自然界物質的變化,大體上分為物理及化學變化,化學變化前後,物質的本質會改變,而物理變化則物質本質維持不變。 不管物理或化學變化,都會伴隨著能量的轉移,像燈泡發光是物理變化,而蠟燭燃燒、酒精燈燃燒發光屬於化學變化,關鍵在於燈泡發光未涉及到本質改變,而蠟燭或酒精在燃燒過程中,本質發生變化,產生了新的物質。 一般同學比較困惑的是螢火蟲發光,到底屬於物理變化,還是化學變化?答案是:化學變化。要了解其緣故,還是得從螢火蟲的發光原理去深入探討。 螢火蟲 發光反應的反應式如下所示:螢光素 能在 螢光素酶 和 鎂離子 的催化下,消耗 ATP (三磷酸腺苷),並與 氧氣 發生反應,產生激發態的氧化螢光素、焦磷酸(PPi)、二氧化碳 。當激發態的 氧化螢光素 回到基態時,會釋放光子,發出黃綠色的瑩光。 發光反應的產物-氧化螢光素,在 ATP 提供能量的情況下,又會還原成 螢光素,使得發光過程得以周而復始。
反應中釋放的能量幾乎全部以光的形式釋放,只有極少部分以熱的形式釋放,發光效率約為 95%,螢火蟲也因此不會因過熱而灼傷自己。 人類到目前為止還沒辦法製造出如此高效的光源,當人類面臨資源潰乏及能源短缺的今日,如何更有效率的進行能量轉換,避免能量的耗損,恐怕還得向螢火蟲好好學習。 目前國二理化進度為[酸鹼鹽],介紹濃硫酸的性質時,會特別提到其獨特的脫水性。為讓同學對濃硫酸脫水性有所了解,仍利用實驗課-酸鹼滴定的空檔時間,進行濃硫酸將蔗糖脫水成黑炭的示範實驗。強烈的視覺效果,相信會讓觀看的同學對濃硫酸的脫水性,留下極為深刻的印象。
濃硫酸的脫水性,主要來自硫酸分子中氧原子與水分子可形成極強氫鍵,當硫酸與有機物反應時,會按水分中氫、氧原子數2:1的比例,奪取有機化合物中的氫及氧原子,形成更穩定的水合物,同時釋放出高熱。 碳水化合物(醣類)經濃硫酸脫水後,會形成黑炭。 本實驗利用濃硫酸將蔗糖脫水成黑炭,過程中可觀測到蔗糖由白,變黃、變褐、變黑,同時黑炭體積不斷膨脹、向上伸展,伴隨著冒煙發熱等劇烈變化。這其中牽涉到下列兩個反應: 硫酸的脫水作用: C12H22O11 → 12 C + 11 H2O + 熱 硫酸的氧化作用: C + 2 H2SO4 → CO2 + 2 SO2 + 2 H2O 脫水後產生的碳,部份被硫酸氧化生成CO2,硫酸本身則還原成SO2,還有反應釋放的高熱,會使水分蒸發,由於這些氣體的作用,使脫水後生成的固態碳,體積迅速膨脹、且呈疏鬆多孔狀。 黑夜中的熊熊火焰,總讓人陷入遐思、充滿無窮的想像。火是光、是熱、是能量、是化學變化。學會使用火,是人類進入文明的關鍵大事。 對於火,人類從愚眛無知,到推出似是而非的[燃素說],到拉瓦節提倡正確的[氧化理論],歷經了好幾千年的漫長歲月。 科學界對燃燒現象,目前已完全透徹明瞭,對於火,不再感到神秘莫測了。這其中牽涉到氧化還原反應、牽涉到原子重新排列組合、牽涉到電子的轉移,牽涉到能階的改變,能量的釋放。 直升班最後兩堂化學課,帶領學生進入實驗室,探討有關燃燒的現象。學習實驗器材組裝,操作如何以排水集氣法收集純氧。了解物質燃燒與氧之間的結合關係。同時示範吸睛的煙火秀實驗,在熊熊火焰中,感受微觀世界中,原子重組、電子跳躍、光波振盪的科學之美。 國二學生來問我有關科展的題材,剛好理化進度教到氧化還原反應,就介紹他們去研究銅金屬樹的生長情形。
實驗方法是將濾紙置於培養皿,加入適量的硫酸銅溶液,再於濾紙中央放上一塊鋅片,就會慢慢長出銅金屬樹來。 反應如下: 鋅 + 銅離子 → 鋅離子 + 銅 指導學生操縱不同的變因,去探討金屬樹的生長差異。實驗結果顯示:鋅片的面積大小、硫酸銅的濃度、溶液的酸鹼性,都會影響到金屬樹的生長。 硫酸銅濃度愈大、鋅片面積愈大,都可加快銅金屬樹的生長。至於改變溶液的酸鹼度,發現對金屬樹的生長影響極為不同。在鹼性的硫酸銅溶液中,銅金屬樹的生長極為緩慢,且長出的金屬樹不好看。而酸性的硫酸銅中生長的銅金屬樹,速度快,且形狀漂亮、色澤鮮艷。乍看之下,還有點像海底中美麗的珊瑚礁呢! |