探究「紅綠燈」示範實驗的多彩顏色 / 廖旭茂、陳嬿竹、羅珮綺、林芳瑜

星期二 , 30, 六月 2015 Leave a comment

探究「紅綠燈」示範實驗的多彩顏色

廖旭茂1, 2, *陳嬿竹1、羅珮綺1、林芳瑜1

1國立大甲高級中學
2教育部高中化學學科中心
*nacl880626@hotmail.com

n  影片觀賞

多彩紅綠燈的實驗是國立大甲高中學生專題研究課程的主題之一,本影片是由作者學生在國立大甲高中化學實驗室拍攝,提供不同pH值下,靛胭脂(indigo carmine)指示劑的變色。

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(影片網址:啟動多彩紅綠燈,https://youtu.be/K84YbFeGCYA, YouTube.

n  簡介

在示範實驗中,突發的火焰、爆鳴聲以及多彩的顏色變化最受到學生的喜愛;能夠在不同的酸鹼性或氧化還原反應中變色的指示劑,常在課堂中被老師們拿來吸引學生的目光,如藍瓶實驗、紅綠燈實驗、彩虹連線及乾冰魔法變色實驗。紅綠燈實驗所用的指示劑為靛胭脂,是一種酸鹼指示劑,也是一種氧化還原指示劑,在氫氧化鈉存在的鹼性環境中,加入葡糖糖等還原醣後,會因電子得失多寡,產生兩階段變色:先變紅色,再轉為黃色。不同酸鹼、氧化還原環境交織成多彩顏色的變化。

BR振盪反應(Briggs-Rauscher oscillating reaction)一樣,紅綠燈實驗最能引起學生好奇心,但也是不容易將變色原理解釋清楚的演示實驗,透過本校專題研究課程,引導學生探索紅綠燈實驗的變色反應之成因,在數位感測器的即時監測協助下,經過一番努力,學生終於解開紅綠燈變色反應的機制,所謂「教學相長」,在指導學生探索時,老師也在受益匪淺、成長許多。本文除介紹實驗溶液的配製,供高中教師進行演示實驗的參考,並提供分光光度計時間掃描監測法,探索紅綠燈變色的成因,撥絲抽繭,讓原本複雜的化學原理能夠獲得合理的解釋。

n  藥品與器材

1%靛胭脂 3 mL、葡萄糖 9.0克、氫氧化鈉 9.3克、250 mL 血清瓶 3個、500 mL 錐形瓶 3個、矽膠塞 3個、電子天平 1台、玻棒 1支、塑膠滴管 3 支、分光光度計 1部、比色槽 1個。

n  實驗步驟

一、課堂上的化學演示

()三種不同pH值溶液的配製

1.        溶液A0.30公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖,溶於蒸餾水中,加入1毫升1%的靛胭脂溶液,配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.050 M[葡萄糖] = 0.11 M

2.        溶液B1.5公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖,溶於蒸餾水中,加入1毫升1%的靛胭脂溶液,配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 0.25 M[葡萄糖] = 0.11 M

3.        溶液C7.5公克的氫氧化鈉、3.0公克的葡萄糖,溶於蒸餾水中,加入1毫升1%的靛胭脂溶液,配製成150毫升的溶液。[NaOH] = 1.25 M[葡萄糖] = 0.11 M

()演示過程:溶液配製完成後,塞入矽膠塞後靜置,溶液最後會轉呈為黃色。當溶液晃動時,空氣中的氧氣會與靛胭脂作用,溶液表面局部呈紅色,故學生面前,應小心輕輕地拿起錐形瓶,緩緩晃動瓶身,先讓溶液變成紅色,接著快速晃動瓶身,讓溶液轉變成氧化態的黃色。不同pH值的ABC三溶液的顏色變化如圖1~3所示。

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1:搖晃溶液A呈現藍、靛、紫、紫紅、紅、橘、黃多彩的顏色變化

