發光的「銅」心

廖旭茂

國立大甲高級中學
教育部高中化學學科中心
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n  影片觀賞

本影片介紹演示實驗發光胺（魯米諾）溶液在銅線的催化下，所產生的螢光反應，並在文章中介紹光化反應的原理。

影片網址：發光的「銅」心，https://youtu.be/tpX6x7XfhPw

n  簡介

發光胺（Luminol, C₈H₇N₃O₂）俗稱魯米諾，是一種白色近淡黃色的結晶粉末，是最常用的化學螢光劑之一，在鹼性的水溶液環境中，形成雙陰離子的魯米諾，遇到氧化劑（如雙氧水）產生的氧氣，反應生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子，藍色螢光的波長為425 nm^[1]。因為反應結果相當靈敏，通常用於命案現場血跡的追蹤，藉以判斷第一現場的位置，刑事鑑定上通常以氫氧化鈉配製成鹼性溶液並與雙氧水混合，當遇到血跡，血液中血紅蛋白的鐵會立刻催化雙氧水的分解，引發後續的光化學反應。本實驗參酌英國皇家化學會網站演示實驗內容^[2]，改以銅線為催化劑，在乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）與氨水的鹼性環境中，觀察魯米諾溶液的光化學反應，以及因為錯合反應所造成溶液的變化。相關詳細實驗步驟及原理，分述如下：

n  藥品與器材

1.          A溶液：發光胺（Luminol, C₈H₇N₃O₂，魯米諾） 0.10克、2.0 M NH₃ 15毫升、乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na, C₁₀H₁₂N₂O₈Na₄） 0.20克。

2.        B溶液：1.0 M H₂O₂ 3毫升。

3.        同軸纜線（30公分長） 1條、單芯銅線（15公分長） 1條、培養皿 1組、濾紙（直徑9公分）1張、玻璃試劑瓶（20毫升）1個、燒杯（50毫升） 2個、玻棒1支、血清瓶（100毫升） 2個。

n  實驗步驟與結果

一、  實驗溶液配製及準備

1.        取一個50毫升的燒杯中，加入15毫升的2.0 M NH₃中。接著，秤取0.10克的發光胺與0.2克的乙二胺四乙酸四鈉（EDTA-4Na）粉末，加入燒杯中，緩慢地攪拌使固體完全溶解，形成A溶液。A溶液中計約含30毫莫耳的NH₃、0.55毫莫耳的發光胺、0.55毫莫耳的EDTA-4Na。另取3毫升的1M H₂O₂為B溶液備用，其中H₂O₂約計3毫莫耳。

2.        取一段約30公分長的同軸纜線，剝掉黑色的塑膠外層、網狀導電體、鋁箔及絕緣用的聚乙烯塑膠後，抽出銅線；再以尖嘴鑷子彎折出兩個大小不一的心形，備用。

3.        若有多餘的線材，可環繞鉛筆彎折成立體螺旋狀，備用；若線材不足亦可使用較粗的單芯銅線取代。圖1為彎折的銅線的式樣。

圖1：圖左方的心形是以同軸纜線彎折

二、  實驗演示

1.        演示方式一：新鮮配製完成的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個預先鋪好濾紙的培養皿中，淹沒並覆蓋整張濾紙，隨即將兩個心形銅線放置在溶液中，觀察心形銅線周圍發生的變化；關閉電源，觀察螢光反應的發生，接著適度搖晃培養皿後靜止，觀察螢光的擴散變化。圖2和3為魯米諾在培養皿中的變化。

圖2：關燈下，出現心形螢光

圖3：反應一段時間後，心形銅線周圍溶液變為綠色

2.        演示方式二：另行配製的A、B兩溶液，緩慢地倒入一個20毫升的玻璃試劑瓶中。隨即關燈，觀察螢光發生的情形；搖晃銅線，觀察瓶中螢光的變化。當螢光轉弱時，打開電源至反應結束，觀察溶液顏色的變化。圖4~6為溶液的觀察紀錄。

