創意微型實驗—微型發光噴泉裝置 / 方金祥

星期日 , 28, 六月 2015 Leave a comment

創意微型實驗微型發光噴泉裝置

方金祥

創意微型科學工作室
chfang1273@yahoo.com.tw

n  目的

在微型發光噴泉裝置的二支並聯式塑膠注射筒中,分別抽取兩組不同的藥品溶液後,經同步推擠注射筒之活塞後,兩種藥品溶液會經由注射針頭前端噴出,當兩組藥品溶液相遇後,會即刻起化學反應並發出螢光,而以噴泉方式產生,此裝置可在一般教室中之講台或學生座位前演示化學能轉變為光能(發光噴泉,簡稱光泉)。

n  原理

魯米諾(Luminol)之中文名稱為3-氨基鄰苯二甲醯肼(又稱光敏靈),英文名稱為5-Amino-2,3-dihydro-1,4-phthalazinedione,其分子結構式如圖一所示。化工原料行販售的魯米諾藥品是呈白色粉末狀,如相片一所示。將魯米諾溶解在氫氧化鈉的鹼性水溶液後鹼性的氫氧化鈉溶液作為激發劑,將魯米諾激發產生一個帶有兩個負電荷的離子dianion),此魯米諾的氫氧化鈉溶液為第一組藥品。另在過氧化氫(雙氧水)中加入赤血鹽(鐵氰化鉀K3Fe(CN)6),以赤血鹽中正三價之鐵離子(Fe3+)作為催化劑,催化過氧化氫(雙氧水)分解放出氧氣,並以分解所放出之氧氣作為氧化劑,赤血鹽之過氧化氫(雙氧水)溶液為第二組藥品。而此氧氣可將離子加以氧化成一極為不穩定的過氧化物,此一過氧化物會急促地分解而放出氮氣,進而將原離子轉變成激發態excited state)的3-氨基鄰苯二甲酸。當由激發態轉換至基態*(ground state時便會將其化學能釋放出來,而釋放出來的化學能會轉變成光能而以光子的形式存在,此光子的波長位於可見光譜中的藍色光(~450 nm)部分。因此當將第一組藥品溶液(魯米諾的氫氧化鈉溶液)與第二組藥品溶液(含赤血鹽之雙氧水)溶液混合再一起時,混合溶液中之氧氣即可將魯米諾氧化而瞬間發出淡藍色光來。

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圖一:魯米諾(Luminol、光敏靈)之分子結構式

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相片一:白色粉末之魯米諾 Luminol

n  材料與藥品

一、   材料

塑膠注射筒(35 mL 2三孔橡皮塞 1注射針頭(針頭需磨平) 2透明塑膠軟管(或橡皮管) 20 cm有蓋透明塑膠瓶 1半透明塑膠瓶 1單孔塑膠塞 1小塑膠塞 1

二、   藥品

魯米諾(Luminol,光敏靈) 0.1g過氧化氫(3% 雙氧水H2O2 5 mL赤血鹽(鐵氰化鉀K3Fe(CN)6 0.3 g氫氧化鈉 4 g氰光棒(市售14吋犀利光) 1

n  設計與製作過程

1.        用熱熔膠將235 mL的塑膠注射筒黏成一組並聯式注射筒,如相片二所示。

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相片二:並聯式注射筒

2.        2支注射針頭之尖端剪掉或磨平,再分別插入3孔橡皮塞之2個孔中。另在3孔橡皮塞之第3位置孔插入一支硬質塑膠管(勿穿出橡皮塞),如相片三所示。

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相片三:插入2支注射針頭與一段硬質透明塑膠之3孔橡皮塞

3.        2支並聯式塑膠注射筒之注射針接頭分別插入在3孔橡皮塞中之注射針孔中,另以一條長約20 cm的橡皮管(或透明塑膠軟管)一端與插在橡皮塞之第3孔上之硬質塑膠管連接,另一端與半透明塑膠瓶蓋子上之硬質塑膠管連接,此塑膠瓶可供作收集反應後產生之廢液,如相片四所示。

