鈷錯合物多段感溫變色棒的製作 / 廖旭茂、程慧文

星期五 , 3, 1 月 2020 Leave a comment

鈷錯合物多段感溫變色棒的製作

廖旭茂1, 2*、程慧文1

1台中市立大甲高級中等學校

2教育部高中化學學科中心
*nacl880626@hotmail.com

 

n  影片觀賞

本實驗影片由台中市立大甲高級中學提供,感溫變色棒的製作介紹。

clip_image002影片網址:https://youtu.be/0WnOOqGF8ZI, YouTube.

n 簡介

台灣是海島型氣候,每年三至五月,便會颳起南風,整個房屋的地板、牆壁濕濕黏黏的很不舒服;除了客廳、房間得用除濕劑,衣櫃內也要使用乾燥劑,到處都進行著一場防潮大作戰。

屋子怕潮濕,常見的糖果餅乾、維他命藥罐裡更怕潮濕;大家常常可以在各種食品包裝內發現一個小包裝的塑膠袋,裏頭裝著一小小顆透明的顆粒狀的乾燥劑;如果再往內仔細看,還會發現有幾顆的顏色是特別不一樣的藍色,如果過一段時間後,藍色球狀顆粒的顏色就會變成粉紅色。

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1:含有氯化亞鈷的粉紅色的矽膠乾燥劑

國中學過利用氯化亞鈷試紙來檢驗水的存在,其實球型顆粒表面的藍色物質就是氯化亞鈷。本實驗將以氯化亞鈷的為主角,觀察在不同氯離子濃度下,溶液顏色的變化,隨即讓同學利用各種溶液在圖畫紙上預先繪製的圖案上色(如圖2),將藝術設計融入課程之中。最後選用溶液注入玻璃管或毛細管中,密封後製成多段變色的感溫棒。下圖為學生所繪製會變色的作品圖。

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2:圖左為加熱前的顏色,圖右為吹風機加熱後的顏色(本圖為卓冠甫同學繪製)

期盼透過本實驗文章的分享,能拋磚引玉,將藝術、設計融入化學之中,提升化學原理在生活的應用性,並讓中小學的化學實驗能真正達到趣味性、動機性、安全性,符合綠色化學原則,落實永續教育的經營目標。

n  器材與藥品

一、器材:

每組需要:試管10支、試管架1個、小標籤紙10張、塑膠滴管3支、10 mL小量筒2支、玻棒1 支、外徑4mm PYREX玻璃管100公分長(或毛細管)、1mL塑膠針筒1支、水彩筆1支、鉛筆1支、吹風機1台、溫度計1支、透明矽利康1罐、600 mL燒杯2個、加熱板1台、冰塊一些、紫光雷射筆一支、抗UV護目鏡。

二、藥品:

無水氯化鈣CaCl2、氯化亞鈷晶體CoCl26H2OUV光膠。

n  實驗步驟

一、比較不同氯離子濃度下,鈷錯離子的顏色變化

1.    取出10支乾淨試管,分別加入10 毫升、9.5毫升、9毫升、8.5毫升、8毫升、7.5毫升、7毫升、6毫升、5毫升、4毫升的蒸餾水,分別加入0克、0.5克、1.0克、1.5克、2.0克、2.5克、3.0克、4.0克、5.0克、6.0克的無水氯化鈣,依序配置成重量百分率濃度為0 %5 %10 %15 %20 %25 %30 %40 %50 %60 %的氯化鈣溶液,並貼上標籤標示1~10號。標籤黏貼位置於試管的上緣處。每支試管中溶液之總重量為10公克。

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3:不同氯化鈣溶液的配置

2.        將步驟110支試管中各加入約2.5克的氯化亞鈷晶體,以玻棒攪拌均勻。隨後以滴管吸取蒸餾水,以第1號試管的高度為基準,在2~10號試管中加入不等量的蒸餾水,溶液高度皆與1號試管等高,溶液最後的體積約10.5毫升。此時總鈷離子的濃度約為1 M

