臺灣化學教育

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
*[email protected]

 

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。

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。

圖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。

  

圖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CoCl₂．6H₂O、UV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。

圖3：不同氯化鈣溶液的配置

2.        將步驟1的10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。

圖4：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.        取1支外徑4mm，內徑0.8mm的PYREX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。

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。

 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。

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。

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2個100毫升的燒杯，分別加入0℃的冰水，與約100℃的熱開水。另外，準備3根8號玻璃管，將其中2根8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1根8號管相比較。

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1個100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7、6、5、4、3、2、1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)   取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。

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。

圖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。

圖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】

圖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（CoCl₂．6H₂O），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。

表1：毛細管中鈷錯離子的感溫變色

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 Demonstrations（http://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，2020年1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。