵蝕引起灼傷且皮膚變黃（最右）。
（圖片來源：由左而右，http://goo.gl/5T0E6y, http://goo.gl/NPvsRu, http://goo.gl/Qgtrpp, http://goo.gl/z5WYgK）

教學提示

1. 高濃度的強酸和強鹼具有腐蝕性的危險，盡量不要讓中小學的學生獨自操作，最好務必濃的強酸和強鹼稀釋成為低濃度後才讓學生使用。
2. 教師示範本實驗時，自己必須謹慎小心，且學生遠離示範桌。

安全

• 示範過程示範者必須全程戴護目鏡、口罩和手套、以及穿實驗衣、長褲和密閉的鞋子。
• 在示範過程中，必須非常謹慎小心，避免危險的意外發生。
• 在實驗過程中，噴濺的藥品或溶液，必須先用弱酸或弱鹼中和，再用抹布擦拭乾淨。
• 示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

廢棄物處理

• 示範後的強酸或強鹼的溶液，必須先進行酸鹼中和，再倒到水槽，然後用大量的流水沖掉。
• 實驗後的豬皮，必須先用大量的流水沖洗，再用弱鹼進行中和，然後用流水沖洗。沖洗後的豬皮丟棄在廚餘桶中。

參考資料

1. Sodium hydroxide, https://en.wikipedia.org/wiki/Sodium_hydroxide.
2. Sulfuric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Sulfuric_acid.
3. Hydrochloric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Hydrochloric_acid.
4. Nitric acid, https://en.wikipedia.org/wiki/Nitric_acid.
5. The effect of sodium hydroxide and hydrochloric acid on pig dermis. A light microscopic study, http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0379073888901259.
6. What reaction does hydrochloric acid have with skin? https://www.quora.com/What-reaction-does-hydrochloric-acid-have-with-skin.
7. Chemical burn, https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_burn.
8. Xanthoproteic reaction, https://en.wikipedia.org/wiki/Xanthoproteic_reaction.