3.        搖晃試管,或以玻棒攪拌,觀察並比較1~10號試管內容液顏色的差異,說明氯化鈣濃度的不同對顏色的影響。

image4:不同氯離子濃度下,溶液呈現不同的顏色

4.        為方便觀察,可將1~10號試管的溶液,以分度吸量管各吸1毫升至12孔盤中。

二、多段變色感溫棒的製作

1.        1支外徑4mm,內徑0.8mmPYREX耐熱玻璃管,以尺量測,約每8公分以簽字筆畫記,接著玻璃切割器切割,裁切10根玻璃管備用。

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圖5:玻璃管的裁切

2.        取市售的透明的矽利康膠,擠出少許於紙巾上,再拿一根裁切好的玻璃管手持一端,另一端插入矽利康膠中,使矽利康膠擠入玻璃管中約1~1.5公分。完畢後以衛生紙擦拭玻璃管外壁清除多餘的矽利康膠,靜置,待乾備用。

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 圖6:一端封膠的玻璃管

3.        記錄室溫(約為20℃),以塑膠針筒吸取1號的試管內的溶液,按壓針筒手柄擠出多餘的空氣,自矽膠端注入玻璃管內,液面高度離另一端約1公分,過程中應小心避免氣泡的產生。接著取一瓶UV光膠,將注入口插入玻璃管的另一開口端,擠入少許光膠封口,隨後將玻璃管光膠端水平插入紫光雷射台的圓孔中,以紫光雷射照射封膠口,時間持續約20-30秒。完成兩端封口。

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圖7:玻璃管以UV膠封口的過程

4.        重複上述實驗,以塑膠針筒分別將2~10試管內的溶液注入玻璃管中,並將玻璃兩端封口,總共製作10根不同配方的感溫棒。

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圖8:由上而下的玻璃管分別為盛裝1~10號試管的溶液

5.        承上,以塑膠針筒分別將8號試管內的溶液注入玻璃管中,將玻璃管兩端封口後,總共製作3根號感溫棒。

6.        準備2100毫升的燒杯,分別加入0℃的冰水,與約100℃的熱開水。另外,準備38號玻璃管,將其中28號玻璃管,分別置入兩個燒杯中,觀察兩個冰、熱兩個燒杯內的玻璃管的顏色變化,並與剩下於室溫的18號管相比較。

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圖9:取8號感溫棒分別在熱、冰水的溶液的顏色

7.        記錄室溫(約為20℃),取1100毫升的燒杯,盛入100毫升的自來水,並將溫度計置入燒杯中放置在加熱攪拌器上。將9號玻璃管置入燒杯中,打開加熱器,觀察9號玻璃管的顏色,當試9號試管內顏色與10號玻璃管相同時,紀錄當下溫度計的溫度。

8.        取出9號玻璃管,換成8號玻璃管,打開加熱器,觀察8號玻璃管的顏色,當管內顏色與10號玻璃管相同時,紀錄當下溫度計的溫度。

9.        承上,分別將燒杯中的玻璃管換成7654321號,水浴加熱各號玻璃管,當各管內溶液的顏色與10號玻璃管相同時,分別紀錄溫度計的溫度。

10.    本實驗若在冬天進行,氣溫低,氯化鈣溶解度也較低,建議可使用鹽酸搭配毛細管,可以進行更微量的化學平衡實驗,而且獲得的效果很好。其作法如下:

(1)   8支試管,各加入1.0 M氯化亞鈷溶液1mL,接著在1~8號試管中分別加入5滴、7滴、9滴、11滴、13滴、14滴、15滴的濃鹽酸。

(2)   取兩端開口的毛細管吸取上述氯化亞鈷溶液,溶液高度約為毛細管高度的一半,接著小心將一端以UV光膠封口;而另一端本生燈加熱封口(過程中必須戴護目鏡),待靜置冷卻後備用。下圖為毛細管感溫棒的製作過程。

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圖10:毛細管以電子點火本生燈封口過程

(3)   將毛細管置入試劑瓶中,打開電源開始隔水加熱,分別記錄毛細管由紅轉紫、轉靛色、最後變藍色的溫度。下圖為毛細管於熱水中變色的過程。

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11:氯化亞鈷微型感溫棒加熱測試

11.    根據上述的實驗結果,嘗試探討溫度、氯離子濃度的改變,對平衡移動的影響。

三、利用感溫變色的化學顏料作畫

1.      教師可準備水彩紙讓同學發揮創意,可以先利用鉛筆自行在紙上繪製圖案 (若時間有限,可於實驗前幾天交代同學事先在家作好圖,實驗當天帶來)。隨後用水彩筆沾取1~10號各種氯化亞鈷溶液,在圖畫紙上著色,陰乾。

