臺北市立弘道國中奧林匹亞化學實驗課程: 2012.03.31 過錳酸鉀還原成不同氧化態的錳離子

經過了上一個禮拜介紹了氧化還原的意義之後，今天我們要開始進入實際操作氧化還原試驗的過程喔！我們可以藉由某些物質擁有多種氧化態的特性，可以來觀察各種氧化態的顏色變化和不同，例如：錳、鉻，者兩種元素都有多種的氧化態，也都各自有屬於自己的顏色，而這些不同的氧化態形成是因為在不同條件之下(酸鹼性)，就會產生不同的氧化態。這次就是使用"錳"，來讓大家感受一下。

以下就是我們在各個條件(酸鹼性)之下的反應方程式，也可以藉由觀察反應方程式來判斷自己做實驗的結果是否正確喔！

1.在酸性溶液中錳離子由+7變成+2，溶液由紫色變無色，反應式如下︰

2MnO₄^-_(aq)+5HSO₃^-_(aq) +H⁺(aq)→ 2Mn²⁺_(aq) + 5SO₄^2- _(aq) + 3H₂O_(l)

(紫色) (無色)
2.在中性/弱鹼性溶液中錳離子由+7變成+4，溶液由紫色變棕色，反應式如下︰

2MnO₄^-_(aq)+3 HSO₃^-_(aq)+ OH^-(aq)→ 2MnO₂ _(S) + 3SO₄^2- _(aq) + 2H₂O_(l)

(紫色)(紅棕色)
3.在鹼性溶液中錳離子由+7變成+6，溶液由紫色變綠色，反應式如下︰

2MnO₄^-_(aq)+ HSO₃^-_(aq)+ 3OH^-_(aq)→ 2MnO₄^2- _(aq) + SO₄^2- _(aq) + 2H₂O_(l)

(紫色)(綠色)

大家可能會發現，為什麼K⁺(鉀離子)、Na⁺(鈉離子)在我們加入的反應物中，為什麼卻沒有出現在反應方程式中呢？是因為這兩個離子都不會參與反應，稱之為「旁觀離子」(角色就像是路人一樣，沒有功能)，因此就不再把他們寫進去方程式，讓方程式看起來乾淨一些，顯現出真正反應的過程就好囉！這樣的方程式我們稱之為「淨離子反應方程式」。

[圖1.1] 今天新發的實驗衣，快快穿上！來做實驗囉~

[圖1.2] 別忘記還要戴上護目鏡，這樣才會保護到眼睛喔~

[圖1.3] 龐老師正在替大家介紹這次使用的藥品和器材。

[圖1.4] 將KMnO₄ (過錳酸鉀)將分裝到四個錐形瓶之中，也可以觀察一下他們的顏色

[圖1.5] 分別配置好條件之後，再加入NaSO₃(亞硫酸鈉)，經過搖晃以及時間之後，
會發現產生了顏色的變化，也就是不同氧化態的猛離子產生了！

經過龐老師的示範之後，我們也可以藉由最上面提到的反應方程式來檢視我們做的實驗是否和科學家預測的相同！

[圖1.6] 這就是我們今天的主角：KMnO₄ (過錳酸鉀)
錐形瓶超大的吧!!!這是因為配藥及容量的需要!
因此實驗前選擇好器材也是很重要的~

[圖1.7] 分別是在製造條件的藥物 NaOH (氫氧化鈉)、H₂SO₄(硫酸)

※條件只是提供反應所需要的環境(酸鹼性)，而不會在加入條件之後就反應喔！我們還是需

要 " 還原劑:NaSO₃^- (亞硫酸鈉)" 的加入會反應喔！

[圖2.1] 開始取藥囉!!這次藥品很多，大家取藥時依定要清楚自己取的是什麼喔！

[圖2.2] 相同的，在拿取條件的藥劑時，也要清楚到底是那一樣喔~

[圖2.3] 如果拿錯了條件的藥劑，結果是做不出來的！

[圖2.3] 當反應物和條件都已經調配好之後，就可以開始實驗了！

[圖2.4] 沒錯，就是要在加入還原劑之後要先搖一搖喔！讓他們充分反應
替他們爭取空間和時間喔！

[圖2.5] 再仔細的觀察反應得結果！

[圖2.6] 有同學已經做出來滿清楚的結果囉~

[圖2.7] 大家可以稍微看一下第二杯(中性/弱鹼性)
可能大家會問說為什麼有奇怪的東西飄在裡面，不要驚慌，那就是MnO₂

[圖2.8] 做完實驗之後，要記得觀察和討論剛剛在操作實驗時所發生的情況喔！

[圖2.9] 龐老師正在替大家回答問題，很厲害喔！都有專心在抄筆記和聽課！

在這個實驗當中，可以說的東西好多好多，不僅僅於只有氧化還原的反應，還包含了競爭反應以及解離反應等等的化學細節內容，如果同學有觀察到或是有任何疑問，請盡快找老師討論來解決你的疑惑喔！

接下來第二個實驗，是要和大家討論，關於化學的起源「煉金術」，你們相信嗎？我們可以將你手上的硬幣變成金幣，你相信嗎？希望你可以帶著半信半疑的心態一起和我們當一次煉金術師吧！體驗一下，為什麼在古老的時代，鍊金術師的威力以及令人著迷的地方！

[圖3.1] 由本世紀偉大的煉金術師~龐大師來傳授這樣的技巧！

[圖3.2] 快!!!拿出你們的銅幣!!讓我們一起變成金幣吧!!!

[圖3.3] 放進鍋爐裡面開始練金囉~

[圖3.4] 奇怪... ...怎麼是銀色...不是金色呀!??!

[圖3.5] 喔~原來還要燒一下喔!!!你看~金幣快出來了~

[圖3.6] 快!!放進水裡~金幣就出現囉~

[圖3.7] 如果你一時分心...擬就會發現....會從金幣變成........黑幣!!

呼~當完了一次的煉金術師，該會來認真地回復我們的本質「化學家」！大家可以想一下這樣的原理和化學有什麼關係呢？

沒錯！就是氧化還原反應有關係！在鍋子裡頭裡面的神祕溶液就是 "NaOH_(aq)(氫氧化鈉溶液)&Zn_(s)(鋅粉) " ，這樣一來將銅幣放進去神秘溶液中，就會因為氧化還原的因素，使得鋅粉吸附在銅幣上成為銀幣啦！化學反應式如下：

1.神秘溶液中的化學反應式：

NaOH_(aq) + Zn_(s) → Na2ZnO2_(aq) + H2_(g)

2.將銅幣放入產生金幣的化學反應式：

Zn²⁺_(aq) + Cu_(s)→Cu²⁺ +Zn_(s)

以上從銅幣變成金幣就是氧化還原的反應，那從銀幣變成金幣呢？這一個步驟就不是氧化還原反應囉！這是一個固體和固體之間的反應：合金的製作，因為在加熱的過程當中，使得銅與鋅呈現熔融狀態，形成銅鋅合金，也會因為銅鋅合金之中比例的不同，而造成顏色的不同(會感覺越來越金)，請抓準時間，將金幣放入水中降溫！就完成煉金術師的工作囉~

如果，有一位新手煉金術師，還沒學會師傅的技術就自行的操作，抓不準時間，將金幣在火焰上烤久了一點... ...後果... ...當然就是成為一枚~黑幣！也就是原本的銅氧化成氧化銅~