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2:搖晃溶液B呈現綠、紅、黃類似紅綠燈的顏色變化

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3:搖晃溶液C呈現黃、紅、黃類似紅綠燈的顏色變化

二、利用分光光度計探索變色反應的過程

除了演示實驗外,可於專題選修課指導學生學習探究變色反應的機制,其中分光光度計就是一個好的監測工具,除了可以減少目測觀察會造成實驗的誤差,更準確掌握顏色的深淺與變化,探索不同條件下變色過程中吸收度隨時間的變化。本方法以靛胭脂最終還原態黃色的最大吸收波長,約430 nm附近,進行Time Scan,監測紀錄吸收度最低點(紅色過渡狀態)出現的時間的差異。以下針對溶液酸鹼度、葡萄糖濃度等變因對變色反應速率的影響。

()不同鹼性溶液,連續三次搖晃變色,找出並比較吸收度與時間的關係。

1.        在高鹼性([NaOH] = 1.25 M)下,連續三次搖晃變色,找出並比較吸收度與時間的關係。

2.        在中鹼性([NaOH] = 0.25 M)下,連續三次搖晃變色,找出並比較吸收度與時間的關係。

3.        在低鹼性([NaOH] = 0.050 M)下,連續三次搖晃變色,找出並比較吸收度與時間的關係。

()固定氫氧化鈉濃度,不同的葡萄糖濃度,找出並比較吸收度與時間的關係。

葡萄糖的濃度分別為0.033 M0.050 M0.10 M三種。圖4為分光光度計的操作過程。

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4:吸取配製好溶液置入比色槽內,以分光光度Time-scan模式觀測吸收度的變化

n  原理與概念

紅綠燈實驗的指示劑靛胭脂,跟藍瓶實驗使用的亞甲藍染料一樣,是氧化還原指示劑,雖不若亞甲藍普遍,但也是便宜、安全的食用色素(藍色二號),廣泛地應用於食品添加及要用膠囊上。

在演示紅綠燈實驗時,當含靛胭脂的葡萄糖溶液加入適量的氫氧化鈉時,溶液立刻由藍色變為綠色,一段時間逐漸轉成紅色,接著變成黃色。當劇烈搖晃錐形瓶時,溶液由黃色轉成紅色,再由紅色轉成綠色,顯示靛胭脂於反應過程中被氧化。靛胭脂氧化還原的結構變化如圖5所示:

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5:靛胭脂氧化態呈現綠色,中間態(半醌類)為紅色,還原態呈黃色。

靛胭脂也是一種酸鹼指示劑,pH值低於11.4為藍色,高於13.0為黃色;pH值介於11.4~13之間溶液會呈現黃、藍兩色的中間色綠色。當高鹼性(1.25 M NaOH)的葡萄糖溶液,靛胭脂呈現黃色;當低鹼性(0.050 M NaOH)的葡萄糖溶液,靛胭脂呈現深藍色;而當中鹼性(0.25 M NaOH)的葡萄糖溶液,靛胭脂呈現介於藍色與黃色之間的綠色。

當靛胭脂與葡萄萄糖作用時,中間態的顏色為紅色,最終還原態為黃色;多彩的顏色變化發生在而低鹼性的葡萄糖溶液,溶液呈現由藍、靛、紫、紫紅、紅、橘、黃的多彩顏色,其中紫色的出現乃是藍色與紅色的中間色;而橘色則是紅色與黃色的中間色。多彩紅綠燈的相關解釋,如圖6所示:

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6:靛胭脂的葡萄糖溶液在不同氧化還原和酸鹼條件下多彩的顏色變化

n  進階研究的結果與討論

一、由影像紀錄觀察紅綠燈實驗變色反應過程

不同pH下,連續綠黃搖晃變色多次,由觀察結果發現:搖晃次數越多溶液的顏色越淡,變為還原態所需的時間越來越短,搖晃至第六次後顏色不再有明顯的變化。圖7為搖晃第一、二、三次的溶液變色之顏色深淺比較圖。

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7:搖晃次數越多溶液的顏色越淡

由顏色的變淡來推論:靛胭脂指示劑本身亦為反應物,參與變色反應的進行;而綠黃循環變色所需的時間逐次縮短。根據文獻來推論:第一步驟:靛胭脂先跟氧氣反應變成氧化態(中鹼性為綠色),這一步驟相當快速,還原態的黃顏色,但只要手稍微搖動瓶身,溶液隨即由黃變紅,再用力搖晃,溶液再由紅色轉為氧化態的綠色。接下來,第二步驟:鹼性的葡萄糖溶液跟氧化態的靛胭脂作用,這一個步驟較慢,通常需要200~300秒的時間才會完成,其中葡萄糖被氧化成葡萄醣酸根,而氧化態的靛胭脂線被還原成紅色的半醌類(semiquinone),接著繼續被還原成黃色的烯醇類。因此推斷靛胭脂指示劑在變色反應中擔任中間者的角色,促進變色反應的進行。可能的反應過程如圖8所示。