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12:學生創作的立體紙花與畫作

2.        接著拿出吹風機於水彩紙上方5-10公分處徐徐加熱,觀察原本水彩紙上氯化亞鈷的塗色發生變化。下圖為實際操作過程。【注意吹風機高溫,小心燙傷】

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13:圖左利用溶液來著色、圖右為吹風機加熱塗色位置

3.        試問原本8~10號溶液呈現紫色到藍色,陰乾後的顏色變為何種顏色?為什麼呢?請跟同組同學討論提出可能的原因。

4.        根據勒沙特列原理,解釋溫度對鈷離子在水中平衡移動的影響。

 

n  原理與概念

氯化亞鈷晶體為深紅色,帶有6個結晶水(CoCl26H2O),本實驗所製作的感溫棒,其中鈷離子的初始濃度皆為1.0M,透過添加不定量的無水氯化鈣(常用乾燥劑),改變氯離子的濃度,觀察溶液的顏色變化,與化學平衡移動的方向(如式1)。水合的鈷離子在水中為紅色,當添加的氯化鈣越多時,氯離子的濃度越高,平衡向右進行,產物四氯化鈷錯離子的濃度越高,藍顏色的比例增加,有關於鈷離子與氯離子的平衡方程式如下式所示:


感溫棒的變色反應,當添加的氯化鈣越多時,轉變成藍色(與
10號感溫棒相比較)所需的溫度較低;當添加的氯化鈣越少時,轉變成為藍色的所需的溫度較高。1~10號玻璃管,為可攜式、可重複使用的多段變色的感溫棒,並應用於生活中。若無耐熱玻璃棒,亦可用毛細管替代。本反應屬於吸熱反應,溫度升高時,平衡向右移動,溶液由紅變紫,再轉為藍色;溫度下降時,平衡向左移動。

氯化鈣的溶解度與溫度有關,溫度越高,溶解度越低。近日冬天氣溫較低(約20℃),第9號、第10號試管,發生固體無法溶解的現象;但夏天時,氯化鈣的溶解度升高,即無沉澱現象產生。如果遇到冬天實驗,可建議使用濃鹽酸來進行實驗,但濃鹽酸較危險,實驗進行中必須非常小心,下表為鈷錯離子在不等量的濃鹽酸中,溫度變化與顏色的關係表。

1:毛細管中鈷錯離子的感溫變色clip_image042

氯化亞鈷溶液在氯離子的越高的環境下,溶液越偏藍色系;毛細管製的微型感溫棒,溫度越高時,溶液越偏藍色系;溫度約低時,溶液越偏紅色;紫色則為介於紅、藍兩色的中間色系。

  本實驗的方法僅對平衡的移動做定性的調查,後續的文章將提出一個鑑定顏色的方式,希望對化學平衡的移動提供具參考價值的的定量方法。

n  致謝

感謝北一女中周芳妃老師在101學年度,於大甲高中高中職均質化方案之「達文西培育計劃」擔任講師,分享《氯化亞鈷在水溶液中的「脫水」反應》教材,讓筆者從中獲得啟發,特此致謝。

n  安全注意及廢棄物處理

l   實驗後,反應所產生的廢棄物,依規定回收處理。

l   塑膠針頭的針頭相當銳利,為避免刺傷可事先以斜口鉗將尖端裁剪,並以砂紙磨平。

l   矽膠封口端因被針頭穿刺,為避免漏夜,可以少許UV光膠進行光固化封口。

l   以紫光雷射照射到眼球會對眼睛造成嚴重傷害,使用時應避免直視,並戴上抗UV的護目鏡。

n  參考文獻

1.          楊水平(2011),「變變變溫度及濃度影響鈷錯合物的化學平衡」,中學化學示範實驗Chemical Demonstrationshttp://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/27953

2.          林翊菲、陳淳煜2019)。第三屆成果報告書_勒沙特列的綠色圓舞曲,綠色化學教育網,20201月參考網站http://chem.moe.edu.tw/green/AwardsDetail/ef324f3a-7b72-417d-9da8-9e126e67b6ed

3.          Calcium chloride,取自維基百科,https://en.wikipedia.org/wiki/Calcium_chloride

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