過碳酸鈉取代雙氧水產生氧氣於國小製造氧氣實驗之可行性探討 周佳誼、周欣誼、何家齊* 國立中科實驗高級中學 Email: justsayhi@nehs.tc.edu.tw 摘要：本研究旨在為國中小學設計一種更安全、快速的製氧實驗，以取代具腐蝕性的雙氧水。文章探討使用俗稱「固體雙氧水」的過碳酸鈉。實驗結果顯示，過碳酸鈉在水中會釋放過氧化氫並呈鹼性，促進氧氣生成。製氧效率受水量影響，1克過碳酸鈉搭配15毫升水反應速率最快。提高水溫能顯著加速產氧量。雖然金針菇催化效果最佳，但其保存不易且在高溫下效用降低。綜合考量，建議學校實驗採用溫熱水(約60℃)搭配易取得且可重複使用的銅片(如壹圓硬幣)加速氧氣生成。此組合能在15分鐘內產生超過500毫升氧氣，足夠學校實驗教學使用，且比傳統雙氧水實驗更安全便捷，具推廣潛力。 前言 在小學自然課程中，製造氧氣是利用雙氧水加胡蘿蔔或金針菇，在國中則是利用雙氧水加二氧化錳。雙氧水是中小學化學實驗製造氧氣所使用的主要藥品之一，但高濃度的雙氧水具腐蝕性，若不慎直接接觸，會引致皮膚出現化學灼傷；低濃度雙氧水產生氧氣的速率很慢，不利氧氣的收集。我們在實驗器材藥品室中找到一瓶尚未過期的15%雙氧水，瓶身已經明顯膨脹變形，應該是在實驗室保存過程中持續分解出氧氣造成瓶子的壓力變大所導致。我們當時僅只是打開雙氧水瓶蓋動作，就發現手指頭皮膚有被腐蝕的痕跡，推測應該長期存放在實驗室，瓶蓋處有雙氧水揮發滲漏的情形。這讓我們思考是否能使用簡單安全藥品取代雙氧水，且實驗藥品容易保存，以此為出發點，試著重新設計出適合在國中小製造氧氣的實驗。基於安全性考量，我們的研究想要找出一個方便、快速、安全的方法來製造氧氣方法，以取代原本課本使用液態雙氧水製造氧氣的實驗設計，我們查詢文獻後發現在日常生活中常被用作清潔劑的過碳酸鈉，具有去污、漂白與抗菌等功能，因其可釋放出氧氣，有人稱其為「固體雙氧水」。本研究將進一步探討過碳酸鈉分解產生氧氣的速率，以評估其應用潛力與最佳反應條件。 過碳酸鈉性質介紹 過碳酸鈉（Sodium percarbonate）又稱過氧碳酸鈉或過氧化碳酸鈉水合物（sodium carbonate peroxyhydrate），俗稱「固體雙氧水」，是碳酸鈉與過氧化氫形成的加成物(adduct)。其實驗式為：2Na₂CO₃·3H₂O₂（式量為 314 g/mol），外觀為白色無味的顆粒狀粉末，屬無機鹽，溶於水後會釋放出碳酸鈉與過氧化氫，呈鹼性，具有氧化性。反應式如下： 2Na2CO3·3H2O2 → 3H2O2 + 4Na+ + 2CO32- 2H2O2 → 2H2O + O2 Dideriksen（2007）指出，過碳酸鈉在室溫下雖具有一定穩定性，但仍須注意保存條件，以避免分解或降低活性。首先，應置於乾燥環境中，因為受潮會加速其分解，釋放出過氧化氫與氧氣；其次，需避免光照，特別是強光與紫外線，因其可能促進過氧化氫的分解；此外，應使用密封容器保存，以防吸濕並避免與空氣中的水氣或二氧化碳接觸；最後，也應避免高溫環境，因為溫度升高會顯著加快其分解速率。總而言之，妥善的保存條件有助於維持過碳酸鈉的穩定性與功效。 我們測試室溫下過碳酸鈉加水後，其水溫與pH值之變化。於室溫下，將0克（對照組）、10克與20克過碳酸鈉分別加入100mL去離子水中，並於30分鐘內每10分鐘測量溫度與pH值。實驗後發現溫度變化不大與室溫(25℃) 相近，pH值方面，對照組在30分鐘後的pH為8.25；加入10克過碳酸鈉的溶液pH為10.45；加入20克者則為10.42。由此可見，過碳酸鈉加水後會使水溶液明顯鹼化，顯示其分解產生的碳酸鈉具有鹼性特性。 相同重量過碳酸鈉加不同水量產生氧氣量的比較 本研究探討在25℃下，相同質量（1公克）的過碳酸鈉，在不同水量條件下反應24小時後的氧氣產生差異(如圖1)。根據化學計算，1公克過碳酸鈉理論上可完全分解產生約0.00560莫耳的氧氣，換算為標準狀況下約137.13毫升。但實驗結果顯示，實際產生的氧氣量明顯低於理論值。在此實驗設計中，我們將1公克過碳酸鈉分別加入10 mL、100 mL與250 mL的水中，並以排水集氣法觀察其氧氣產生狀況。實驗中使用充滿水的量筒倒置於水槽中，可清楚觀察並測量產生的氧氣量。此外，三組條件同時進行，有助於提升對控制變因的掌握與比較的準確性。結果發現，水量越少氧氣的反應速率與產量皆越高，其中加水10 mL的實驗產氧最明顯(表1與圖2)。這是因為水量少時， 1克碳酸鈉加入10 mL水之溶液pH值較加入100 mL與250 mL之水量更大，形成鹼性更強的溶液。此趨勢與過碳酸鈉溶於水後所形成的鹼性環境有關，因其釋放的碳酸鈉（Na₂CO₃）使溶液pH升高，而過氧化氫（H₂O₂）在鹼性環境中分解速率加快，進而促進氧氣釋放。儘管理論上相同質量的過碳酸鈉應產生相同體積的氧氣，實驗卻顯示水量會影響產生氧氣反應速率與24小時後產生氧氣量，說明水量亦為影響的變因。綜合上述實驗結果可知，水量愈少，產氧效率愈高，可能與鹼性強度提升有關，未來可進一步探討在更少水量條件下（如5 mL或更少）是否能進一步提升氧氣產生效果。 圖1  過碳酸鈉1公克的與10mL、100mL、250mL水量產生氧氣實驗裝置正面與背面照片 表1  1公克的過碳酸鈉加入不同水量條件下產生氧氣的理論與實際數據比較 水量 理論量產生氧氣量 24小時後 實驗測量氧氣量 氧氣產生率% 10mL 137.13 112 81.68% 100mL […]