綠色化學:漂白水-醇類的老化殺手 / 姚月雲

星期一 , 9, 3 月 2020 Leave a comment

綠色化學:漂白水醇類的老化殺手

姚月雲

國立政治大學附屬高級中學
yuehyun.yao@gmail.com 

 

n  簡介

化學是一門實驗的科學,化學三大反應分別為沉澱、酸鹼中和及氧化還原反應,高中化學實驗課程進行時,需要使用大量的藥品與器材,在108新課綱課程中融入綠色化學十二原則,分別為:防廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、再生、簡潔、催化、可解、監測、思危。在教學上,筆者嘗試從跨班選修、課堂趣味實驗中,先著手將高中化學實驗朝減量、減廢、低毒等多項原則努力,並帶領學生參加105107年度教育部高級中等學校綠色化學創意競賽,其中三件作品榮獲佳作、銀牌及銅牌的肯定,分別為「銀銀一水,在紙一方」是一個減廢、降低成本的教案,「漂白水醇類的老化殺手」,是一個減毒、替代品的教案,最後一個作品「停止滴定的每一瞬間」則是微量實驗設計、並符合探究與實作的教案精神,本文以「漂白水醇類的老化殺手」做介紹。

高三化學實驗「醇類的氧化」中所使用的氧化劑為過錳酸鉀與二鉻酸鉀溶液,還原後會產生重金屬離子。尤其是二鉻酸類的溶液為管制藥品且反應過程中會生成三價鉻離子重金屬,故讓我們想試著從高中常見的氧化劑中尋找氧化力強度與過錳酸根和二鉻酸根相近,卻不會造成重金屬汙染的氧化劑。因此我們挑選了次氯酸根(此實驗中次氯酸根來源為市售漂白水),來進行醇類的氧化。考慮到甲醛、乙醛具有毒性,因此我們利用丙醇氧化成丙醛,接著再以多侖試液來檢驗是否成功氧化。

3CHCHCHOH + CrO² + 8H à3CHCHCHO + Cr³ + 7HO —-1 (課本)

 CHCHCHOH + ClO à CHCHCHO + Cl + HO —-2(改良)

原實驗設計有蒸餾操作操作,增加操作複雜度及實驗時間,且配合課堂時間有限,常因蒸餾出來的醛類化合物質量不足而影響實驗準確度,所以我們想以其他實驗裝置取代蒸餾步驟。

除了確認以次氯酸根為氧化劑的方法是否可行性,我們試著將反應的量嘗試做定量,希望能找出這個方法的最佳反應比例,減少藥品的浪費。

n  目的

一、確認漂白水能將正丙醇氧化為丙醛

二、設計實驗時間可在50分鐘(一節課)內完成

三、測出1毫升正丙醇與市售漂白水最適合的反應比例

n  器材與藥品

1:實驗所需的器材與藥品如下列所示:


器材

 


500
mL
燒杯

 


2

 


滴管

 


8

 


100
mL
燒杯

 


1

 


碼表

 


1

 


25
mL
量筒

 


1

 


封口膜

 


適量

 


10
mL
量筒

 


5

 


鋁箔紙

 


適量

 


試管

 


25

 


冰塊

 


適量

 


試管架

 


1

 


加熱器

 


2

 


藥品

 


0.6
M AgNO3(aq)

 


10
mL

 


1
M NaOH(aq)

 


20
mL

 


15
M NH3(aq)

 


25
mL

 


正丙醇

 


12
mL

 


2.5
M NaOH(aq)

 


10
mL

 


市售漂白水

 


10
mL

 


1
M H2SO4(aq)

 


10
mL

 


 

 


 

 

n  研究方法與步驟

一、確認漂白水能將正丙醇氧化為丙醛

1.        4支試管,分別標示為14,各加入正丙醇3 mL、市售漂白水6滴、1 M硫酸2滴,各試管各別以塑膠膜封口,以防止反應過程中,氧化後的產物醛類化合物被蒸發逸出,反應條件如下表:

2:室溫25 oC下的反應條件


試管編號

 


反應溫度

 


時間(分鐘)