圖4：立體螺旋銅線周圍出現發光胺的螢光過程

圖5：過程中立體螺旋銅線周圍出現氣泡，溶液為綠色

圖6：反應結束後，溶液轉變為深藍色

n  原理與概念

發光胺（魯米諾），為難溶於水的淡黃色粉末，化學式為C₈H₇N₃O₂，在一般的演示實驗中，多是配製兩種溶液，一種是作為氧化劑的雙氧水，另一種是將發光胺配製在氫氧化鈉或碳酸鈉存在的鹼性溶液中，其中並加入硫酸銅以作為雙氧水分解的催化劑；發光胺在鹼性溶液中會形成雙陰離子（dianion），當兩液混合時，銅離子會催化雙氧水而發生分解反應，產生氧氣^[3]，氧氣進而與雙陰離子反應，生成激發態的3-胺基鄰苯二甲酸根離子（3-aminophthalate），隨後發出藍色螢光回到基態^[4]。圖7為發光胺產螢光的詳細反應過程。

圖7：發光胺產螢光的詳細反應過程

本實驗以銅線取代銅離子，銅線在雙氧水的氧化下，產生銅離子^[5]，藉由EDTA與銅離子間極高的穩定常數K_c = 10^18.8，形成高穩定的螯合物[Cu(EDTA)]²⁻，銅離子瞬間大幅減少，進而抑制了銅離子催化雙氧水的分解速率^[6][7]，螢光發光時間也由傳統化學演示的30秒，延長至十數分鐘不等；光反應的區域侷限在細銅線狹窄的周圍，距離銅線越遠，銅離子的濃度越低，培養皿大部分的區域，幾無光化學反應進行，呈現一片黑暗；若搖晃培養皿，銅離子擴散開來，螢光亦隨之散開，圖8為搖晃培養皿導致發光強度更佳。

圖8：搖晃培養皿，銅離子擴散開來，催化發光胺的發光。

當玻璃試劑瓶的反應經歷一段時間後，因為螯合的Cu(EDTA)²⁻的生成，溶液為綠色；本實驗因發光胺為限量試劑，數分鐘後便不再發光；同時隨著EDTA-4Na的減少，未螯合的銅離子濃度升高，雙氧水的催化反應速率越來越快，實驗最後因銅離子與氨水錯合，溶液變為深藍色。

經實驗測試，其他螯合化合物，如草酸鈉等亦可像EDTA一般，抑制銅離子的催化反應，延長演示時間。

n  安全注意及廢棄物處理

l  操作過程中，因濃雙氧水有腐蝕性，碰觸後會傷害皮膚，必須戴上手套。

l  實驗後，反應所產生的廢棄物，依規定回收處理。

n  參考資料

1.      Luminol, https://en.wikipedia.org/wiki/Luminol.

2.      Lighting up copper, https://eic.rsc.org/exhibition-chemistry/lighting-up-copper/2000050.article.

3.      Spyridon Skounas, Constantinos Methenitis, George Pneumatikakis, and Michel Morcellet (2010). Kinetic Studies and Mechanism of Hydrogen Peroxide Catalytic Decomposition by Cu(II) Complexes with Polyelectrolytes Derived from L-Alanine and Glycylglycine. Bioinorganic Chemistry and Applications. Volume 2010 (2010), Article ID 643120, from https://www.hindawi.com/journals/bca/2010/643120/.

4.      Bassam Z.Shakhashiri, Chemical Demonstrations, Vol. 1, The university of Wisconsin press (1983), p. 156-167.

5.      Will hydrogen peroxide blacken copper?, http://antoine.frostburg.edu/chem/senese/101/redox/faq/h2o2-cu.shtml.

6.      EDTA, http://en.wikipedia.org/wiki/EDTA.

7.      李威霖（2010）。以電解系統處理化學銅廢水研究。國立交通大學機構典藏畢業論文。參閱https://ir.nctu.edu.tw/bitstream/11536/44014/2/651603.pdf.