臺灣化學教育

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) + 二氧化碳(aq) + 氫離子(aq) （照光）    [2]

(二)   普魯士藍沉澱的形成

草酸鐵鉀在酸性條件變質之後，逐漸產生鐵(II)離子。若鐵(II)離子與六氰錯鐵化鉀（potassium ferricyanide，鐵氰化鉀，俗名為赤血鹽）相遇，形成深藍色的滕氏藍（Turnbull’s blue）固體，或稱為普魯士藍（Prussian blue）固體。利用晒圖製版印刷的技術，就可以做出藍底白線條的圖案，此稱為藍印術（cyanotype process）。上述鐵(II)離子與六氰錯鐵離子發生的沉澱反應，如式[3]所示：

9Fe²⁺(aq) + 6Fe(CN)₆^3–(aq) à 3Fe₃[Fe(CN)₆]₂(s) à 2Fe₄[Fe(CN)₆]₃(s)    [3]

鐵(II)離子(aq) + 六氰錯鐵離子(aq) à 普魯士藍(s)   [3]

n  器材與試劑

每組用量：2.0 M草酸鉀（K₂C₂O₄）溶液 1.5 mL、2.0 M氯化鐵（FeCl₃）溶液 0.5 mL、2.0 M六氰錯鐵化鉀（俗名為赤血鹽），1.5 mL、2.0 %醋酸 1.5 mL、微型滴管（容量約1.5 mL） 3支、微量塑膠離心管（容量精確1.5 mL），3支、濾紙（9 cm）裝入透明PP塑膠袋中 每次1套、紙巾 每次1張、玻璃或塑膠樣品瓶（容量約3.0 mL），1支、細字黑色油性筆 1支，器材照片如圖1所示：

 

圖1：本實驗的主要器材（左），具有精確刻度的微量離心管（右）。

n  實驗步驟

一、草酸鐵鉀晶體的合成反應

1.        使用微量離心管作為簡易定量工具，分別量取0.5 mL的2.0 M FeCl₃和1.5 mL的2.0 M K₂C₂O₄。將K₂C₂O₄溶液與FeCl₃溶液混合於樣品瓶中，產生綠色液體。此反應條件可形成稍微過飽和的草酸鐵鉀溶液，如圖2所示。將小瓶子輕搖幾下之後，靜置。

 

圖2：K₂C₂O₄與FeCl₃的混合：左為FeCl₃溶液，右為K₂C₂O₄溶液（左）；錯合反應產生綠色的[Fe(C₂O₄)₃]^3-離子（右）。

2.          將樣品瓶放置於無光線處（例如抽屜），或是用紙包覆遮光。先將溶液靜置於室溫約5~10分鐘，再改冰水浴約10分鐘，等候草酸鐵鉀晶體析出，如圖3所示。觀察本文中暱稱為〝小綠綠晶體〞的固體，如圖4所示。

 

圖3：草酸鐵鉀的結晶過程：冰水浴約10分鐘（左）；草酸鐵鉀晶體的析出（右）。

圖4：晶瑩剔透的綠色草酸鐵鉀晶體，本文中暱稱為〝小綠綠晶體〞。

二、藍印術的實作

(一)      準備藍印配方的原料

先將3支微量小滴管中分別裝入2.0 M赤血鹽、2.0 %醋酸、及小綠綠飽和溶液（步驟一結晶後剩下的草酸鐵鉀飽和溶液），如圖5所示。

圖5：藍印配方的原料：左為赤血鹽溶液，中為醋酸溶液，右為草酸鐵鉀飽和溶液。

(二)      直接藍印法

1.        取1支空的微量離心管，在此離心管中分別加入10滴的2.0 M赤血鹽和10滴的2.0 %醋酸，壓下蓋子輕搖數下，使液體混合均勻。

2.        尋找室內比較暗的地方，再打開離心管的蓋子，繼續滴入10滴小綠綠飽和溶液，再壓下蓋子輕搖數下，使液體混合均勻，此時出現黃綠色或淡藍綠色液體，這就是藍印配方。