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8:紅綠燈變色反應可能的反應過程

二、利用分光光度計,探究變色反應速率

以靛胭脂黃色溶液(還原態)的最大吸收波長430 nm,進行Time Scan,監測變色過程中吸收度的變化,並紀錄吸收度最低點出現的時間的差異。其結果如下:

()不同鹼性溶液連續三次搖晃變色,吸收度與時間的關係。

1.        在高鹼性(1.25 M NaOH)環境下,連續三次搖晃變色

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9:連續三次搖晃變色,吸收度(y軸)與時間(x軸)的關係

由圖9得知:每一次開始的吸收度大小:第一次 > 第二次 > 第三次,最低點吸收度出現的時間分別為140 sec32 sec10 sec

2.        在中鹼性(0.25 M NaOH)環境下,連續三次搖晃變色

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10:連續三次搖晃變色,吸收度(y軸)與時間(x軸)的關係

由圖10得知:各次搖晃在開始時的吸收度大小:第一次 > 第二次 > 第三次,吸收度最低點出現的時間分別為265 sec15 sec7 sec

3.        在低鹼性(0.050 M NaOH)下,連續三次搖晃變色

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11:連續三次搖晃變色,吸收度(y軸)與時間(x軸)的關係

由圖11結果得知:每一次開始的吸收度大小:第一次 > 第二次 > 第三次,吸收度最低點出現的時間分別為330 sec17 sec15 sec

4.        在不同的鹼性葡萄糖溶液,吸收度與時間的關係(靜置)

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12:不同濃度氫氧化鈉下,搖晃第一次的變色吸收度(y軸)與時間(x軸)之關係

從圖12得知,高鹼度的葡萄糖液剛開始呈黃綠色,對430 nm波長的吸收度最大;低鹼度的葡萄糖液開始呈藍色,對430 nm波長的吸收度最小。而代表紅色出現,在高鹼度中鹼度低鹼度下,吸收度最低點出現的時間分別在140 sec265 sec330 sec出現。鹼性越強,吸收值最低點出現的時間最早,代表變色反應速率越快;鹼性越弱,最低點來的時間越晚,代表變色反應速率越慢。

()不同的葡萄糖濃度,吸收度與時間的關係

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13:不同的濃度葡萄糖下,搖晃第一次的變色吸收度(y軸)與時間(x軸)的關係

從圖13得知,低濃度的葡萄糖液開始的吸收度最大;高濃度的葡萄糖液的吸收度最小。而溶液轉變為紅色時,吸收度位於曲線的最低點,出現的時間高濃度最快,低濃度最慢。若以最低點出現的時間倒數為反應速率,則可發現反應速率與濃度的關係,成高度正相關。

依據以上實驗結果判斷,紅綠燈變色反應的反應速率確實與C6H12O6NaOH的濃度有極高的正相關。

n  安全注意及廢棄物處理

l  本實驗的產生的鹼液,可先中和,再請依實驗室廢棄物規定,統一回收處理

n  參考資料

1.        Skoog, Douglas A.(原著者),闕山仲等(編譯者)。分析化學,第五版台北市:藝軒出版社。民國81年。

2.        台北市立北一女中主編(民85)。高級中學數理叢書:化學第二輯。教育部中等教育司。

3.        陳英佳(民100)。紅綠燈氧化還原指示劑的變色反應。彰化師大網站:中學化學示範實驗,http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26609 [10310]

4.        Beyond the blue bottle, http://goo.gl/yeyavE.[10310]

5.        Indigo carmine, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Indigo_carmine. [10310]

6.        Reduction potential, http://en.wikipedia.org/wiki/Reduction_potential. [10402]

7.        Bassam Z. Shakhashiri, Chemical DemonstrationA Handbook for Teachers of Chemistry, 1985, Volume2, p142, The University of Wisconsin press.

 

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