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相片四:並聯式塑膠注射筒與3孔橡皮塞之組合

4.        將並聯式塑膠注射筒3孔橡皮塞及一個透明塑膠瓶之瓶口組合起來,即可組成一套「微型發光噴泉裝置」,如相片五所示。

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相片五:微型發光噴泉裝置

n  實驗操作方法

一、   魯米諾(光敏靈)的發光噴泉

(一)使用前準備

1.        先配置甲和乙兩種藥品溶液

(1) 甲溶液:稱取0.3 g的赤血鹽(K3Fe(CN)6)溶解於50 mL的蒸餾水中,然後再加入1 mL3%雙氧水,再將其稀釋為100 mL而成。

(2) 乙溶液:稱取4 g的氫氧化鈉溶於50 mL的蒸餾水中,然後再加入0.1 g的魯米諾(Luminol),待其溶解後稀釋成100 mL而成。

2.        將並聯式塑膠注射筒自裝置中一起拔離。

3.        先在並聯式塑膠注射筒之一的注射針接頭處接上1支針頭磨平之注射針,並插入一組藥品溶液(甲溶液:赤血鹽之雙氧水溶液)中抽取20 mL之體積,如相片六所示。甲溶液抽完後將注射針頭拔離,然後再用一粒塑膠塞或三通塑膠活栓塞住此注射筒備用。

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相片六:抽取藥品

4.        2支並聯式塑膠注射筒之另一支注射針接頭處接上另一支針頭磨平之注射針,並插入另一組藥品溶液(乙溶液:魯米諾(Luminol)之氫氧化鈉溶液)中抽取20 mL之體積,乙溶液抽取完後將注射針頭拔離,然後再用另一粒塑膠塞或塑膠三通活栓塞住此注射筒備用,如相片七所示。

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相片七:吸取藥品後之並聯式注射筒以塑膠塞(上)或塑膠三通活栓(下)塞住

(二)使用時操作

1.        將裝有甲、乙藥品溶液的並聯式塑膠注射筒之塑膠塞分別拔離後,再一起插入3孔橡皮塞上之2個注射針頭中,如相片八所示。

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相片八:裝有藥品溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合

2.        或將裝有甲、乙藥品溶液的並聯式塑膠注射筒上之塑膠三通活栓塞,直接插入3孔橡皮塞上之2個注射針頭中,然後將塑膠三通活栓打開至上下通的位置備用,如相片九所示。

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相片九:並聯式塑膠注射筒上之塑膠三通活栓與透明塑膠瓶組合

3.        手持該裝置使並聯塑膠注射筒在下面,透明塑膠瓶在上面,此時作為承接反應後廢液之半透明塑膠瓶與接在其上之透明塑膠軟管(或橡皮管)會自動下垂。

4.        演示時可手持微型發光噴泉裝置,用手同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓;或將並聯式塑膠注射筒置於桌面,然後雙手握住並聯式塑膠注射筒,緩慢地向桌面擠壓之。

二、   氰光棒(犀利光)的發光噴泉

(一)氰光棒的發光步驟

1.        犀利光(氰光棒)之構造與組成

市售犀利光係由一根約14吋長密封的半硬質半透明塑膠管和硬質玻璃管,分別內裝有兩組藥品溶液組成,其中一組溶液是分別裝在3根密封玻璃管中。而另一組藥品溶液則裝在塑膠管中但在3根密封玻璃管之外面,半硬質半透明塑膠管如相片十所示。

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相片十:市售氰光棒(犀利光)(上)和裝有藥品溶液之3根密封玻璃管(下)

2.        犀利光之氰光棒之使用

(1) 用兩手握住持犀利光之氰光棒之兩端,分別將其中之3根密封玻璃管折斷。

(2) 3根密封玻璃管分別折斷後,其內之藥品溶液便會與裝在密封半硬質半透明塑膠管內之另一組藥品溶液接觸,也即刻會發出淡綠色的螢光來,如相片十一所示。

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相片十一:將犀利光內部3根密封玻璃管折斷後之發光現象

(3) 3根密封玻璃管分別折斷後,再將其搖晃數下,就會見到整支塑膠管內持續在發光,發光時間可維持約24小時,但發光的亮度會隨時間而慢慢減弱,如相片十二所示。

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相片十二:將犀利光之持續發光現象

(二)氰光棒發光噴泉的使用

1.        用刀片將氰光棒的一端切開,並將其中一組藥品溶液(丙溶液)倒至一塑膠杯中,如相片十三所示。

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相片十三:切開氰光棒的一端,並將丙溶液倒入塑膠杯中

2.        將氰光棒中之3根裝有另一組藥品溶液(丁溶液)之密封式玻璃管倒出來後,放入另一塑膠杯中,並分別將3根玻璃管敲碎再取出其中之藥品溶液倒至另一塑膠杯中,如相片十四所示。

