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)→ 2MnO_2 (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~

[圖4.1]  銀幣看起來也是閃亮動人阿~

[圖4.2]  這枚金幣怎麼只有上方有金拉~QQ

[圖4.3]  你看看~水中這枚真的是金幣喔~

[圖4.4]  恩~這枚就是黑幣啦!!!(應該還是可以更黑的~) 

以上就替大家揭開神秘的煉金術師的面紗喔~要注意!現代煉金術師是最有道德良心水準的喔~千萬別用這種硬幣拿去做壞事啊!!!

大家應該都知道為什麼會是金幣了嗎？在這裡的"金"並不是真正的"黃金"，而是"鋅銅合金"所以千萬別相信，物質會無中生有喔!!反應物當中沒有"金原子(Au)"，就不會再反應物看見"金原子(Au)"的存在！物質不滅是現在化學最常遇到的定律之一喔!

[圖5.5]  最後，由龐老師來幫大家做總結，大家依舊認真~真開心!! 

[圖5.6]  哇~下午五點夕陽灑落...加上大家認真的神情...
好像有一點感動耶!!!哈哈~大家繼續加油喔~

會發現，大家開始會問很有深度的問題囉~很棒!!!希望大家可以對於實驗的過程當中 ~

發現問題，提出問題，解決問題

2012.03.31 課程預告：不同氧化態的錳離子

過了一個星期的休息，大家有沒有忘記氧化還原的一些意義啊?!如果有的話，先去看一下課程紀錄，回復一下記憶喔！( 2012.03.17 第一次上課紀錄 氧化還原 )

相信大家對於氧化還原的簡單意義已經瞭解了，接下來，第二次的課程就會帶著大家接觸在實驗室中，常常會藉由某些物質不同氧化態時所產生的特徵不同，進一步達到檢驗的效果，也會讓大家親自體驗一下和酸鹼中和之間不同的感受。或許現在各位同學對於酸鹼中和與氧化還原之間的差別"感受力"沒有這麼的強烈，但是，經過這次實際的操作，會感受到他們之間的不同。大家可以先至連結位置閱讀一下上課的內容，熟悉實驗的操作流程，如此一來才不會在實驗當中迷失自我喔~ ( 按我見課堂講義 )

進入實驗室之前，對於會用到的藥品都必須要認識，這樣的過程可以防止一些疏忽了藥品特性而所造成的意外，也可以檢視此類藥品在反應過程中所造成的現象，也可以有利於我們的觀察。

藥品介紹：

一、過錳酸鉀 (化學式：KMnO₄ )
        強氧化劑，紫紅色晶體，可溶於水，遇乙醇即被
        還原。常用作消毒劑、水淨化劑、氧化劑、漂白
        劑、毒氣收劑、二氧化碳精製劑等。1659年被
        西方人發現。醫療上有用作清潔消毒，和用來消
        滅真菌之用。

       在酸性環境下氧化性更強，能氧化負價態的氯、
       溴、碘、硫電漿及二氧化硫等。粉末散佈於空氣
       中有強烈刺激性，可使人連打噴嚏。尿液、二氧化硫等可使其褪色。與較活潑金屬粉末
       混合後有強烈燃燒性，危險。該物質在加熱時分解成氧氣、二氧化錳、錳酸鉀
       (K2MnO₄)；在中性溶液中還原產物一般為二氧化錳。另外，該物質的溶液在鹼性環境
       下不穩定， 容易生成墨綠色的錳酸(K2MnO₄ )，加入酸又能生成過錳酸鉀。

          資料來源 : ( 維基百科 過錳酸鉀 )

二、亞硫酸鈉  (化學式：Na₂SO₃）

        是一個無機化合物。它在室溫下為白色顆粒粉末，可溶於水，具還原性，加熱時分解
        為硫化鈉和硫酸鈉，放置於空氣中時逐漸氧化為硫酸鈉。它可以以無水物、七水物和
        十水物三種形式存在，其中以無水物最不易被氧化。其水溶液因水解而呈鹼性，酸化
        時放出有毒的二氧化硫氣體。亞硫酸鈉可通過二氧化硫通入氫氧化鈉溶液中製得，當
        二氧化硫過量時，則生成亞硫酸氫鈉。

        亞硫酸鈉可用作顯影劑、乾果和肉類的防腐劑、印染工業中的脫氧劑，以及用作還原
        性的化學試劑，應用在化工和實驗室的生產與合成中。

資料來源 : ( 維基百科 亞硫酸鈉 )

