臺灣化學教育

淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應

王瓊蘭

新北市立新店高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]

n  影片觀賞

本實驗影片由教育部化學學科中心提供。

影片網址：淌血的心，http://youtu.be/C6zzwaetPU4，YouTube。

n  簡介

老舊的住宅常會有些漏水的問題發生，原因是白鐵製的水管，埋藏在牆壁及地板裏，經年累月難免鏽蝕，同時會釋出鐵離子污染水質，使得水的口感變差。到底該如何取樣，才能檢測出，是哪些管線的水管，可能已經生鏽了。

當鐵管內部產生一些微小的腐蝕生鏽，所釋放出的鐵離子，含量應是非常稀少；再加上使用水時，會流放出大量的自來水，稀釋掉鐵離子，因此使得肉眼無法觀察出，水中鐵離子所呈現的黃褐色。若是能將水管中的水，滯留一個晚上，於一大清早打開水龍頭時，先盛取一杯水，添加微量的硫氰化鉀與鐵離子反應，再用光電比色計^[1]或許可把產物血紅色的硫氰化鐵離子檢測出來。上述反應的原理是鐵離子（Fe³⁺(aq)，黃褐色），與硫氰根離子（SCN^–(aq)，無色）反應，會生成硫氰化鐵離子（[Fe(SCN)]²⁺(aq)，血紅色）。然而，檢測自來水中的鐵鏽含量，必須使用精密的儀器，採用嚴謹的化學分析方法^[2]，方能得到可以信賴的數據。

為了簡單的看出鐵生鏽的現象，不妨依據以下的步驟，作一個誇大而有趣的實驗；讓肉眼能即刻捕捉到白鐵生鏽，並滲出鮮血的模樣。

n  器材與藥品

l  迴紋針 5個

l  塑膠點滴瓶（20 mL） 3個

l  3 M硫氰化鉀（Potassium thiocyanate，KSCN） 15 mL／1瓶

l  3 M鹽酸（Hydrochloric acid，HCl(aq)） 15 mL／1瓶

l  35%雙氧水（Hydrogen peroxide，H₂O₂） 15 mL／1瓶

l  透明杯（50 mL） 5個

l  蒸餾水（600 mL） 1瓶

n  實驗步驟

1.      拿一根迴紋針，雙手抓住最長的一邊，並將兩個大拇指，指甲碰指甲的併攏；再用指甲的尖端，押住中點，然後用力一掐，向下按壓、抝折後，順勢將兩邊往上拉，彎扯成一個心形©。而後將較長的一頭，拉開弄直，並向上凹折；完成後，置於一旁，待用。

2.    在一個約50 mL的透明杯中，加入7分滿的蒸餾水，與約1 mL的3 M硫氰化鉀，然後再滴入1 mL的3 M的鹽酸。接著將預備好的鐵心，插入燒杯中的水面下，觀察有何現象發生？

3.    將鐵心移出水面，取濃雙氧水1毫升，加入步驟2的透明杯中。重新插入鐵心並浸入水裏，再觀察有何現象發生？

n  藥品特性和廢棄物處理

1.      藥品特性︰硫氰化鉀（Potassium thiocyanate, KSCN），式量＝97 g/mol，是無色單斜晶系晶體，熔點爲173°C，易溶於水，並大量吸熱而降溫，遇Fe³⁺生成血紅色的硫氰化鐵離子[Fe(SCN)]²⁺，是檢驗Fe³⁺離子十分靈敏的方法，可排除其他金屬離子的影響。

2.      廢棄物處理：實驗後的反應溶液，倒入重金屬類廢液，回收處理。

n  實驗結果

1.        將預備好的鐵心，插入步驟2的溶液中，用肉眼無法分辨出其外觀所發生的變化。

2.        重新將鐵心插入步驟3的溶液中（見圖1），很快可看出它猶如心在淌血般的現象。

圖1：硫氰化鐵離子自心形鐵的凹痕處先化合產生

n  原理與概念

1.      在步驟2中，鐵心與鹽酸作用，可生成亞鐵離子（Fe²⁺），但它不與硫氰根離子反應，因此透明杯中的水顏色不變，所以單就外觀，實無法看出有何變化發生。其反應如式[1]所示。

Fe(s) + 2H⁺(aq) → Fe²⁺(aq) + H₂(g)    [1]

2.      在步驟3中，原溶液已呈酸性，再加入雙氧水，氧化亞鐵離子，反應生成鐵離子（Fe³⁺），其反應如式[2]所示。

2Fe²⁺(aq) + 2H⁺(aq) + H₂O₂(aq) → 2Fe³⁺(aq) + 2H₂O(l)    [2]

3.      其與硫氰根離子化合，產生血紅色的硫氰化鐵離子，猶如鐵心受損般，即刻淌出鮮血來，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq)（黃褐色）+ SCN^–(aq)（無色） D [Fe(SCN)]²⁺(aq)（血紅色）    [3]

n  延伸實驗—流出色彩的心

一、   紫心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的酒精 ð 溶入少許水楊酸 ð 攪拌溶解成無色溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 並沒有改變。

l將©型迴紋針拿出放回‚的透明杯中，滴入雙氧水 ð 拿出放入杯的溶液 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有紫色液體漂出。

