臺灣化學教育

創意微型實驗—微型變色自來水裝置
與在化學教學演示上之應用

方金祥

創意微型科學工作室
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本文描述微型變色自來水龍頭裝置之設計，該裝置在密閉系統之下使水位較低的儲水槽中之水往較高於儲水槽上的水龍頭流出來，並可應用於一般酸鹼指示劑或天然酸鹼指示劑與由水龍頭流出來之酸鹼溶液，經過酸鹼中和之後的指示劑顏色變化之教學演示，使化學教學更為生動活有趣。

n  微型變色自來水及其變色之原理

微型變色自來水是利用大氣壓力和虹吸現象，使在密閉系統中之水由下往上流，再經由塑膠三通活栓之水龍頭流出。流出之水之所以會變色，乃是由於在水中分別加入酸與鹼性溶液及酸鹼指示劑，當由兩個微型水龍頭流出之酸性溶液與鹼性溶液碰在一起時，會即刻起了酸鹼中和反應，進而使酸鹼指示劑之顏色發生變化。

n  材料藥品與器材

1.        藥品：稀鹽酸（1 M）、氫氧化鈉溶液（1 M）、紫色高麗菜，如相片一所示。

相片一：紫色高麗菜

2.        材料：5號塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、100 mL塑膠瓶、5 mL塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管，如相片二所示。

    

   

相片二：塑膠罐、塑膠密封罐、塑膠三通活栓、塑膠塞、塑膠瓶、塑膠滴管、透明塑膠軟管及橡皮管

3.        器材：熱熔膠（槍），如相片三所示。

 

相片三：熱熔膠槍

n  微型變色自來水裝置之設計與組合

一、   塑膠密封罐與其蓋子上之附件

取自市售密封塑膠罐，在蓋子的直徑上有三附件，其一為較大的孔洞（直徑約7 mm），在此孔洞上附有一個可使其密封的塑膠塞子。另在蓋子上的正中央及其後方處各有1個小孔，小孔上分別有塑膠小側管，如相片四所示。

 

相片四：市售塑膠密封罐（左）及在其蓋子有3個孔洞，有2個小孔（右上和右中）和1個孔洞（右下）

二、   自來水儲存槽之設計與組裝

1.        將1支100 mL塑膠瓶的蓋子打開，然後用剪刀將蓋子之尖端剪掉0.3 cm，如相片五所示。

 

相片五：塑膠瓶與其蓋子

2.        打開密封罐蓋子上直徑約7 mm的孔洞上之塑膠塞，然後將塑膠瓶之蓋子倒插入密封塑膠罐蓋子上的孔洞中，並用熱熔膠將其固定之，如相片六所示。

 

相片六：用熱熔膠將塑膠瓶之蓋子倒插並固定在密封塑膠罐蓋子上的孔洞中

3.        於塑膠瓶之蓋子底下，接上一條長約30 cm之透明軟管（可至密封塑膠罐之底部），如相片七所示。

相片七：塑膠蓋子底下接上一條透明軟管

4.        用剪刀將100 mL的塑膠瓶底部剪開，然後再將其與固定在密封塑膠罐上之塑膠蓋組合起來作為自來水之水槽之用，如相片八所示。

 

相片八：剪開底部之塑膠瓶（左）與原蓋子組合起來供作水槽（右）

三、   自來水儲存槽之設計與組裝

1.        用熱熔膠將2個5號塑膠罐固定在塑膠密封罐的蓋子上，並在罐子上方螺紋處用白色止滑帶緊繞4圈，使其蓋子鎖上時會更加緊密，如相片九所示。

相片九：塑膠罐固定在密封塑膠罐的蓋子上

2.        用剪刀之尖端在5號塑膠罐之蓋子上各鑽出2個小孔，並再用熱熔膠將2個單孔塑膠塞固定在此小孔中，如相片十所示。

  

相片十：塑膠罐之蓋子上各鑽出2個小孔（左），2個單孔塑膠塞（中）及2個單孔塑膠塞固定在小孔中（右）

3.        在2個塑膠蓋裡面其中一個單孔塑膠塞接上一條8 cm長之橡皮管（可至塑膠罐之底部），如相片十一所示。

相片十一：塑膠蓋裡面各接上一條橡皮管

4.        將接有橡皮管之2個塑膠蓋子分別旋緊在塑膠密封罐上之2個5號塑膠罐上，即組成自來水儲存槽，如相片十二所示。

  

相片十二：自來水儲存槽

四、   微型變色自來水裝置之設計與組裝

1.        將2支5 mL的塑膠滴管的前端1 cm處，以小火微熱之使其微微向下彎曲，如相片十三所示。

相片十三：小火微熱塑膠滴管之末端使其微微向下彎曲

2.        用剪刀將彎曲之塑膠滴管剪成約5 cm長的彎管，供作水龍頭之出水口，如相片十四所示。

相片十四：剪刀將彎曲之塑膠滴管末端5 cm處減掉

3.        然後將此一彎管接在塑膠三通活栓的側孔上，而成自來水龍頭，如相片十五所示。

  

