3D有趣实验：美丽彩虹的消失（Disappearing Beautiful Rainbow）〔II〕？

请按此连结，参阅「3D有趣实验：美丽彩虹的消失〔I〕」

原理和概念

• 酸硷指示剂的作用原理是当环境发生pH值改变时，自身的形态会改变，从而改变颜色，透过颜色的改变来指示滴定的终点。在滴定终点的附近，指示剂变色的过程中，会呈现出一种中间的颜色，处在这个过程中的範围称为指示剂的变色範围。选择指示剂的标準，一是变色範围（包括终点），二是反应灵敏。也就是说，一种合适的指示剂在达到终点时必须很快的变色。常用的酸硷指示剂之变色，如表一所示。

  表一 常用的酸硷指示剂之变色

• 本实验使用的酚酞（phenolphthalein）、间硝基苯酚（m –nitrophenol）和百里酚酞（thymolphthalein）三者皆为酸硷指示剂，依照溶液环境的pH值的不同而显现出不同的颜色，如表一所示的前三者。利用这些酸硷指示剂的特性，在高pH值的环境下，溶液呈分别现出红、黄、蓝三种颜色。再藉由这三种指示剂之二种，以不同比例混合，使颜色混合呈现出橙（红加黄：酚酞加间硝基苯酚）、绿（黄加蓝：间硝基苯酚加百里酚酞）、紫（红加蓝：酚酞加百里酚酞）三种颜色。这三种指示剂具有共通点，就是在酸性环境中皆呈现无色。
• 乾冰（Dry Ice）是二氧化碳（carbon dioxide）的固体形式，二氧化碳略溶于水，容于水中随之发生化学反应，产生碳酸（carbonic acid），如反应式[1]所示。碳酸与溶液中的氢氧化钠反应，发生酸硷中和，产生碳酸钠，如反应式[2]所示。乾冰直接与氢氧化钠反应，产生碳酸钠，如反应式[3]所示。亦即，反应式[3]为反应式[1]和[2]之和。本实验是透过乾冰的酸性，使溶液的pH值下降，进而使指示剂逐渐趋向无色。

  CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)??? [1]
  H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) → Na2CO3(aq) + H2O(l)? ??[2]
  2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)? ??[3]

教学提示

1. 氢氧化钠为强硷，具有腐蚀性，配製时及使用时配戴手套、安全眼镜及实验衣。若由学生配製，应在现场确实督导。
2. 本实验「美丽彩虹的消失」可使用实验室中容易取得的酸性溶液代替乾冰，只是无法製造惊豔的烟雾效果。
3. 本实验的指示剂变色时间的长短可藉由加入氢氧化钠的体积多寡或浓度高低来控制。加入氢氧化钠的体积越多或浓度越浓，加入乾冰的量就要越多，指示剂变色的时间就要越长。
4. 本实验可準备多种指示剂，让学生尝试不同指示剂之间的差异，培养学生探讨实验，观察并纪录结果，归纳结果及发表结论之能力。
5. 本实验可当作教师演示的化学示範实验，亦可作为学生动手做的实验。

安全

1. 操作实本实验「美丽彩虹的消失」时必须戴上实验手套、穿实验衣和戴安全眼镜的防护下进行，避免被硷性溶液喷溅而发生危险。学生操作实验，必须在老师的监督下进行，
2. 酸硷指示剂喷溅到皮肤或是衣物上，应该立即用酒精清洁。
3. 实验时为避免冻伤，拿取乾冰时应戴手套（建议使用麻布手套）。
4. 对本实验实行适当的风险评估是老师的责任。

废弃物处理

1. 剩余的氢氧化钠溶液需用酸中和后，再用大量水沖掉即可。
2. 氢氧化钠与乾冰反应后溶液接近中性，用大量水沖洗掉即可。
3. 本实验使用的酸硷指示剂用量很少，而且这些指示剂大多为染料，对环境危害低，以大量水沖洗即可

问题与参考答案

1. 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：涉及两个化学反应，如下所示：

   CO2(g) + H2O(l) → H2CO3(aq)
   H2CO3(aq) + 2NaOH(aq) → H2O(l) + Na2CO3(aq)
   2NaOH(aq) + CO2(g) → Na2CO3(aq) + H2O(l)

2. 承上题，请问这些反应式中哪一个或哪些属于化合反应、分解反应、酸硷中和反应、氧化还原反应？
   答：这些反应式属于化合反应有一个：CO₂(g) + H₂O(l) → H₂CO₃(aq)
   这些反应式属于酸硷中和反应有两个：
   H₂CO₃(aq) + 2NaOH(aq) → H₂O(l) + Na₂CO₃(aq)
   2NaOH(aq) + CO₂(g) → Na₂CO₃(aq) + H₂O(l)
3. 请问本实验所使用之乾冰有何功能？
   答：乾冰为固体的二氧化碳，溶于水后可产生碳酸，与的氢氧化钠发生中和反应，使溶液的pH值下降，指示剂由显色变成无色。
4. 请问本实验可以用什么来取代乾冰？
   答：酸性的溶液皆可取代乾冰。乾冰的作用在于产生酸，因此可以用其他的酸性溶液取代之，只是无法製造惊验的烟雾效果。

参考资料

1. Indicators and Dry Ice: Demonstration, Nuffield Foundation.
2. Phenolphthalein, Wikipedia, the free encyclopedia.
3. Nitrophenol, Wikipedia, the free encyclopedia.
4. Acid-base indicator, Wikipedia, the free encyclopedia.
5. Dry Ice, Wikipedia, the free encyclopedia.