微量化學實驗：酸鹼七彩調色盤的點滴實驗 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com n  前言 本微量化學實驗設計採用酸鹼化學變化搭配數種常見的酸鹼指示劑，進行多色七彩創作的開發，「酸鹼七彩調色盤」實驗原理涵蓋高中化學課程的酸鹼中和反應，依照目前普通高級中學課程綱要的安排，本實驗原理屬於基礎化學（二）主題：常見化學反應，以及選修化學（上）主題：水溶液中的酸鹼鹽。107新課程綱要高中化學也融入綠色化學的原則，本微量實驗適合作為綠色化學的教學示例，例如：低毒、減廢、思危等的多項原則。 本實驗的目的：（一）操作常用的四種酸鹼指示劑：甲基橙、甲基紅、溴瑞香草酚藍及酚酞，認識指示劑的酸型色與鹼型色的特徵。（二）使用微量稀薄醋酸及蘇打溶液控制溶液的酸鹼度，加入組合混搭數種指示劑來操作酸鹼中和反應，做出廣用指示劑的七彩顏色變化，認識廣用指示劑的基本配方。（三）使用熱熔膠製作小型的簡易調色盤，達到實驗減量的目的。（四）以微量實驗的設計為本，欣賞化學變化與多彩顏色的呈現，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。 n  原理和概念 許多天然植物色素和多種人工合成染料都具有酸鹼指示劑的功能，其中甲基橙（Methyl orange, MO）、甲基紅（Methyl orange, MR）、溴瑞香草酚藍（Bromothymol blue, BTB）及酚酞（Phenolphthalein, PP）是常用的酸鹼指示劑，如圖1所示。 圖1：四種常見酸鹼指示劑。 每種酸鹼指示劑皆具有酸型顏色與鹼型顏色的特徵，如圖2所示。酸型顏色與鹼型顏色轉換時的pH值範圍，稱為酸鹼指示劑的變色範圍，如圖3所示。例如：溴瑞香草酚藍（BTB）變色範圍為pH = 6.2~7.6，這表示BTB在pH值6.2以下（更酸的）的水溶液中，出現酸型顏色：黃色；而在pH值7.6以上（更鹼的）的水溶液中，出現鹼型顏色：藍色。酸鹼指示劑在變色範圍內時，兩種顏色的結構存在於水中幾乎等量，因此會呈現兩色混合後的顏色，例如：BTB在中性水溶液中是出現黃色與藍色混合後的綠色。酸鹼指示劑的變色範圍不一定涵蓋了中性條件（pH = 7），例如酚酞（PP）的變色範圍是pH =8 .2~10.0，因此在中性水溶液的PP仍是呈現酸型顏色，也就是無色。 圖2：四種酸鹼指示劑顏色的對照表。【編號：A = MO、B = MR、C = BTB、D = PP】 圖3：兩種酸鹼指示劑變色範圍與顏色變化。 n  實驗器材與試劑 每組用量：試藥滴瓶（5 mL，盛裝共用的醋酸溶液、蘇打溶液） 2個、試藥滴瓶（5 mL，盛裝共用的酸鹼指示劑） 4個、玉米塑膠杯（小型，容量大於5 mL即可） 8個、微型滴管（容量約1.5 mL） 8支、PP透明塑膠袋（尺寸建議為10 cm × 7 cm） 4個、牙籤 […]

微量化學實驗：小綠綠晶體 與藍印術微量實驗（上） 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com   n  前言 本微量化學實驗設計採用一系列化學變化進行創作實用有趣的美術作品，「小綠綠晶體與藍印術」實驗原理涵蓋高中化學課程的四大類型反應：（一）酸鹼中和反應、（二）離子沉澱反應、（三）氧化還原反應、（四）光催化反應。依照目前普通高級中學課程綱要的安排，本實驗原理屬於基礎化學（二）主題：常見化學反應，以及選修化學（上）和（下）主題：氧化還原反應、無機化合物等。配合高中化學107新課綱課程也融入綠色化學原則，本微量實驗也適用來作為綠色化學的教學示例，例如低毒、減廢、思危、再生等的多項原則。 本實驗的目的：（一）以微量實驗進行草酸鐵鉀晶體的合成反應，認識錯合反應與離子沉澱反應，進而學習操作養晶技術。（二）使用草酸鐵鉀養晶的微量廢液，經由系列反應，涵蓋了光化反應、氧化還原反應、離子沉澱反應等，也達到實驗減廢的功能。（三）使用微量離心管（Eppendorf）為簡易定量工具，幫助學生精確量取微量體積的溶液，也達到實驗減量的目的。（四）以微量實驗的設計為本，也結合化學與藝術創作的實驗設計，完成藍印術的創作，使學生體驗學習化學的精采與樂趣。 n  原理和概念 一、草酸鐵鉀晶體的合成反應 鐵離子是地殼中含量第二豐的金屬元素；植物中含有的草酸根離子是一種配位基，可以結合許多種金屬離子而形成錯合物。草酸鉀與氯化鐵兩者皆為易溶於水的鹽類，若將足量的草酸鉀與氯化鐵混合後，將發生錯合反應而產生綠色的三草酸錯鐵(III)離子（trisoxalatoferrate(III)）。反應產物的飽和溶液中可結晶析出三草酸錯鐵(III)化鉀（potassium trisoxalatoferrate(III)）的綠色晶體，簡稱為草酸鐵鉀（potassium ferrioxalate）。由於綠色晶體外觀晶瑩剔透，本文中就將之暱稱為〝小綠綠晶體〞。上述飽和溶液中析出草酸鐵鉀固體的反應，如式[1]所示： 3K2C2O4(aq) + FeCl3(aq) à K3[Fe(C2O4)3](s) + 3KCl(aq)    [1] 草酸鉀(aq) + 氯化鐵(aq) à 草酸鐵鉀(s) + 氯化鉀(aq)    [1] 二、藍印術的反應 (一)   草酸鐵鉀的氧化還原反應 草酸鐵鉀中的草酸根離子，除了擔任配位基之外，本身也是溫和的還原劑。