相片十五：彎管（左），塑膠三通活栓（中）和自來水龍頭（右）

4.        將自來水龍頭之塑膠三通活栓的下方接在8號塑膠罐的蓋子上之單孔塑膠塞（其下方接有橡皮管者），然後用2條長約15 cm的橡皮管將密封罐蓋子上之塑膠小側管與塑膠罐（自來水儲存槽）蓋子上之另一單孔塑膠塞連接起來，如相片十六所示。

相片十六：2條橡皮管連接塑膠密封罐蓋子上之塑膠小側管與塑膠罐蓋子上的單孔塑膠塞

5.        將塑膠密封罐之蓋子與密封罐組合起來，即組成微型變色自來水龍頭裝置，如相片十七所示。

   

相片十七：微型變色自來水裝置

n  實驗操作

一、  一般自來之水

1.        將微型變色自來水裝置上面的水龍頭和橡皮管取下來，如相片十八所示。

相片十八：取下微型變色自來水裝置上面的水龍頭和拔掉橡皮管

2.        將微型變色自來水裝置上面兩個自來水儲存槽的蓋子打開，並分別加水於其中至約九分滿，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，如相片十九所示。

   

相片十九：打開自來水儲存槽的蓋子（左），加九分滿的水（中），將蓋子鎖緊（右）

3.        在自來水儲存槽的蓋子上接上水龍頭及橡皮管，然後將水龍頭上的塑膠三通活栓轉至三不通的位置，如相片二十所示。

 

相片二十：接上水龍頭和橡皮管（左），塑膠三通活栓轉至三不通的位置（右）

4.        從自來水儲存槽上倒入水使其流至下面的罐子中，直至流下去之水位高達罐子中透明軟管底部0.5 cm為止，使該裝置處於密封狀態，如相片二十一所示。

 

相片二十一：瓶裝自來水（左）和由自來水儲存槽上方加水（右）

5.        繼續加水至自來水儲存槽達約八分滿時，再分別將水龍頭上之塑膠三通活栓轉至自來水儲存槽與水龍頭相通之位置，然後觀察水是否會由水龍頭流出來？如相片二十二所示。

相片二十二：塑膠三通活栓轉至自來水儲存槽與水龍頭相通之位置

二、  變色自來水裝置在化學教演示上之應用：以酸鹼中和反應為例

1.        將紫色高麗菜先撕成碎片，然後利用果汁機將其攪成汁，再利用濾網過濾之而成紫色高麗菜汁供作酸鹼指示劑用，如相片二十三所示。

 

相片二十三：紫色高麗菜（左）紫色高麗菜汁（右）

2.        紫色高麗菜汁作為酸鹼指示劑，測試在酸鹼性溶液中之顏色變化。

(1)     準備一組由7支塑膠注射筒組成的比色管，如相片二十四所示。

相片二十四：塑膠注射筒組成的比色管

(2)     將比色管下方之塑膠活栓關閉，如相片二十五所示。

相片二十五：關閉比色管下方之塑膠活栓

(3)     將比色管分別加入九分滿的蒸餾水，並用0.1 M HCl溶液和0.1 M NaOH溶液將上述比色管（由左至右）中之水調成pH 1, pH 3, pH 4, pH 7, pH 8, pH 9及pH 10 之酸鹼性溶液（用pH 0~14廣用試紙比對）來測試其pH值，如相片二十六所示。

相片二十六：調製不同酸鹼性溶液

(4)     在上述比色管中不同pH值之酸鹼性溶液中，分別滴入1 mL紫色高麗菜汁之酸鹼指示劑，然後觀察由天然指示劑在比色管中所呈現出來之顏色變化pH 1（紅色）, pH 3（桃紅色）, pH 4（粉紅色）, pH 7（淡紫色）, pH 8（綠色）, pH 9（黃綠色）及pH 10（黃色），即可作為溶液的酸鹼性與其pH值之初步判斷，如相片二十七所示。

 

相片二十七：滴入1 mL紫色高麗菜汁之酸鹼指示劑於比色管中

3.        將微型變色自來水裝置上面兩個自來水儲存槽的水龍頭和橡皮管取下來，然後再將蓋子打開。

4.        在左邊的儲存槽中，加入0.1 M NaOH水溶液於至約九分滿，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，並將水龍頭及橡皮管接回去。

5.        在右邊的儲存槽中，加入0.1 M HCl水溶液於至約九分滿，並滴入3滴的酚酞酸鹼指示劑，然後再將蓋子鎖緊使其密閉，並將水龍頭及橡皮管接回去。

6.        由自來水儲存槽上方加入100 mL的自來水，經由透明塑膠管流入於塑膠密封罐中，使流入自來水之液面高於透明塑膠管之底部約2 mm而成一密閉系統。