 


1

 


冰水浴

 


30

 


2

 


室溫

 


30

 


3

 


冰水浴

 


40

 


4

 


室溫

 


40

 

2.        待反應完全後,四支試管分別加入2.5 M氫氧化鈉溶液10 mL及多侖試劑,並放置熱水浴,觀察並記錄實驗結果。相關實驗操作繪製圖示如下1

    clip_image0021漂白水與正丙醇氧化反應操作過程

二、設計實驗時間可在50分鐘(一節課)內完成,並達成減量效果

1.        10支試管,分別標示為5a5b…,各加入正丙醇1 mL、市售漂白水2滴、1 M硫酸1滴,各試管各別以塑膠膜封口,以防止反應過程中,氧化後的產物醛類化合物被蒸發逸出,反應條件如下表:

3:反應條件如下表所示:室溫約25oC


 

 


反應溫度

 


時間(分鐘)

 


5-a*

 


冰水浴

 


10

 


5-b**

 


室溫

 


10

 


6-a

 


冰水浴

 


20

 


6-b

 


室溫

 


20

 


7-a

 


冰水浴

 


30

 


7-b

 


室溫

 


30

 


8-a

 


冰水浴

 


40

 


8-b

 


室溫

 


40

 


9-a

 


冰水浴

 


50

 


9-b

 


室溫

 


50

 


*a表示冰水浴溫度,**b表示是室溫溫度

2.        待反應完全後,四支試管分別加入2.5 M氫氧化鈉溶液10 mL及多侖試劑,並放置於熱水浴觀察並記錄實驗結果。

三、測出1毫升正丙醇與市售漂白水最適合的反應比例

1.        取數支試管,各加入正丙醇1 mL、市售漂白水(數滴到5 mL1 M硫酸1滴,各試管各別以塑膠膜封口,以防止反應過程中,氧化後的產物醛類化合物被蒸發逸出,反應條件也為分為先冰水浴或室溫。

2.        待反應完全後,四支試管分別加入2.5 M氫氧化鈉溶液10 mL及多侖試劑,並放置於熱水浴觀察並記錄實驗結果。

n  實驗結果與討論

一、確認漂白水能將正丙醇氧化為丙醛:結果如下表所示:

4:漂白水與正丙醇反應結果


試管編號

 


1

 


2

 


3

 


4

 


實驗照片

 


clip_image004

 


clip_image006

 


clip_image008

 


clip_image010

 


結果與比較

 


有銀鏡

 


有銀鏡

 

1號試管平均

 


有銀鏡

 

有斑駁的現象

 


有銀鏡

 

3號試管平均

 

由實驗結果可得兩個結論:

1.   漂白水可取代過錳酸鉀或二鉻酸鉀,成功氧化正丙醇,並得到足量的丙醛。

2.   由於次氯酸根的氧化力大於過錳酸根及二鉻酸根,所以我們想利用冰水浴降低反應速率,並以室溫反應溫度做比較,但實驗結果顯示未如預測,室溫組的實驗結果較為理想。我們推測為市售漂白水濃度較低,所以反應速率較慢。

二、設計實驗時間可在50分鐘(一節課)內完成,並達成減量效果,結果如下表所示:

5:減量實驗結果


試管編號

 


5-a

 


5-b

 


6-a

 


6-b

 


實驗照片

 


clip_image012

 


clip_image014

 


clip_image016

 


clip_image018

 


結果與比較

 


有很薄銀鏡

 

底部有黑色沉澱

 


有很薄銀鏡

 

範圍較小

 

底部有黑色沉澱

 


銀鏡極少且大範圍破損不均勻,底部有黑色沉澱

 


銀鏡極少且大範圍破損不均勻,底部有黑色沉澱

 


試管編號

 


7-a

 


7-b

 


8-a

 


8-b

 


實驗照片

 


clip_image020

 


clip_image022

 


clip_image024

 


clip_image026

 


結果與比較

 


銀鏡與5號試管類似但比較厚一些,比6號試管均勻但有小範圍破損,底部有黑色沉澱

 