圖2：水楊酸鐵自心形鐵的凹痕處錯合產生

B.     原理和概念

水楊酸（Salicylic acid，又名柳酸）學名2-羥基苯甲酸，易溶於乙醇，不易溶於水。存在於自然界的柳樹皮、白珠樹葉及甜樺樹中。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子；在步驟l中，亞鐵離子再被雙氧水氧化成鐵離子，方能與水楊酸錯合反應生成紫色的水楊酸鐵（ferric salicylate），其反應如式[4]所示。

     [4]

若直接加鹽酸、雙氧水入水楊酸的酒精溶液中，則有白色的水楊酸被析出。不過仍然會有紫色的水楊酸鐵產生。

二、   藍心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 溶入少許黃血鹽 ð 攪拌溶解成幾乎近於無色的水溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀並沒有改變。

l將©型迴紋針拿出放回‚的透明杯中，滴入雙氧水ð拿出放入杯的溶液 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有藍色液體流出，猶如淚滴。

注意：不能將鹽酸直接滴入黃血鹽的溶液中，以免反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，而中毒傷身。

B.     原理和概念

黃血鹽學名亞鐵氰化鉀，化學式為K₄[Fe(CN)₆]·3H₂O，淺檸檬黃色晶體，易溶於水。亞鐵氰化鉀水溶液與酸反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，但亞鐵氰化鉀自身毒性很低。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子；在步驟l中，亞鐵離子再被雙氧水氧化成鐵離子，方能與黃血鹽反應生成普魯士藍（Prussian blue），其反應如式[5]所示。

3K₄[Fe^II(CN)₆](aq) + 4Fe^IIICl₃(aq) → Fe^III[Fe^IIIFe^II(CN)₆]₃(s)（普魯士藍） + 12KCl(aq)    [5]

三、   藍心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 溶入少許赤血鹽 ð 攪拌溶解成帶有螢光的黃綠色水溶液。

‚再拿一個空杯子 ð 加入3分滿的水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 拿出放入上述杯的溶液中 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有藍色液體流出，猶如淚滴。

注意：不能將鹽酸直接滴入赤血鹽的溶液中，以免反應放出極毒的氰化氫（HCN）氣體，而中毒傷身。

B.     原理和概念

赤血鹽學名鐵氰化鉀，化學式為K₃[Fe(CN)₆]，亮紅色晶體，易溶於水，水溶液帶有黃綠色螢光。

在步驟‚中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生亞鐵離子，它能與赤血鹽反應生成藤式藍（Turnbull's blue），其反應如式[6]所示。滕士藍與普魯士藍是同一種物質，卻是由不同試劑製備而得。

2K₃[Fe^III(CN)₆](aq) + 3Fe^IICl₂(aq) → Fe^III[Fe^IIIFe^II(CN)₆]₃(s)（藤士藍） + 6KCl(aq)    [6]

事實上，滕士藍與普魯士藍確定是同一種物質，卻是由不同試劑製備而得。

四、   黃心©

A.    實驗步驟與觀察結果

在透明杯中加入7分滿的蒸餾水 ð 將©型迴紋針置入，滴入鹽酸 ð 觀察©型迴紋針的外觀並沒有改變。

‚又再將©型迴紋針置入，滴入雙氧水 ð 觀察©型迴紋針的外觀 ð 注意凹痕處有黃色液體流出。

B.     原理和概念

鹽酸（氫氯酸），化學式為HCl(aq)，無色透明液體，有強烈的刺鼻氣味，它是胃酸的主要成分。工業生產的鹽酸濃度一般為37%，因含雜質FeCl₃而使外觀呈黃色。

在步驟中，心型迴紋針先與鹽酸反應產生淺綠色的亞鐵離子；在步驟‚中，亞鐵離子再被雙氧水氧化生成黃褐色的鐵離子，其反應式與前述「淌血的心」相同，如式[2]所示。

n  誌謝

本篇作品承蒙高雄市立高雄中學李依蓁老師於課務繁忙中，撥冗幫忙拍攝與錄製此實驗的YouTube。教育部高中化學學科中心專任助理張雅雯小姐，別具巧思的將做此實驗所用的藥品和器材，設計裝置成一個輕巧的「玩©心化學百寶箱」，如圖3所示。還有，國立大甲高級中學廖旭茂老師在百忙中，不厭其煩後製作處理YouTube，在此表示衷心感謝。

 

圖3：玩©心化學百寶箱的外觀及內容物

n  參考資料

1.        實驗二 平衡常數與勒沙特列原理—平衡常數的測量；97高中課綱 普通高級中學基礎化學（三），實驗放大鏡；翰林出版；王瓊蘭編著。

2.        水中溶解性鐵、錳檢測方法—火焰式原子吸收光譜法，97行政院環境保護署環境檢驗所。