如果將草酸鐵鉀放置在酸性條件下，草酸根離子會形成草酸分子而失去配位基功能，只剩下還原劑功能，造成草酸鐵鉀變質，其錯合物結構瓦解，鐵(III)離子就被自由釋出。接著，鐵(III)離子與草酸分子就開始發生氧化還原反應，使鐵(III)離子與草酸分子反應形成鐵(II)離子和二氧化碳。由於此反應也是光催化反應，照光使反應速率大增，使草酸鐵鉀加速變質，因此草酸鐵鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，才能延長保存的時間。上述鐵(III)離子與草酸分子發生氧化還原反應，如式[2]所示： 2Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) à 2Fe2+(aq) + 2CO2(g) + 2H+(aq) （照光）    [2] 鐵(III)離子(aq) + 草酸(aq) à 鐵(II)離子(aq) […]

微量化學實驗：小綠綠晶體 與藍印術微量實驗（下） 周芳妃1, *、李盈萱2, *、陳靜瑋1 1臺北市立第一女子高級中學2臺北市立中山女子高級中學1, *fangfei7680@yahoo.com.tw、2, *alice19901027@gmail.com 〔承《微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（上）》〕 n  結果與討論 運用不同的藍印方法所得到的創意作品如圖12所示。 圖12：藍印術創意作品舉例：晒圖藍印法的作品（上面兩張）；直接藍印法的作品（左下和右下）；合併使用與晒圖藍印法的作品（下中）。 n  廢棄物處理和安全注意事項 1.         本實驗〝小綠綠晶體〞合成所得到晶體或其剩餘飽和溶液，都必須儲存在遮光瓶中，可長期收存，隨時可再取出用於「藍印術」實驗。〝小綠綠晶體〞的乾燥方法如下：〝小綠綠晶體〞放置於紙巾上，以少量酒精淋洗濾紙上晶體。將晶體再放到新紙巾上，輕壓使其乾燥。小綠綠晶體可單獨用鋁箔紙包裝收藏。 2.         本實驗中藍印術完成的美術作品可以長期室溫保存，或當一般垃圾廢棄處理。本實驗的藍色染料（普魯士藍）是文具鋼筆的墨水成分，因此本實驗清洗作品過程類似美術課的清洗畫筆工作，清洗剩餘的顏料水可以直接稀釋排放。註：依據GHS化學品全球調和制度，普魯士藍沒有危害數據資料，請查閱：http://ghs.osha.gov.tw/CHT/intro/search.aspx。 n  教學提示 3.         本微量實驗上課時間富有很大的彈性，可以是1節課、2節課或甚至3節，可依照學生的先備程度作調整，也要考慮到當天日照情形，而結束課程的裝置整理與回收約5分鐘。 4.         授課時間較充裕時，教師可以將高中課程中介紹四大化學反應的原理以及綠色化學十二原則作充分教學。實驗教學過程可彈性使用不同的技巧，例如採用實驗假設求證及合併歸納法：【實驗假設求證教學法】  授課à假設à操作à觀察à求證à討論à歸納à分享報告。 5.         綠色化學十二原則的參考資料，例如：綠色化學（Green Chemistry）–拯救地球的未來，http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=49978。 6.         本微量實驗教學時間的縮減可彈性調整。通常學生很喜歡畫圖，也又會花不少時間用心畫出精致線條的圖案。因此，如果教師授課時間較少，可安排學生用課餘時間先做畫圖。 7.         完成藍染作圖的濾紙曝曬時間依環境而定。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬結束後，作品拿入室內需再靜置適當時間，使反應生成的藍色顏料（普魯士藍）可以牢牢附著在濾紙上，避免清洗時藍色顏料又脫落。一些日曬時間與等候清洗的實驗經驗如下：【夏日有陽光直曬】：曝曬時間約1~5分鐘，作品拿入室內需再靜置5~10分鐘。【夏日有陽光的戶外影子下、夏日有雲遮陽、冬日陽光直曬】：曝曬時間約10~20分鐘，作品拿入室內可直接清洗。【雨天】：曝曬時間約2小時以上（也可能不易成功），作品拿入室內可直接清洗。 8.         合成小綠綠晶體的原料可以直接購買市售草酸鉀（K2C2O4）固體，再配成2.0 M溶液。但是教師也可以事先安排每小組進行另一個實驗：草酸鉀的合成反應，由於使用的草酸與氫氧化鉀售價更低，可使原料成本降低為三分之一以下。下列實驗步驟是合成5 mL的2.0 M K2C2O4的條件與方法，可供本篇微量實驗的3組使用，教師可依莫耳數比例調整。【草酸鉀的合成反應】：將1.25 g（22 mmol）氫氧化鉀（KOH）固體加入5 mL的水中，攪拌溶解，注意此為放熱反應。再將1.25 g（10 mmol）草酸（H2C2O4）粉末慢慢加入氫氧化鉀溶液中，反應形成2.0 M草酸鉀溶液約5 mL。（註：氫氧化鉀可稍微過量，使草酸鉀溶液成鹼性，有利於後續合成小綠綠晶體的實驗。） n  問題與參考答案 1.         為何草酸錯鐵(III)化鉀必須隔離光線與酸性物質來收藏，以延長保存的時間？ 答：酸性物質會破壞草酸錯鐵(III)化鉀結構，進而發生分解反應，照光又加速此分解反應。 2 Fe3+(aq) + H2C2O4(aq) […]