臺灣化學教育

創意微型實驗—微型化學噴霧槍
在化學演示實驗上之應用

方金祥

創意微型科學工作室
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一兼二顧摸蛤兼洗褲，資源回收做環保兼組裝成化學實驗裝置—微型化學噴霧槍，此一實驗裝置極符合「低污染、可回收、省資源」的綠色環保理念。可利用此一裝置來演示化學實驗包括酸鹼中和、氧化還原之顏色變化以及化學能轉變成光能等，使化學教學更有創意、化學反應更為直接、更為生動、活潑、有趣。俾能引起學生對化學的好奇與學習興趣。茲將微型化學噴霧槍之設計與製作之詳細過程說明如下：

n  材料與藥品

（一）材料

塑膠噴霧器（安立清潔劑噴霧器） 1組、塑膠瓶（蘋果西打630 mL） 1瓶、塑膠瓶（藥品瓶100 mL） 1瓶。（相片一）

  

相片一：塑膠噴霧器（左）、塑膠瓶（中）、藥品瓶（右）

（二）藥品

稀鹽酸（0.1 M HCl） 100 mL、氫氧化鈉溶液（0.1 M NaOH） 100 mL、硫代硫酸鈉溶液（0.1 M Na₂S₂O₃） 100 mL、過氧二硫酸鉀（0.1 M K₂S₂O₈） 20 mL、碘酒溶液（市售） 100 mL、酸鹼指示劑（酚酞，Phenolphthalein）（相片二）。

相片二：酚酞指示劑

n  設計與製作

微型化學噴霧槍係由噴霧器、反應接收瓶及廢液收集瓶等三部分組成。其設計與製作分述如下：

一、噴霧器主體

1.        將回收自安立清潔劑噴霧器之標籤撕下，如相片三所示。

相片三：回收自安立清潔劑之噴霧器

2.        此一噴霧器之構造與一般塑膠噴霧器有所不同，由噴霧器主體（相片四左）與兩個藥品瓶（相片四右）組成。其中噴霧器主體下方有兩條導管分別插入可裝兩組藥瓶之兩個藥品瓶中，當壓縮噴霧器時兩組藥品可同時經由各自之導管上升至噴霧器之噴嘴，然後混合在一起而以霧狀噴出，如相片四所示。

  

相片四：噴霧器之兩條導管（左）與兩個藥品瓶（右）

3.        撕下蘋果西打塑膠瓶之標籤，如相片五所示。

相片五：取下標籤之蘋果西打塑膠瓶

4.        將塑膠蓋子取下並在蓋子之中央處挖一個孔洞，如相片六所示。

 

相片六：挖一個孔洞之塑膠蓋子

5.        用熱熔膠將挖有一個孔洞之塑膠蓋子固定在噴霧器（相片三）之噴嘴上，如相片七所示。

相片七：噴嘴上加有塑膠蓋的噴霧器

二、噴霧反應接收瓶

1.        取下藥品塑膠瓶之塑膠蓋子，並在其中央處剪掉成一個孔洞之塑膠蓋子，如相片八所示。

  

相片八：一個孔洞之塑膠蓋子

2.        在蘋果西打塑膠瓶之上側方挖一個直徑約0.5 cm的孔洞，並在此孔洞的正上方鑽一個小孔，以方便壓縮噴霧器時通氣之用，如相片九所示。

相片九：塑膠瓶之上側方挖一個孔洞

3.        用熱熔膠將挖了孔的塑膠蓋固定在塑膠瓶上側之孔洞（孔對孔成一通路），供作噴霧反應接收瓶，如相片十所示。

相片十：噴霧反應接收瓶

三、 廢液收集瓶

將塑膠藥品瓶（相片十一左）與噴霧反應接收瓶下方之塑膠蓋（相片十）組合起來，供作反應後廢液收集瓶，如相片十一（右）所示。

 

相片十一：塑膠藥品瓶（左）與廢液收集瓶（右）

四、微型化學噴霧槍之組裝

將噴霧反應接收瓶（相片十二左）與噴嘴上加有塑膠蓋的噴霧器（相片十二中）組合起來，即完成一套「微型化學噴霧槍」，如相片十二（右）所示。

  

相片十二：組裝完成的「微型化學噴霧槍」

n  實驗操作

一、噴霧流量設定試驗

噴霧流速調整鈕有0、1、2、3、4、5等五個位置來控制左右塑膠瓶中藥品噴出量。

1.        左邊塑膠瓶液體流速測定

(1)     將右邊藥品瓶拆下來，並將其導管夾住。

(2)     將左邊藥品瓶拆下來，並加入約100 mL的蒸餾水。

(3)     分別將調整紐轉0、1、2、3、4、5等五不同位置上，然後各壓縮10次，並量出噴出液體之體積。

2.        右邊塑膠瓶液體流速測定

(1)     將左邊藥品瓶拆下來，並將其導管夾住。

(2)     將右邊藥品瓶拆下來，並加入約100 mL的蒸餾水。

(3)     分別將調整紐轉至0、1、2、3、4、5等五不同位置上，然後各壓縮10次，並量出噴出液體之體積。

二、酸鹼中和之變色試驗

3.        將微型化學噴霧槍之組件依序拆開並取下兩個塑膠藥品瓶，如相片十三所示。

   