3.        維持在室內比較暗的地方操作，在1張濾紙上用微量滴管滴下藍印配方，進行創意作圖。

4.        將完成藍染作圖的濾紙放到室外，或是室內有陽光的地方，依晴天或陰天的光線強度不同，曝曬時間約5 ~40分鐘。當濾紙出現深藍色，即可停止曝曬。曝曬過程如圖6所示。

 

圖6：藍印作圖的曝曬：開始曝曬時的圖案顏色（左）；可停止曝曬時的圖案顏色（右）。

5.        準備一盆水，將藍印作圖曝曬完成的作品直接放入水盆，在水盆中浸洗約10秒，洗去殘留藥水，勿使濾紙破損。

6.        以紙巾將濾紙上的水吸乾，就完成藍印作品。作品清洗與乾燥過程，如圖7所示。

 

圖7：藍印作圖的清洗過程：在水盆中浸洗約10秒（左）；用紙巾吸掉濾紙水份（右）。

(三)      晒圖藍印法

1.        先取一個透明小塑膠袋，先在塑膠袋內裝入1枚濾紙作為作圖尺寸參考。使用黑色油性筆在塑膠袋表面上畫一些圖案，完成作圖後須將濾紙取出，此塑膠袋為後續步驟的遮光罩，如圖8所示。

 

圖8：遮光罩的製作：使用黑色油性筆在塑膠袋上畫圖（左）；完成作圖後取出濾紙（右）。

2.        使用微量離心管分別量取0.75 mL的2.0 M赤血鹽和0.75 mL的2.0 %醋酸，放入遮光罩的塑膠袋，輕柔塑膠袋，使液體混合均勻，如圖9左所示。

3.        尋找室內比較暗的地方，再將草酸鐵鉀（〝小綠綠晶體〞)溶液0.75 mL於塑膠袋中，輕柔塑膠袋，得到混合均勻的晒圖藍印染料，此時液體顏色為黃綠色或淡藍綠色，如圖9右所示。

 

圖9：晒圖藍印法的印料製作：先將赤血鹽與醋酸混合（左）；尋找室內比較暗的地方，再加入草酸鐵鉀（小綠綠)溶液（右）。

4.        維持在室內比較暗的地方操作，將一張濾紙小心放入遮光罩的袋內，將整套東西平放桌上，下方墊放一張紙巾。當溶液浸滿濾紙後，將多餘的液體從袋口排到紙巾裡，如圖10所示。

 

圖10：晒圖濾紙浸泡印料：將一張濾紙小心放入遮光罩的袋內（左）；將多餘的液體從袋口排到紙巾裡（右）。

5.        將整組塑膠袋套件放到室外，或是室內有陽光的地方，依晴天或陰天的光線強度不同，曝曬時間約5 ~40分鐘。當濾紙出現深藍色，袋內也有明顯二氧化碳氣泡，即可停止曝曬。其曝曬過程，如圖11左所示。

6.        準備較寬大的盆子裝水，整個遮光罩東西都放在盆中。先在遮光罩袋內裝很多水，然後在水中小心輕撥袋內的濾紙，讓濾紙可以慢慢滑出袋外，勿使濾紙破損。再將濾紙放在塑膠袋表層用以保護濾紙，一起放在盆中，用水輕輕淋洗約10秒，洗去殘留藥水，如圖11右所示。以紙巾將濾紙上的水吸乾，就完成藍印作品。

 

圖11：晒圖藍印成品的曝曬與清洗方式：即將停止曝曬的成品外觀，袋內也有明顯二氧化碳氣泡（左）；清洗成品時，袋內也裝水讓濾紙可以慢慢滑出袋外，勿使濾紙破損（右）。

(四)      合併兩種藍印法創意作品

在同一張濾紙上，可以合併使用直接藍印法與晒圖藍印法的技術，得到深淺不一的藍色圖紋以及白色線條圖案。發揮創意進行作品設計，結合化學與藝術創作的實驗設計，體驗學習化學的精采與樂趣。

 

〔續《微量化學實驗：小綠綠晶體與藍印術微量實驗（下）》〕