臺灣化學教育

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
*[email protected]

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。

（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。

跟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

(一)三種不同pH值溶液的配製

1.        溶液A：0.30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B：1.5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C：7.5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。

(二)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A、B、C三溶液的顏色變化如圖1~3所示。

圖1：搖晃溶液A呈現藍、靛、紫、紫紅、紅、橘、黃多彩的顏色變化

圖2：搖晃溶液B呈現綠、紅、黃類似紅綠燈的顏色變化

圖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。

(一)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。

(二)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 M、0.050 M、0.10 M三種。圖4為分光光度計的操作過程。

圖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：

圖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：

圖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→紅→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。

圖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→紅→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。

圖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：

(一)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

圖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 sec、32 sec、10 sec。

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

圖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 sec、15 sec、7 sec。

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

圖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 sec、17 sec、15 sec。

4.        在不同的鹼性葡萄糖溶液，吸收度與時間的關係（靜置）

圖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 sec、265 sec、330 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。

(二)不同的葡萄糖濃度，吸收度與時間的關係

圖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C₆H₁₂O₆和NaOH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 [103年10月]。

4.        Beyond the blue bottle, http://goo.gl/yeyavE.[103年10月]

5.        Indigo carmine, Wikipedia, http://en.wikipedia.org/wiki/Indigo_carmine. [103年10月]

6.        Reduction potential, http://en.wikipedia.org/wiki/Reduction_potential. [104年02月]

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