相片十三：裝藥品之塑膠瓶

4.        在左邊的塑膠藥品瓶中裝入100 mL的0.1M NaOH溶液。

5.        在右邊的塑膠藥品瓶中裝入100 mL的0.1M HCl溶液，並加入3滴的酚酞酸鹼指示劑。

6.        在廢液收集瓶中預先加入20 mL的0.1 M HCl溶液，如相片十四所示。

相片十四：廢液收集品中預先加入20 mL 0.1 M HCl溶液

7.        將上述裝有藥品之2個塑膠瓶與廢液收集瓶和噴霧器主體組裝起來備用，如相片十五所示。

相片十五：裝有藥品之微型化學噴霧槍

8.        將藥品流速調整鈕調整在「3」的位置，此位置在壓縮噴霧時，左邊的藥品之流量約為右邊的藥品之流量7/5倍，如相片十三所示。

  

相片十六：藥品流速調整鈕調整在「3」 的位置

9.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應，如相片十七所示。

 

相片十七：將噴霧器壓縮時藥品同時被噴出並立即發生化學反應

二、氧化還原反應試驗

1.        在右邊藥品瓶中放入100 mL的0.1 M藥用碘酒溶液（棕褐色）。

2.        在左邊藥品瓶中放入100 mL的0.1M硫代硫酸鈉溶液（Na₂S₂O₃無色透明）。

3.        另在廢液收集瓶中放入5 mL的0.1M過氧二硫酸鉀溶液（K₂S₂O₈無色透明）。

4.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應。

三、化學能轉變成光能試驗

1.        在右邊藥品瓶中放入5 mL的雙氧水於100 mL的0.1 M赤血鹽溶液（淡褐色）。

2.        在左邊藥品瓶中放入100 mL的0.1 M魯米諾（Luminol）的氫氧化鈉溶液。

3.        手持微型化學噴霧槍，用手壓縮噴霧器把手，則左右兩個藥品瓶中的藥品溶液會同時被壓縮而經由導管上升至噴霧器之噴嘴以霧狀被噴出，兩溶液噴出後會立即混合起來，並在反應接收瓶中發生化學反應。

n  實驗結果

一、   噴霧流速控制試驗

將噴霧器的流量控調整鈕調整0~5，左邊與右邊塑膠瓶藥品噴出之體積比，如表一所列。

表一：噴霧流速調整鈕控制噴霧的流量

*分別在噴霧流速調整鈕於0~5處，壓縮10次後所噴出之藥品體積

二、   酸鹼中和之變色試驗

由於左邊藥品瓶中是放入0.1 M NaOH，右邊藥品瓶中是放入0.1 M HCl，並加入3滴的酚酞酸鹼指示劑，且在藥品流速調整鈕調整在「3」的位置，左邊與右邊塑膠瓶藥品噴出之體積比為7：5，因此在壓縮噴霧器時，氫氧化鈉溶液之摩爾數會大於稀鹽酸溶液之摩爾數，致使酸鹼於瞬間中和時有過量的氫氧化鈉，而使噴出之溶液在反應瓶中由無色變成粉紅色，如相片十八（左）所示。但當反應瓶中之紅色液體流入廢液收集瓶中時又會馬上變成無色透明的液體，此乃因在廢液收集瓶中預先放入20 mL的1 M之HCl而將反應後過剩之NaOH再度中和所致，如相片十八（右）所示。

 

相片十八：酸鹼中和之變色試驗

三、   氧化還原反應試驗

噴出之溶液在反應瓶中會碘會被還原成無色透明的碘離子溶液，如相片十九（左）所示。待反應瓶中無色透明之碘離子溶液流入廢液收集瓶中會即刻被過氧二硫酸鉀溶液氧化成棕褐色的碘溶液，如相片十九（右）所示。其反應如式[1]和[2]所示：

碘被還原：I₂(aq) + S₂O₃ ^{2 –}(aq) → 2S₄O₆^2–(aq) + 2 I^–(aq)    [1]

碘離子被氧化：S₂O₈ ^{2 –}(aq)  + 2 I^–(aq) → I₂(aq) + 2SO₄^{2 –}(aq)    [2]

 

相片十九：氧化還原反應

四、   化學能轉變成光能試驗

噴出之溶液在反應瓶中會由化學能轉變成淡藍色的光能，如相片二十所示。

 

相片二十：化學能轉變成光能

n  實驗裝置之特點

l  資源回收再利用、實驗裝置動手做。

l  一噴二液三反應、生動活潑又有趣。

l  廢液回收污染低、操作容易且安全。

l  效果明確又快速、演示實驗更有趣。

n  結語

一般噴霧器只能裝一組藥品，噴霧時也只能噴出一種藥品來，如要使兩種不同的藥品分別噴出來再使其相遇再反應時，勢必要使用兩支噴霧器，分別將藥品噴出再使其發生化學反應。而本文中所使用之噴霧器係回收自安立公司產品中之清潔劑噴霧器再加以改良，此噴霧器可將兩組藥品分別裝在兩個塑膠瓶中，噴霧器壓縮時可同時將兩組藥品一起噴出來，藥品離開噴頭後碰再一起才反應，並可控制兩組藥品之噴出量。噴出之藥品控制在反應接收瓶中來反應，反應後之廢液也可使其流入廢液收集瓶中加以回收，使演示趣味化學實驗時更為簡便。本裝置除可演示酸鹼中和反應之顏色變化之外，還可演示氧化還原反應等反應後之顏色變化、以及化學能轉變成光能之反應，此一裝置實為一多功能性之趣味化學實驗演示裝置，可以增加化學演示之方便性與趣味性。