銀鏡更均勻但還是有小範圍破,底部有黑色沉澱

 


7b試管相同

 


試管編號

 


9-a

 


9-b

 


 

 


 

 


實驗照片

 


clip_image028

 


clip_image030

 


 

 


結果與比較

 


銀鏡為10支試管中最厚且最均勻,底部有黑色沉澱

 


 

 


 

 

由實驗結果可得兩個結論:

1.   試管編號5-a5-b的實驗結果就都可得到足夠的丙醛進行銀鏡反應,如此一來,反應時間只需室溫10分鐘,可取代教科書的實驗設計之蒸餾裝置,達到裝置簡單、縮短時間及化學藥品減量的效果。

2.   反應時間增加,得到的銀鏡反應產物較「厚」,甚至有黑色沉澱,以定性實驗觀察目的,無須提供過多的反應時間。

三、測出1毫升正丙醇與市售漂白水最適合的反應比例,結果如下表所示:

6:最適合比例實驗結果


漂白水體積

 


5毫升

 


3毫升

 


1毫升

 


0.5毫升

 


實驗照片

 


clip_image032

 


clip_image034

 


clip_image036

 


clip_image038

 


結果與比較

 


銀黑色塊狀物

 

懸浮

 


銀黑色塊狀物

 

懸浮

 


白色沉澱

 

 

 


淡黃色

 

 

 


漂白水體積

 


10

 


8

 


5(a)

 


5(b)

 


實驗照片

 


clip_image040

 


clip_image042

 


clip_image044

 


clip_image046

 


結果與比較

 


黃綠色沉澱

 


綠色沉澱

 


沒銀鏡,只有黃綠色沉澱物

 


銀鏡

 


漂白水體積

 


4(a)

 


3(a)

 


2(a)

 


4滴時,不論a組或b組,皆有銀鏡反應。平均後實驗三為最佳結果,為加入34滴的漂白水。

 


實驗照片

 


clip_image048

 


clip_image050

 


clip_image052

 


結果與比較

 


銀鏡

 


銀鏡

 


銀鏡

 

由實驗結果可得結論:當1毫升正丙醇加入34滴的漂白水時,可經由多侖試劑觀察到清楚的銀鏡反應,實驗反應性效果最好。

n  討論與結論

一、本研究設計與傳統實驗兩者在使用化學藥品及教學比較如下表:


 

 


本研究設計之教案

 


傳統教科書教案

 


氧化劑

 


漂白水(次氯酸根)

 


過錳酸鉀、二鉻酸鉀

 


氧化產物

 


氯離子

 


錳離子、鉻離子

 


實驗裝置

 


無蒸餾裝置

 


有蒸餾裝置

 


實驗時間

 


可於一節課時間內可完成

 


實驗操作時間長,難於一節課時間內完成

 


優點

 


1.不會排放重金屬金屬離子

 

2.步驟簡單

 


氧化反應進行時,易於觀察到氧化劑與重金屬離子的顏色變化

 


缺點

 


1.氧化反應無顏色變化

 

2.不易觀察到氧化劑與重金屬離子的顏色變化

 


1.有重金屬排放

 

2.實驗複雜較高

 

二、從上述實驗中我們可發現,當過錳酸根或二鉻酸根被替換成漂白水(內含次氯酸根)時,其因氧化能力的高低,故可成功取代原實驗的設計方法,並且符合以下Paul AnastasJohn C Warner提出的符合綠色化學原則:

1.   使用更安全的溶劑和反應條件。

2.   提高能源效率。

3.   全程分析並防止污染。

4.   使事故的可能性降到最低。

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。

n  參考文獻

1.          McMurry著;方松傳、方偉平、王健行、洪培元、陳連輝、陳銘田、劉世琳譯。有機化學()。台北市:高立圖書,民84年。

2.          Solomons著;廖彥智、蔣嘉渝、陳永芳、彭立祥、周秀玉、何姣青、疏偉傑編譯。有機化學()。台北市:高立圖書,民89年。

3.          馮松林編著。化學實驗總匯,實驗14;酸鹼滴定。臺中市:詮達文教,2010年。

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