7.        將2個儲存槽上的水龍頭之塑膠三通栓關住，然後再由自來水儲存槽上方加入自來水至八分滿及1 mL的紫色高麗菜汁作為酸鹼指示劑。先將左邊的水龍頭上的塑膠三通活栓打開，並觀察由水龍頭流出的氫氧化鈉溶液滴到下面的水槽中後遇到預先加在自來水儲存槽中之紫色高麗菜汁酸鹼指示劑後之顏色變化？

8.        其次將左邊的水龍頭的塑膠三通活栓關掉後，再將右邊的水龍頭上之塑膠三通活栓打開，並觀察由水龍頭流出的稀鹽酸溶液滴到下面的水槽中後遇到預先加在自來水儲存槽中之紫色高麗菜汁酸鹼指示劑後之顏色變化？

9.        最後將左右兩邊的水龍頭上的塑膠三通活栓都打開後，並觀察由水龍頭流出的水和滴入水槽中以及流入塑膠密封罐中之顏色各有何變化？

n  實驗結果

一、  一般自來之水之演示結果

1.        在此裝置上方2個自來水儲存槽中，加入九分滿的水和從儲存槽上加水至約八分滿後，分別將兩個水龍頭上方之塑膠三通活栓微微打開時，會看到自來水由水龍頭出口處逐滴地慢慢地滴出來，如相片二十八所示。

相片二十八：自來水由水龍頭出口逐滴地慢慢地滴出來

2.        若將水龍頭上方之塑膠三通活栓完全打開時，會看到自來水由水龍頭出口很順暢地流出來，如相片二十九所示。

  

相片二十九：兩個水龍頭均會很順暢地流出水來

二、  變色自來之水之演示結果

1.        當左邊的水龍頭上的塑膠三通活栓打開時，由水龍頭流出的水是單存的氫氧化鈉溶液，是無色透明的跟一班自來水是一樣的。

2.        由左邊的水龍頭流出的氫氧化鈉溶液滴入自來水儲存槽中，使其顏色由淡紫色（pH 7）逐漸變成深綠色（pH 8），如相片二十九所示。

   

相片二十九：酸鹼中和反應致使其顏色由中性的淡紫色（pH 7）變成鹼性的深綠色（pH 8）

3.        將左邊的水龍頭的塑膠三通活栓關掉後，再將右邊的水龍頭上之塑膠三通活栓打開，由水龍頭流出的水也是無色透明的，此乃因在稀鹽酸溶液中是呈無色，看起來也是跟一般自來水一樣的。

4.        由右邊的水龍頭流出的稀鹽酸溶液滴入自來水儲存槽中，則會與儲存槽中之氫氧化鈉溶液進行酸鹼中和反應致使其顏色會由鹼性的深綠色（pH 8）變成中性的淡紫色（pH 7） ，乃至有過量的稀鹽酸溶液時則會逐漸變成酸性的淡粉紅色（pH 4）至更微酸性的桃紅色（pH 3），因此觀察在水槽中或流至底下收集槽中之天然指示劑的顏色變化即可初步判斷溶液的酸鹼性與其pH值，如相片三十所示。

  

相片三十：酸鹼中和反應致使其顏色由鹼性的深綠色（pH 8）變成酸性的桃紅色（pH 3）

n  微型裝置實驗時注意事項

1.        本裝置必須構成一密閉系統，因此必須設法使塑膠密封罐與2個儲水槽（5號塑膠罐）的蓋子都能緊密蓋緊。

2.        加至自來水儲存槽中之水必須與塑膠密封罐底部之水連通保持一密閉系統的狀態。

3.        自來水儲存槽中之水約達七、八分滿時，再打開水龍頭上的塑膠三通活栓，由水龍頭流出的水才會更順暢。

n  微型裝置之特點

1.        本裝置取材溶液、組裝方便、操作安全。

2.        本裝置係構成一個密閉系統。

3.        可演示由水龍頭流出一般自來水或流出變色自來水。

4.        可由天然指示劑的顏色變化，初步判斷容易之酸鹼性與其pH值。

5.        可將本裝置倒置過來，使流入塑膠密封罐中的水慢慢流回塑膠罐中重複使用。

n  結語

本裝置必須構成一個密閉系統，因此必須設法使塑膠密封罐與8號塑膠罐的蓋子都緊密蓋緊。可應用於一般酸鹼指示劑或天然酸鹼指示劑與由儲存在儲水槽內的酸性溶液與鹼性溶液分別由水龍頭流出來，經天然指示劑紫色高麗菜之與酸性溶液酸鹼或鹼性溶液相遇時或酸鹼中和之後指示劑顏色變化之教學演示，使化學教學更為生動活有趣。