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相片十四:取出3根密封式之玻璃管中之丁溶液放入塑膠背中

3.        將裝置中之並聯式塑膠注射筒其中之一抽取丙溶液,而另一支抽取丁溶液,待丙和溶液丁溶液抽取完後各用三通塑膠活栓塞住注射筒備用,如相片十五所示。

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相片十五:三通塑膠活栓塞住注射筒

4.        再將裝有丙溶液和丁溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合起來,如相片十六所示。

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相片十六:裝有丙、丁溶液的並聯式塑膠注射筒與透明塑膠瓶組合

5.        演示時可手持微型發光噴泉裝置,用手同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓;或將並聯式塑膠注射筒置於桌面,然後雙手握住並聯式塑膠注射筒,緩慢地向桌面擠壓之。

n  實驗結果

當手持微型發光噴泉裝置,用左右手之大拇指同時將兩支塑膠注射筒加以擠壓時,在並聯式塑膠注射筒內之甲和乙溶液(魯米諾者)或丙和丁溶液(犀利光者)會往透明塑膠瓶中之注射針頭噴出,當噴出之兩種溶液相遇時,便會即刻發生化學反應將化學能轉變成光能而以噴泉方式產生淡藍色(魯米諾者)或淡綠色(犀利光者)之冷光,即所謂「發光噴泉(簡稱光泉)」,如相片十七所示。

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相片十七:淡藍綠色之發光噴泉

n  本裝置之特點

l  取材很容易、塑膠材質組裝簡單,增加化學實驗操作之安全性。

l  可攜式裝置、可做移動式演示,走入學生群中演示,增加演示效果。

l  化學反應以發光或變色噴泉來呈現,增加化學實驗演示之趣味性。

l  本裝置除可演示發光噴泉外,又可演示變色酸鹼噴泉,以增加化學反應之趣味性。

n  結語

微型發光噴泉係利用作者設計並授權龍騰文化出版社製作的手動噴泉裝置來演示化學能轉變成光能,其係由魯米諾之鹼性溶液與赤血鹽之雙氧水溶液所進行化學能轉變成光能所致,所見到的光是呈現淡藍色的冷光。該裝置中之並聯式塑膠注射筒可分別抽取不同的化學藥品溶液,必要時將並聯式塑膠注射筒中之兩支注射筒之活塞一起擠壓便可使其中之兩組藥品經該裝置中之注射針頭前端噴出,在裝置上方透明塑膠瓶內產生噴泉的現象,如本實驗中以魯米諾的鹼性溶液與雙氧水的赤血鹽溶液間之化學反應,即可演示化學能轉變成光能而呈現出發光噴泉(簡稱光泉),而反應後之廢液可經由導管流入該裝置下方之塑膠瓶內收集之,因此演示時可將此裝置攜帶至學生面前,讓學生看得更清楚,若在暗處演示時發出之光泉會更亮,增加視覺效果及趣味性。

此裝置除可演示發光噴泉之外,也可演示變色酸鹼噴泉。如並聯式塑膠注射筒分別抽取0.1 M HCl酸性溶液和0.1 M NaOH鹼性溶液。並在酸性溶液或鹼性溶液中加入數滴的酸鹼指示劑,則演示時便會產生變色酸鹼噴泉,顏色變化會隨加入之酸鹼指試劑之不同而改變,常用之酸鹼指示劑顏色變化之pH範圍如表一所列。

表一:常用之酸鹼指示劑顏色變化之pH範圍

指示劑

pH值的顏色

過渡顏色轉變之
pH值範圍

pH值的顏色

甲基橙

3.1-4.4

甲基紅

4.2-6.3

石蕊

4.5-8.3

溴瑞香草藍

6.0-7.6

瑞香草藍

8.0-9.6

酚酞

無色

8.3-10.0

粉紅

廣用指示劑

3.0-12.0

(資料來源:酸鹼指示劑,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/酸鹼指示劑。)

 

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