對於這次重要的藥品在實驗之前，一定要進行藥品性質查詢的動作，至於比較常用或是之前實驗已經有查詢過的藥品就可以先略過，但是，如果有遺忘的部分要記得在查詢搞清楚喔！

這就是簡單的近實驗之前所必須做到的基本功夫，就像是大家玩遊戲一樣，一定要知道遊戲的性質以及主要的目的，更別忘記，最重要的是：這一次的大魔王是誰！！和進行化學實驗室沒什麼不同的！

期待與大家相見的星期六下午~別忘記要穿長褲、包鞋，攜帶實驗衣、護目鏡喔！

2012.03.17 第一次上課紀錄 氧化還原

第二學期的課程開課囉 ~ 好久不見！從寒假密集的課程期間是不是對於化學好像又有深一層的了解了呢？這學期我們即將有更不一樣的課程設計喔！相信一定可以滿足你們在寒假種下的科學種子!!請大家好好的照顧這些種子三不五時就多多閱讀一些科學的資料，灌溉一下他們吧！新加入我們的同學們也不必擔心，這些課程都會有老師先做基礎的介紹，一定會讓你們聽得懂而且收穫滿滿喔！記得，有問題一定要及時發問阿~

陰雨綿綿的一個禮拜，在我們上課的當天，終於......晴空萬里！真的是一件令人開心的事情！好久不見的同學們再次參加我們的課程，說真的有一點感動！希望在這一學期，我們也可以在化學的世界裡頭有更多的發現和樂趣！

[圖1.1]  一樣的大家要先填基本資料喔!!

[圖1.2]  要記得~以後上課第一件事情就是先簽到喔!! 

[圖1.3]  課程的一開始，一樣的要油管老師替大家介紹一下
這一次的整個流程！ 

[圖1.4]  弘道國中的劉擇憲主任，始業式一定會出現，
鼓勵同學繼續在科學的世界中嘗試！也提供了許多的資訊喔~ 

[圖1.5]  中正國中的設備組長也來替大家勉勵一下，
希望各位同學在這裡，可以有所收穫！

[圖1.6]  沒錯，連始業式也這麼認真的聽講，真的很棒喔！

接下來就要開始進入今天的課程囉！一開始我們要向大家介紹一個概念「氧化還原」，八年級的同學似乎有一點感覺了！沒錯，這一個單元在國中的理化課程是一個有趣的單元，因為，課本常常舉出很多有趣的實驗，例如：金屬的燃燒、鋅和氧化銅的燃燒、鎂帶在二氧化碳中燃燒... ...等等的例子，大家可能會發現，這些例子，都有一個共通點，那就是... ...都有「氧」參與反應，學到這裡，差不多就是國中的程度了，但是，我們想要給你的比這個還要多更多！

今天，將由郭俊偉博士帶大家認識完整的「氧化還原」概念，這裡，我們將不受限於國中理化的限制，郭博士將以一個比較正確的概念來敘述氧化還原內容，在大家認識一次氧化還原。如果是第一次接觸的同學，也不要害怕，因為，多聽幾次，放在心中，多想幾次就懂啦！

[圖2.1]  郭俊偉博士將帶我們一起討論「氧化還原」的概念喔！

大家對於氧化還原這樣的學術名詞感到很陌生，但是，它真的就在我們四周默默地發生著，甚至連我們也都在行氧化還原反應，一開始科學家對於氧化還原的概念就是和氧產生反應或是脫去的過程，和氧結合稱之為氧化反應，例如：燃燒就是一種劇烈的氧化作用；相反的，脫去氧氣即是還原反應，這樣看似完整的定義，在陸陸續續科學發現的過程當中，似乎這樣的理論就被挑戰了！這樣的概念，不能解釋某些看似氧化還原的反應，這些反應沒有涉及到氧的反應或是脫去，這一點讓科學家十分苦惱，因此，科學家對於此，修改了氧化還原的基本概念，更改為：氧化反應即是失去電子的反應，而還原反應則是得到電子的反應，這樣的結過似乎可以更滿意的解釋原本不屬於氧化還原的例子！而這樣比較完備的概念，也被現代的我們繼續利用！

