亞甲藍的光致變色

廖旭茂

國立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

本文介紹亞甲藍液的光致變色反應。本影片介紹演示亞甲藍液在紫光的照射下，可逆的變色過程，並在文章中介紹光化反應的原理。

影片網址：亞甲藍的光致變色，https://youtu.be/ALrkRyaP22w。

n  簡介

亞甲藍（Methylene blue，簡稱MB）是一種雜環的芳香族化合物，在生物及化學上有很多的用途。在生物上做為細胞染色劑，方便於顯微鏡下觀察之用；同時具有氧化力，可做為一氧化碳、氰化物以及亞硝酸鹽中毒的解毒劑，甚至做為水族箱的殺菌劑^[1]。在化學上是一種氧化還原指示劑，主要用在「藍瓶實驗」中，在強鹼溶液中，當還原劑葡萄糖存在時，亞甲藍被還原成無色的狀態（leuco form）；當搖晃燒瓶時，瓶中的氧氣溶於溶液中，氧化葡萄糖，反應逆向進行，使溶液呈現藍色（color form）。本實驗利用紫光雷射，在亞錫離子還原劑的存在下，觀察亞甲藍液的光致變色反應^[2]。相關詳細實驗步驟及原理，分述如下：

n  藥品與器材

亞甲藍（Methylene blue, C₁₆H₁₈N₃SCl） 0.10克、0.5 M HCl 150毫升、氯化亞錫（tin(II) chloride dihydrate, SnCl₂‧2H₂O） 0.50克、燒杯（100毫升） 2個、玻棒1支、玻璃試劑瓶（10毫升） 1個、培養皿 1組、濾紙（直徑9公分） 1張、藍紫光雷射筆（30 mW） 1支。

n  實驗步驟與結果

一、  溶液配製

1.        秤取0.10克的亞甲藍粉末，放入於一個100毫升的燒杯中，加入100毫升的0.5 M HCl 中，緩慢地攪拌使亞甲藍完全溶解，形成A溶液，其中亞甲藍液的濃度約為0.003 M。

2.        秤量約0.50克的氯化亞錫，倒入事先裝有10毫升的0.5 M HCl的100毫升的燒杯中，緩慢地攪拌均勻，形成B溶液，備用。

3.        取一個10毫升玻璃試劑瓶，倒入9毫升的A溶液後。用滴管吸取B溶液，一邊緩慢地滴加到A溶液中，一邊攪拌至藍色消失為止。蓋好瓶蓋準備演示之用。圖1為配製溶液的示意圖。

         
圖1：A和B兩溶液的配製（左和中），演示用無色亞甲藍液的配製（右）

二、  實驗演示

1.        演示方式一：戴上抗UV的防護眼鏡，以藍紫光雷射筆從側邊照射瓶身約5秒鐘，觀察光徑的顏色和溶液的變化。圖2為亞甲藍在藍紫光LED照射下，光致變色的過程。

圖2：藍紫光雷射直線通過時，明顯現出一道藍色的光徑，通過處溶液瞬間變藍

2.        演示方式二：新鮮配製完成的A、B混合液，緩慢地滴加到一個預先鋪好濾紙的培養皿中，濕潤整張濾紙，戴上抗UV的防護眼鏡，以紫光雷射筆距離培養皿上方15公分處，隔空寫字，觀察濾紙的變化（請詳見影片）。

n  原理與概念

亞甲藍為氧化還原指示劑，化學式為C₁₆H₁₈ClN₃S，為一種有機氯鹽；常溫下為氧化態，溶於水呈深藍色溶液，在還原劑的存在下，得到兩個電子後，還原成無色的狀態（leco form），其標準還原電位E°值為+0.53 V（當[H⁺] = 1.0 M），但隨pH的改變，E°值隨之改變。亞甲藍的還原半反應如式[1]所示。由亞甲藍的還原半反應式得知，其電位與溶液的pH值有關。

    [1]

在本實驗中，使用氯化亞錫做為還原劑，當Sn²⁺氧化成Sn⁴⁺時，其氧化標準電位為-0.15 V，全反應的電位差△E°為+0.38 V，△E°大於0，反應式左方的反應物可視為高能量狀態，右方的產物可視為低能量態，因此反應為自發性，使藍色的亞甲藍還原成無色的狀態（leco form），相關反應如式[2]所示：

    [2]

無色狀態的亞甲藍液，並不吸收可見光，根據文獻指出^[2]，無色的亞甲藍液會吸收315~400 nm的紫外光，當遭受此波長範圍的紫外光線照射時，無色狀態的亞甲藍分子會被激發，激發態的無色亞甲藍分子是較強的還原劑，隨之轉移電子轉給Sn(Ⅳ)，Sn(Ⅳ)還原成Sn(II)，反應因此向左進行，無色的亞甲藍氧化成為藍色的亞甲藍。

本反應的氯化亞錫溶液成懸浮態，當滴加15滴的溶液進入裝有9毫升亞甲藍的試劑瓶時，溶液略為混濁，為不影響演示效果，可蓋上瓶蓋，搖晃3~5分鐘後，靜置沉澱或直接過濾。

n  安全注意及廢棄物處理

l  操作過程中，必須戴上抗 UV的安全眼鏡，並且不可直視雷射光過久。

l  實驗後，反應所產生的廢棄物毒性低，依規定回收處理。

n  參考資料

1.      Methylene blue, https://en.wikipedia.org/wiki/Methylene_blue.

2.      Bassam Z.Shakhashiri, Chemical Demonstrations, Vol.5, The university of Wisconsin press (2011), p. 256-259.

3.      Redox indicator, https://en.wikipedia.org/wiki/Redox_indicator.