2013年1月15日

科學遊戲-物性-汽水的pH值?


咦?實驗室裡面怎麼可以出現飲料?是誰這麼大膽?

以前的蘇打水製造方法是利用豬膀胱當作製造過程中的一環,現在則是感覺乾淨多了。利用加壓的方法將二氧化碳充入糖水,使氣體溶入溶液中後密封,就是汽水,又稱為碳酸飲料。低溫的汽水可以溶解更多的二氧化碳,汽水中溶入的二氧化碳越多,讓人感覺清涼的程度就越高,這是因為人們喝了碳酸飲料之後,二氧化碳氣體在體內較高溫的環境中,溶解度減小,所以會從人體內部排出,排出來的二氧化碳會帶走大量熱量,讓人覺得有消暑的暢快感覺。
遠遠的一看,加入廣用試液的汽水是橙色至黃色的
那麼,它應該是酸性的水溶液

而它正是實驗主角之一,既然自掏腰包買了一瓶500ml的廣用試液(我看有生之年都很難用完),那就趁早利用它來做一些平常不會去做的實驗吧!其中一項酸鹼鹽相關實驗正是中和滴定。平常苦口婆心跟他們說飲料不要喝太多,不論是過於刺激的或過甜的,甚至添加防腐劑的飲品入口前都要三思而後行,但這些話通常是馬耳東風。所以趁他們上到這個單元時,也剛好可以搭配生活中的物品,就讓學生親眼瞧瞧平時喜歡喝的汽水酸性到底有多強!
調配適當濃度的氫氧化鈉水溶液,並倒入滴定管中
底下放置錐形瓶或燒杯,搭配廣用試液顯示滴定過程中顏色的變化

指示劑是一些有機弱酸或有機弱鹼,在不同的酸鹼環境之中,由於電離程度不同,就會顯示不同的顏色。廣用試液可以呈現的顏色由紅、橙、黃、綠、藍、靛到紫,有多種不同顏色變化的原因是因為它本身就是種混合物,混有許多不同變色範圍的試液在裡面。對應於不同的酸鹼性,而在相對變色範圍內的試液能改變指示液的整體顏色。
滴定過程中要邊滴定邊搖晃,使試液的顏色變化能均勻且一致
但是這一小杯汽水可不是滴完一整管0.01M氫氧化鈉溶液就能結束實驗的

要達到完全中和,最重要且最基本的概念是溶液中的氫離子和氫氧根離子的數目要相等。汽水是碳酸水溶液,屬於弱酸,電離程度較低,每一組分配到100ml。實驗用的氫氧化鈉是強鹼,電離程度高,配置濃度為0.01M
為了讓顏色觀察更容易,可以在杯底壂張色差比較大的抹布或紙張
滴定過程要小心,千萬不要一下子滴太多下去
不然顏色變化太快、太急,衝過頭可是要重做的

在實驗進行前,可以讓學生練習計算,算出0.01M1LNaOH(aq)需要加入多少公克的溶質,再開始進行調配。由於讓各組自行調配滴定液,在微小質量的控制上會不好掌握,而且多配的鹼液用不完也是浪費,所以建議由老師收到正確回應後,再示範給學生看鹼液調配的步驟。
滴定到最後,理想的指示液顏色應該是綠色的(深淺和水量多寡有關)
圖中是已經學生做好的,已經中和完成,「接近」中性的溶液

最後將NaOH(aq)滴定使用掉的體積,乘上0.01M的濃度,得到OH的莫耳數。理論上,溶液中氫氧根(OH)的莫耳數應該要等於氫離子(H)的莫耳數才能稱為完全中和。既然有了H的莫耳數,也就能算出H的莫耳濃度(M),汽水的pH值也就昭然若揭。根據實驗結果,汽水的pH值約介於23之間,其實不能稱得上是弱酸。

所以藉由學生自己做出來,親眼看到的結果,可以做個機會教育,告訴他們飲用冰涼汽水要有限度,大量飲用會刺激腸胃,引起胃痙攣、腹部絞痛。此外,過量的汽水會降低胃液中的胃酸濃度,不僅減緩了消化能力,影響食慾,連帶的使殺菌作用也一併降低。過多的糖分也會加重身體(心、腎)的負擔,真的不宜過量,還是水最解渴也最好喝。
這是另一組的實驗結果
不過由於現場的光線和對比,或是螢幕色彩呈現的差異,可能會有些許差異

用廣用試紙可以嗎?當然可以,而且更快速!但是一下就知道結果,卻失去了享受中間過程的機會,我想這不是科學教師所樂見的。和純粹用廣用試紙不同的是,給予學生操作及參與的機會,讓他們知道何謂滴定?滴定終點又是什麼?實際操作過的經驗遠比一堆紙筆練習來得有用許多。由於汽水是試驗品,既然進過實驗室,那只好整瓶都犧牲掉了,身為熱血教師,我當然就勉為其難的幫大家處理掉了。

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