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善變的銅離子---可逆的變色化學反應
by yangsp, 2011-04-29 21:40:05, 人氣(6580)

中學化學示範實驗

Chemical Demonstrations for High School


國立彰化師範大學理學院化學系 提供

【策劃者:楊水平】  【製作者:謝孟樺 N1240005】【編修者:楊水平


善變的銅離子---可逆的變色化學反應

簡介

在含有[Cu2+][ C4H4O62-]錯合物的藍色溶液中 ,加入H2O2使溶液由藍色 → 綠色 → 橙色,再 次加入H2O2,溶液 變回原來的藍色 → 綠色 → 橙色。

示範步驟

1. 在一個燒瓶內放入一個磁石,加入3 wt% 50 mL KNaC4H4O6·2H2O(aq)3wt% 25mL CuSO4·5H2O(aq),如圖一所示。混合均勻並且 在加熱攪拌器上加熱至約 50℃,如圖二所示。
2. 加入 1 mL 30% H2O2(aq),如圖三所示。等待一段時間 ,溶液從藍色漸漸轉為綠色,如圖四所示;然後變成橙色,如圖五所示。
3. 再次加入 1 mL 30% H2O2(aq),溶液顏色會變回原來的藍色,如圖六所示。等待一段時間,溶液 變成綠色,如圖七所示 ;然後變成橙色,如圖八所示。
圖一  加入KNaC4H4O6CuSO4溶液 圖二  混合並且加熱呈現藍色溶液
 加入H2O2後 呈綠色  等待一段時間綠色
圖五  然後呈橙色 圖六  再次加入H2O2
圖七   等待一段時間H2O2後呈綠色   然後呈橙色

請按此連結:善變的銅離子---可逆的變色化學反應,YouTube。

(拍攝者:吳政隆和謝孟樺;影像製作和轉檔者:李忠家)

溶液和器材

1.
加熱攪拌器一個。
2.
磁石一顆。
3.
燒瓶一個。
4.
3 wt% 50 mL KNaC4H4O6·2H2O  (potassium sodium tartrate dihydrate,二結晶水酒石酸 鉀鈉)
5.
3 wt% 25 mL CuSO4·5H2O (copper sulfate pentahydrate,五結晶水硫酸銅)
6.
30% H2O2 (hydrogen peroxide,過氧化氫)。

原理和概念

1. CuSO4·5H2O(aq)KNaC4H4O6·2H2O(aq)形成藍色的[Cu2+][ C4H4O62-]錯合物,其顏色略深於原本CuSO4·5H2O(aq)藍色水溶液的顏色。
2.

[Cu2+][ C4H4O62-]能夠催化H2O2(aq)進行分解反應 ,釋放出能量,反應式如下所示。

                     [Cu2+][ C4H4O62-]

H2O2(aq)  -----1/2 O2(g) + H2O(l) + 23.5 Kcal

3. H2O2分解反應釋放的熱使整體溶液溫度上升至約70,促使橙色的沈澱物生成。橙色的沈澱物可 能是銅(I)-過氧-酒石酸離子 (copper(I)-peroxo-tartrate complex)。
4. 在反應過程之中,出現綠色為藍色溶液與橙色沈澱物 兩者混合的結果之顏色。

教學提示

1. 30% H2O2為具有腐蝕性的溶液,務必戴手套並且小心取用,萬一發生意外,立即以 大量的水沖洗。在一大壓力下 ,H2O2受熱分解成水和氧氣。 若在此溶液中加入少量的硫酸或磷酸酸,可以穩定H2O2。 若在此溶液中加入氨水或其它鹼性物質,則無論在何種溫度下均放氧甚速。
2. 須仔細調控溫度與各藥品用量,否則有時候會使得反應停在某階段而無法繼續進行。若改用一般藥用3% H2O2,要注意濃度問題。
3.

雙氧水既可作為氧化劑,也可作為還原劑。在反應中究竟要扮演何種角色,受 pH 值影響。

H2O2(aq) + 2H+(aq) + 2e-  2H2O(l)
H2O2(aq)
O2 + 2H+(aq) + 2e-

4.

由於酒石酸(Tartaric acid) 易與多種金屬離子結合,所用的酒石酸鉀鈉 (Potassium sodium tartrate) 是一種酒石酸的鹽纇。

酒石酸分子中含有兩個立體幾何的碳原子,存在三種立體異構物,其結構式分別如下所示。

        

酒石酸之是由於它的一種鹽纇-酒石酸氫鉀存在於葡萄汁內,此鹽難溶於水和乙醇,在葡萄汁釀酒過程中沉澱析出,被稱為酒石,酒石酸的名稱由此而來。酒石酸主要以鉀鹽的形式存在於多種植物和果實中,也有少量以游離態存在的。

問題和參考答案

1. 此示範實驗觀察到的顏色變化為何?如何使顏色重覆變化?
答:

藍色→綠色→橙色。再次加入H2O2(aq)

2.  除了顏色變化之外,此反應進行時還有什麼現象發生?這些現象來自於什麼反應?
答:

發生放熱現象以及有氣體產生。放熱和生成氧氣來自於H2O2的分解反應,反應式如下所示。

                      [Cu2+][ C4H4O62-]

H2O2(aq)   -----→ 1/2 O2(g) + H2O(l) + 23.5 Kcal

3. 反應過程為何會出現綠色 和橙色?
答:

橙色的沈澱物可能是銅(I)-過氧-酒石酸離子 (copper(I)-peroxo-tartrate complex)。 反應過程之中,出現綠色為藍色溶液與橙色沈澱物之間混合的結果之顏色。 

參考資料

1. http://chemed.chem.purdue.edu/demos/main_pages/19.4.html (Accessed on 2011/04/29).
2. Sherman, Marie C.; Weil, Deborah., A reversible blue-and-gold reaction, J. Chem. Educ. 1991, 68, 1037.
3. Toth, Zoltan., A Reversible Blue-and-Gold Reaction, J. Chem. Educ. 1994, 71, 1098.

適用程度

國民小學 國民中學 ˇ高級中學 ˇ大學普通化學

安全

 ● 示範這個實驗必須戴安全眼鏡及可丟棄的手套。
 ● 示範這個實驗實行適當的風險評估是老師的責任。
 

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