臺灣化學教育

創意微型實驗—微型質量守恆裝置

方金祥

創意微型科學工作室
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利用本文所設計之並聯式塑膠注射筒，以橡皮管連接，將其組裝成一密閉系統之微型質量守恆裝置，並在兩支並聯式注射筒中進行化學反應，在反應前後分別加以稱量，以驗證質量守恆（不滅）定律。

n  微型質量守恆之原理

當化學反應達到平衡時，各反應物與各生成物間的係數比與分子數的變化量比值會相等，這些比值也會等於各反應物與各生成物間的莫耳數的變化量比值，因此在化學反應中反應前與反應後之總質量應不會改變，此稱為質量守恆定律（Law of conservation of mass），或稱質量不滅定律。本文中將以酸鹼中和反應和氧化還原反應為例來驗證質量守恆（不滅）定律。

n  藥品、材料與器材

1.        藥品：檸檬酸、小蘇打粉、廣用指示劑、碘液、硫代硫酸鈉等。

2.        材料：本實驗所用之材料，有10 mL塑膠注射筒和橡皮管等，如相片一所示。

 

相片一：橡皮管（左）與10 mL塑膠注射筒（右）

3.        器材：本實驗中所用之器材為攜帶型數字顯示天平和熱熔膠（槍），如相片二所示。

 

相片二：攜帶型數字顯示天平（左）和熱熔膠槍（右）

n  微型質量守恆裝置之設計與組合

1.        用熱熔膠在2支10 mL塑膠注射筒之上下固定成「並聯式塑膠注射筒」，如相片三所示。

相片三：並聯式塑膠注射筒

2.        取一條長約7 cm之橡皮管，將其兩端分別接在並聯式塑膠注射筒前端上，即完成「微型質量守恆定律裝置」之組裝，如相片四所示。

  

相片四：橡皮管（左）、並聯式塑膠注射筒（中）以及微型質量守恆定律裝置（右）

n  實驗操作

1.        將連接在並聯式塑膠注射筒上的橡皮管拔離。

2.        分別在注射筒前端各別接上一支去掉針尖的注射針，並分別插入測試溶液中抽反應物溶液各5 mL，然後再將注射針拔離，分別用一粒塑膠塞塞住並聯式塑膠注射筒備用。

3.        將並聯式塑膠注射筒上之塑膠塞分別拆離，然後將橡皮管兩端分別接在並聯式塑膠注射筒上。

4.        將攜帶型數字顯示天平之蓋子打開並歸零之，如相片五所示。

 

相片五：將天平蓋打開（左），並加以歸零（右）

5.        然後再將並聯式塑膠注射筒置於天平上秤量之，並記錄反應前之質量。

6.        反應前之質量秤完後，再從天平上取出並聯式塑膠注射筒，並緩慢地將其中一支注射筒中之溶液推擠至另一支塑膠注射筒中，當兩種溶液碰在一起時，便會即刻起化學反應，然後再將其置於天平上秤量之，並記錄反應後之質量。

7.        亦可分別在反應前、部分反應及完全反應等不同時段上加以稱量，以瞭解在反應前、部分反應及完全反應後之質量是否相同。

n  實驗步驟和結果

本文中以酸鹼中和反應和氧化還原反應為例來驗證質量守恆定律，其實驗結果如下：

一、   酸鹼中和反應

1.        將空的並聯式塑膠注射筒置於已歸零的天平上，秤出其質量為22.31 g，如相片六所示。

相片六：空的並聯式塑膠注射筒在天平上秤出之質量

2.        在0.1 M檸檬酸（C₆H₈O₇, C₃H₄(OH)(COOH)₃）溶液中，滴入2~3滴的廣用指示劑後溶液呈現紅棕色。

3.        在並聯式塑膠注射筒其中之一抽取8 mL的0.1 M檸檬酸溶液，另一支抽取8 mL的0.1 M小蘇打（NaHCO₃）溶液。

4.        將橡皮管兩端分別接在並聯式塑膠注射筒上，再將並聯式塑膠注射筒中無色透明的小蘇打溶液打入紅棕色檸檬酸溶液中至酸鹼中和時，紅棕色檸檬酸溶液之顏色逐漸變成中性的綠色溶液。

5.        本酸鹼中和反應除了發生指示劑之顏色變化之外，亦有些許之二氧化碳氣體產生，因此一裝置是密閉系統，因而所產生之二氧化碳氣體不會逸出而影響到反應前後之質量。其反應如式[1]所示。

C₃H₄(OH)(COOH)₃(aq) + 3NaHCO₃(aq) →
C₃H₄(OH)(COONa)₃(aq) + 3H₂O(l) + 3CO₂(g)    [1]

檸檬酸(溶液) + 小蘇打(溶液) → 檸檬酸鈉(溶液) + 水(液態) + 二氧化碳(氣態)

6. 分別將進行酸鹼中和反應前和反應後的並聯式塑膠注射筒置於天平上，秤出其質量皆為36.57g，如相片七所示。

 

相片七：酸鹼中和反應前（左）與酸鹼中和反應後（右）之質量相同

二、   氧化還原反應

1.        在並聯式塑膠注射筒其中之一抽取之5 mL的0.1 M碘溶液，另一支抽取5 mL的0.1 M硫代硫酸鈉（大蘇打，Na₂S₂O₃）溶液。

2.        將並聯式塑膠注射筒中無色透明的硫代硫酸鈉溶液打入棕色碘溶液中時，棕色碘溶液（I₃^–）中之碘會被硫代硫酸鈉溶液還原成無色透明的碘離子溶液，其反應如式[2]~[4]所示。

I₃^–(aq) + 2e^– → 3I^–(aq)                  E_red = +0.536 V       [2]

2S₂O₃^2– → S₄O₆^2– + 2e^–                  E_ox  = -0.08 V         [3]

I₃^–(aq) + 2S₂O₃^2–(aq) → 3I^–(aq) + S₄O₆^2–(aq)          E_cell = + 0.456 V      [4]

3.        分別將進行氧化還原反應前和反應後之並聯式塑膠注射筒置於天平上，秤出其質量皆為32.45 g，如相片八所示。

  

相片八：並聯式塑膠注射筒中的碘液與硫代硫酸鈉（左），秤重後質量為32.45 g（中），碘液被硫代硫酸鈉還原後其質量亦為32.45 g（右）

n  微型質量守恆裝置之特點

l  本裝置取材溶液、組裝方便、操作安全。

l  本裝置體積小且係構成一個密閉系統，如反應中有氣體產生也不會逸出。

l  適用於酸鹼中和反應與氧化還原反應之質量守恆定律之實驗。

l  亦可用於沈澱反應、放熱或吸熱反應以及有氣體產生之反應等和其它不需加熱之反應。

n  結語

由於微型質量守恆裝置之組合很簡單，只需用到2支10 mL塑膠注射筒及1條橡7 cm長之橡皮管等加以組合成，此一裝置在組裝上具有取材溶液、組裝方便、操作安全、價格低廉之特點。由於此微型質量守恆裝置係組成一密閉系統，因此可簡易且正確地進行質量守恆（不滅）定律實驗之驗證：包括不需加熱而有氣體產生之反應（如產生氫氣、氯氣、氧氣、乙炔）。並可適用於一般典型的化學反應如酸鹼中和反應、沈澱反應、氧化還原反應及放熱或吸熱反應等。