[圖3.1]  看到大家都認真在上課，很棒耶!!!
第一天就如此地進入狀況!!讚喔~ 

[圖3.2]  添加了練習題，讓同學傷傷腦筋，挑戰一下自己！

[圖3.3]  哎呀~米粉三變的實驗之中，就是利用氧化還原的原理！
等等在我們的動手做實驗當中都有介紹喔~

[圖3.4]  大家真的很上軌道，看到重點立刻記錄下來，
這樣的學習真的會比較紮實喔！

在上完郭博士的課程之後，我們要進入實驗室囉~今天會有幾個簡單的實驗讓大家體會一下，氧化還原和一般的化學反應有什麼不同的地方，大家快快收拾起書包一起去實驗時吧！
第一次到實驗室，都一定要聽這一門課「實驗室安全守則」聽過的同學再聽一次可以叮嚀自己，更要注意實驗室裡的安全規則，實驗室真的是一個很危險的地方，我們可以做到硬體設備的安全控制，卻不能控制個人的因素，因此，要切記，只要我們在實驗室當中，嚴禁嬉戲！這樣才能維護我們自身的安全喔！

[圖4.1]  大家熟悉的龐老師，也是這次的老師之一喔！ 

[圖4.2]  大家都很認真地在聽老師說實驗室的安全規則！   

[圖4.3]  龎老師在介紹洗眼器的實驗方式，看起來大家都滿喜歡洗眼器的！
但是，只有真的受傷了才可以使用喔!!!

在介紹完實驗室的安全配備之後，接下來就要開始讓同學自己動手做實驗啦！這次的實驗都以碘為主，碘的氧化會有很有趣，大家可以在這幾個趣味的科學實驗享受一下氧化還原的感覺吧！

[圖5.1]  龐老師和大家介紹這一個實驗，從家裡的保健箱中就可以做實驗了！ 

[圖5.2]  再加上著個玻璃杯就有有趣的實驗可以來玩看看喔！

[圖5.3]  大家要注意，雖然觀察到現象很簡單，也是要去注意內容知識喔！

 當大家發出驚呼聲的時候，也是就是代表你們已經觀察到了現象，並且產生了好奇心，開始有想要追尋答案的動機了！很好！就是要這樣子，才能讓繼己更進步！

[圖5.4]  看著大家認真的表情，相信老師一定覺得上起課來十分有成就感！ 

[圖5.5]  你看老師臉上露出滿意的笑容了吧！

接下來第二個實驗，上過課的同學都會是認為要再做一次神奇的七個杯子，沒錯！我們就是要再做一次神奇的七個杯子！不過，我們這是已經換湯又換藥了！寒假的神奇的七個杯子(按我見參考資料一)(按我見參考資料二)是利用酸鹼中和的原理造成的，但是，我們這次的神奇的七個杯子是利用「氧化還原」的原理做造成的喔！不要只看到七個杯子就說是依樣喔~我們可以又再學到一項新的知識囉！

這次我們就由同學們來操作一段"神奇的七個杯子~氧化還原版"

這裡是用到上一節課郭博士說的"神奇米粉三變"的原理，當碘分子遇到鹼性的情形下會自身氧化還原成為碘離子和碘酸根離子，兩者皆為無色。也藉由當碘碰到澱粉時會產生藍紫色(檢驗澱粉的方式)，以及酚酞在鹼性的條件之下會呈現粉紅色的性質，以玩這個神奇的杯子，是不是比寒假的還要複雜一點點呢？
                         3I₂ + 6OH^-  ⇄  5I^-  +  IO₃^- + 3H₂O 
                          （黃褐色）          （無色） （無色）

上面就是此反應的化學方程式，若是在酸性的條件下，則是會呈現逆反應的方向活動，也就是當碘離子加入酸時，會生成碘分子，呈現黃褐色。(按我參見參考資料三)

感覺上這一次大家都必前幾次還要積極，不管是在問問題方面或是寫筆記方面都有很大的不同，這就是屬於你們的成長，請繼續保持下去啊~讓每次的自己都有所成長~別忘記了！下次上課，直接到E301見面喔!!要帶實驗衣、護目鏡還有一顆誠摯的心喔！有問題的話就在下面提出來吧！我們會盡力的幫大家回答的！

最後，附贈此次實驗技巧媲美龐大師的優秀學生們影片~

很棒吧!!!大家幫他們拍拍手!!!讚啦~

弘道國中100學年度第2學期奧林匹亞化學實驗課程開始招生囉!

深受同學們喜歡的奧林匹亞化學實驗課程即將在100學年度第2學期隆重登場，此次的課程與寒假課程並無重複，歡迎對化學理論與趣味科學實驗有興趣的同學們踴躍參加，請在101年3月5日(一)之前完成報名，101年3月7日(三)14：00之後會在教務處網站(http://htedu.blogspot.com)公告錄取名單。依往例我們會在上課之前找一個晚上進行課程說明會，屆時歡迎報名本課程的家長與同學前來參加。如有相關問題，請洽教務處劉擇憲主任，電話23715520轉200。

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