淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應 / 王瓊蘭

星期五 , 1, 五月 2015 Leave a comment

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
wang7581@ms22.hinet.net

n  影片觀賞

本實驗影片由教育部化學學科中心提供。

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影片網址:淌血的心,http://youtu.be/C6zzwaetPU4YouTube

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

l  塑膠點滴瓶(20 mL 3

l  3 M硫氰化鉀(Potassium thiocyanateKSCN 15 mL1

l  3 M鹽酸(Hydrochloric acidHCl(aq) 15 mL1

l  35%雙氧水(Hydrogen peroxideH2O2 15 mL1

l  透明杯(50 mL 5

l  蒸餾水(600 mL 1

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 mL3 M硫氰化鉀,然後再滴入1 mL3 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。

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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 ©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©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。

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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

image     [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 ©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©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[FeII(CN)6](aq) + 4FeIIICl3(aq) → FeIII[FeIIIFeII(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 ©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[FeIII(CN)6](aq) + 3FeIICl2(aq) → FeIII[FeIIIFeII(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 ©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。

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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。

 

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