國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

色彩變變變

如同變臉般的色彩轉換(本遊戲請勿讓小朋友自行操作!)

操作步驟與現象

準備藥品:過氧化氫(雙氧水)、濃硫酸、碘酸鉀、澱粉、丙二酸、硫酸錳、溴酸鈉、溴化鈉、亞鐵靈溶液

本項科學遊戲如同變魔術,操作時可以先展示桌上擺放的三種無色的溶液,和學生說明:「這三種無色的溶液混合起來會發生什麼事呢?……其實它會變臉!如何變臉呢?請大家仔細看……」。提醒學生仔細觀察後,開始將調配好的三種溶液互相混合;混合後,一開始溶液很快從無色變成淡的黃棕色(如下圖左),但是不到三秒鐘,顏色變成為深藍色(如下圖右),奇妙的是再三秒鐘再變回黃棕色,再三秒鐘又變為深藍色….,如此反覆變化顏色可達十次以上,相當神奇。(濃度調配恰當可達三十次以上)

    

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原理

上述的顏色反覆來回變化,被稱為「振盪反應(Oscillating reactions)」,是1921年W. C. Bray所發現,並稱為「B-R反應(Briggs-Rauscher reaction)」。振盪反應是一種氧化還原反應,反應機構頗為複雜,總反應可表示如下:

IO3 + 2H2O2 + CH2(COOH)2 + H+→ ICH(COOH)2 + 2O2 + 3H2O

(碘錳錯離子:淡黃棕色)           (藍色)

當反應進行時,錳離子作為催化劑,所形成的碘錳錯離子呈現淡的黃棕色,而雙氧水為氧化劑,可使碘離子氧化成碘分子,碘分子與澱粉作用而出現藍色。反應因為濃度的削減與增加,而呈現來回振盪的現象。

溶液配製

首先配製三種溶液:

A溶液:將40 mL 的 30% 雙氧水(H2O2)溶於 100 mL 水中。

B溶液:取0.5 mL 濃硫酸(H2SO4)加入100 mL的水混合後,再加入4.3 g 的碘酸鉀(KIO3混合均勻。

C溶液:取0.15 g 的澱粉(糊精)溶於 500 mL 的熱水(冷水不易溶解),再加7.8 g 的丙二酸(HOOCCH2COOH,malonic acid)以及1.7 g 的硫酸錳(也稱硫酸亞錳)(MnSO4,manganese sulfate)。

配製溶液注意事項:(1)雙氧水要新開瓶的,避免使用已開瓶擱置一段時間的。(2)C溶液 (內含澱粉)與A溶液容易變質,最好要用前再配製。(3)B溶液約需攪拌5-7分鐘才會完全溶解。

操作步驟

取B溶液20mL與C溶液15mL混合於燒杯。再取A溶液2~15mL,逐次倒入B與C的混合溶液中(A溶液每次倒一點即有反應發生,一次加太多會產生大量氣體),仔細觀察振盪反應的變化。

延伸的科學遊戲

另一種振盪反應稱為B-Z反應(Belousov-Zhabotinsky reaction),一開始顏色是紅色,然後是藍色,溶液顏色就在紅與藍之間振盪。這個反應首先在1958年由前蘇聯B. P. Belousov(別洛索夫)所發現。1964年,前蘇聯的生物物理學畢業生A. M. Zhabotinsky(扎鮑廷斯基),重新研究並與發表了這個反應,並提出反應機構的解釋,其反應過程也是相當複雜。

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B-Z反應的顏色變化,主要是加入一種氧化還原指示劑:鄰二氮菲(1,10-phenanthroline,簡寫為Phen),Phen與鐵離子形成不同的錯化合物,在還原態(亞鐵靈 Fe(Phen)3 (2+))為紅色,氧化態(Fe(Phen)3 (3+))為藍色。

溶液配製

A溶液:將2mL的濃硫酸加入67mL的純水中,混合後再加入5g的溴酸鈉(NaBrO3)。

B溶液:將1g的溴化鈉(NaBr)溶於10mL的純水中。

C溶液:取1g的丙二酸(HOOCCH2COOH,malonic acid)溶於10mL的純水中。

操作步驟

取60mL的A溶液以及3mL的B溶液混合於燒杯中,並加熱至40℃。待溶液達到40℃後,放置於通風櫥,再加入10mL的C溶液,此時會有黃紅色氣體(Br2,具毒性)產生。靜置等Br2消掉後,再滴入2mL的0.025M的亞鐵靈溶液(Ferroin Solution,學名為1,10-Phenanthroline Ferrous Sulfate Solution (C12H8N2)3FeSO4),可直接購買亞鐵靈0.025M的溶液),攪拌2分鐘後,靜置觀察其顏色變化。(註:結束反應後為無色)

注意事項:(1)溴氣有毒,務必避免吸入。(2)加熱到40℃的反應速度很快,約2秒振盪一次,但是如果加熱到50℃以上則無反應。(3)結束反應後為無色。

參考資料:

 1. http://www.faidherbe.org/site/cours/dupuis/oscil.htm#équilibre

 2. http://www.engin.umich.edu/~cre/web_mod/oscil/module.htm

 3. http://en.wikipedia.org/wiki/Briggs%E2%80%93Rauscher_reaction

 4. http://www.sec.ntnu.edu.tw/cultivation/93年/期末報告/化pdf/羅喬嶽.林敬堯.pdf

 5.陳亞拿、游茜雯、翁梓樺(2007);當我們倒在一起--BR 振盪反應的探討。中華民國第四十七屆中小學科學展覽會高中組化學科。