3D有趣实验:大象牙膏(Elephant Toothpast

作者: 来源:A蕙生活 时间:2020-06-05 12:14:15 浏览(939)

请按此连结,参阅「3D有趣实验:大象牙膏〔I〕」

原理和概念

● 本实验使用的过氧化氢(H2O2),俗称双氧水,在自然情况下会随着时间而慢慢分解成水和氧气。在本实验中,透过添加催化剂-碘化钾(KI),使双氧水分解速率加快,而快速产生大量的小气泡,如火山爆发。利用碘化钾催化过氧化氢的分解反应涉及两反应,这两个反应如反应式[1]和[2]所示,过氧化氢分解的总反应如反应式[3]所示:

H2O2(aq) + I−(aq) → H2O(l) + IO−(aq) [1]H2O2(aq) + IO−(aq) → H2O(l) + O2(g) + I−(aq) [2]————————————————————————-
总反应:2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g) [3]

●  本实验加入碳酸钠(Na2CO3),是为了去除反应所生成的碘(I2)。由于碘在硷性环境(碳酸钠溶液含OH–)中会产生自身氧化还原反应,以避免碘蒸气的产生。其反应式如反应式[4]所示:

3I2(s) + 6OH–(aq) →5I–(aq) + IO3–(aq) + 3H2O(g) [4]

●  催化剂是能改变化学反应速率,而本身的质量、组成和化学性质在参与化学反应的前后皆不变。催化剂又可分为:
(1)正催化剂:可降低正、逆反应的活化能,使正、逆反应的速率同时加快。
(2)负催化剂:可升高正、逆反应的活化能,使正、逆反应的速率同时减慢。

●  催化剂的作用为:
(1)可改变反应的路径;
(2)可能会产生不同的错合物;
(3)可降低(或提高)活化能,来达到催化目的或降低反应速率;以及
(4)正催化剂加入反应中,同时使正、逆反应的活化能降低,因为正、逆反应的速率同时加快,故不会改变化学平衡。负催化剂也同样原理。

●  平常使用的洗碗精里含有界面活性剂,在洗碗时,搅动水而使空气跑进水中,导致界面活性剂包住空气,形成一颗颗的泡泡。同样地,双氧水在碘化钾的催化下,快速产生氧气,此时界面活性剂会包住氧气,进而产生大量泡泡。

教学提示

1. 当碳酸钠及碘化钾加入量筒时,发生温度很高,请勿立即触摸量筒的管壁。

2. 若要重複此实验,可準备多个大量筒,备用。

3. 过氧化氢为强氧化剂,具有腐蚀性,若不小心接触到皮肤,应以大量清水沖洗。取用过氧化氢必须戴乳胶手套。使用后,应立即关紧瓶盖。

4. 碳酸钠勿与双氧水事先混合,否则双氧水的抑制剂会失效而造成提前分解,使实验效果下降。

5. 本实验可当作教师演示的化学示範实验,亦可当作学生的化学实验室实验。

6. 实验时必须注意下面安全事项:
(1) 实验者应该戴上安全眼镜及手套。
(2) 实验时必须与旁观者距离2公尺以上。
(3) 实验时实验的位置必须距离天花板2公尺以上。
(4) 倒入双氧水到量筒时,必须非常小心,避免倾倒时发生危险。
(5) 示範此实验前,应该小心地反覆重複练习,或学生实验前,必须告知详细,以免发生危险。

安全

1. 进行本实验必须在老师的监督下进行,必须在戴上手套、穿实验衣和戴安全眼镜的防护下进行。本实验为放热反应,且大量放热,反应进行时须保持距离。

2. 对本实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

●  反应完毕,须等到双氧水不再冒泡为止,才可以倒出量筒内的液体到水槽中。由于此实验的生成物为水及氧气,故可用大量的自来水沖洗。

问题与参考答案

1. 请描述使用不同浓度下的双氧水,反应过程有何差异?
答:双氧水的浓度越高,反应速率越快,产生氧气的速率越快,泡泡形成的速率越迅速。

2. 请问本实验涉及哪些化学反应?请写下这些反应式并平衡之。
答:涉及四个化学反应,如下所示:

H2O2(aq) + I−(aq) → H2O(l) + IO−(aq)
H2O2(aq) + IO−(aq) → H2O(l) + O2(g) + I−(aq)
2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g)
3I2(s) + 6OH–(aq) →5I–(aq) + IO3–(aq) + 3H2O(g)

3.承上题,这些化学反应何者属于酸硷反应?何者属于氧化还原反应?
答:四个化学反应全部都是氧化还原反应,没有酸硷反应。

4.碘化钾在实验中扮演什幺角色?有什幺作用?
答:碘化钾在本实验中为一种正催化剂,使本来分解很慢的过氧化氢,加快反应速率。

5.本实验产生的泡泡含何种气体?可以使用什幺方法验证?
答:氧气。点燃的线香放进正在产生泡泡的量筒中,线香会烧得更旺盛,这是因为氧气具有助燃性。

参考资料:
1.Elephant Toothpaste Chemistry Demonstration, About.com.
2.How to Make Elephant Toothpaste, wikiHow.
3.Elephant toothpaste, Wikipedia.
4.19.7 The Catalytic Decomposition of Hydrogen Peroxide, Chemistry Department, Purdue University.
5.Rates of Reaction, Catalysts used for the Decomposition of Hydrogen Peroxide, Dr. Colin France.
6.阿拉丁神灯与大象的牙膏,2007白沙化学惊奇秀,中学化学示範实验。


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