MAGICHEM魔幻化境 化学实验幕后特辑

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1. 酸硷变色
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酸硷指示剂通常是有机染料,本身即为弱酸或弱硷,可用来测试pH值,当滴入溶液时酸硷指示剂会与氢离子或氢氧离子反应,转变成相­对应的酸式或硷式,而呈现不同的颜色。因此当溶液的pH值改变时,可观察到颜色的变化。基于各种酸硷指示剂所呈现的不同颜色,可­以製造出有如彩虹般的实验效果。

2. 魔沙

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魔沙因为表面具有疏水性物质,所以不沾水,在水中会聚集成条状或块状,一旦离开水面又会变成乾的鬆散状。市面上有魔沙套组的魔术­道具,通常搭配水变色的手法一起表演。在水变色的部分,我们採用澱粉、碘液与维生素C的反应,以便定量及调整手法。碘液与澱粉结合通常会呈现深蓝色,然而一般用的澱粉包含直链澱粉与支链澱粉,前者与碘液会变蓝,后者与碘液会变紫色或紫红色,所­以深蓝色是上面两者的混和颜色。维生素C为一水溶性维生素,是强还原剂,本实验以维生素C将碘分子还原成碘离子,进而改变溶液颜色。

3.无中生火+小心火烛
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过锰酸钾 (KMnO4) 为一强氧化剂,常温下即可与有机物反应。当过锰酸钾接触到甘油 (C3H5(OH)3) 时会产生激烈的氧化还原反应,放出大量的热,使得甘油汽化成气态后,与空气中及产物之一的水蒸气结合,形成白色烟雾,当反应继续发生,更多的热量使甘油起火燃烧,进而使卫­生纸燃烧产生火光。
二氧化碳 (CO2) 常压下为无色无臭、不助燃也不可燃的气体,重量比空气重,所以可应用在灭火方面。一般实验室中以碳酸盐加酸製备二氧化碳,例如以碳酸钙与稀盐酸反应,并以向上排空气法收集­,其化学反应式为:CaCO3 + 2HCl → CaCl2 + CO2↑ + H2O。此外,二氧化碳的固体状态为乾冰,在室温下会直接昇华为气体。本实验打算以二氧化碳无色无臭的特性,魔术般地浇熄燃烧中的烛火。

4.焰色喷雾
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焰色试验为当金属原子受热时,其电子会被激发到较高能量的激发态,当此激发态的电子由外层跃迁回内层时,多余的能量若是以可见光的形态释放,即为我们看到的可见光光谱。不­同金属原子会发出其独特的光谱,落在可见光範围的部分即是肉眼可看到的颜色。本实验将金属化合物溶于液体形成金属离子溶液,喷在火源上会形成彩色火团,其焰色效果与直接将­金属燃烧有些微的不同。

5.液氮爆发
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液态氮为氮气在极低温下形成的液体型态,温度低于 -196 ℃,在室温下会迅速挥发成气体。本实验将热水迅速倒入液态氮中,产生大量氮气与水蒸气形成爆炸般的效果。

6.彩色摇瓶
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此为常见的蓝瓶红瓶反应。亚甲基蓝 (methylene blue) 与刃天青 (resazurin) 可用做化学指示剂,两者在还原态时皆为无色,在氧化态时,前者呈蓝色为蓝瓶实验,后者呈红色为红瓶实验,因此可製造出色彩变化的效果。在硷性状态下,溶液静置时,作为还原­剂角色的葡萄糖 (glucose) 会将亚甲基蓝由蓝色的氧化态慢慢还原成无色的还原态,摇晃溶液使空气中的氧溶于溶液中,亚甲基蓝会被氧化而由无色的还原态变成蓝色的氧化态,此一反应可重覆进行数次。

7.瓶中精灵MAGICHEM魔幻化境 化学实验幕后特辑

过氧化氢 (H2O2,俗称双氧水) 的催化分解反应,产生氧气、水蒸气、及大量的热。过氧化氢在常态下分解速率不快,但若加入二氧化锰 (MnO2)、碘化钾 (KI) 等催化剂后瓶内立即发生剧烈作用,产生大量氧气与烟雾般水气。此催化反应为:2H2O2(aq) → O2(g) + 2H2O(g) + heat。除了上述两种化学药品,一般酵母粉或红萝蔔亦可催化过氧化氢的分解,但反应较不激烈且速率慢。

8.振荡反应
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振荡反应 (Oscillating reactions) 是W. C. Bray于1921年所发现的,又称「B-R反应 (Briggs-Rauscher reaction)」,为複杂的氧化还原反应,总反应式如下:
IO3− + 2H2O2 + CH2(COOH)2 + H+ → ICH(COOH)2 + 2O2 + 3H2O
在整个反应体系中,锰离子为催化剂,所形成的碘猛错离子呈现淡的黄棕色,而双氧水为氧化剂,将碘离子氧化成碘分子,其与澱粉作用而呈现蓝色。反应因为左右两边反应物浓度的­削减与增加,而呈现来回振荡的变色现象。

9.美的冒泡
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酸硷指示剂通常是有机染料,本身即为弱酸或弱硷,可用来测试pH值,当滴入溶液时酸硷指示剂会与氢离子或氢氧离子反应,转变成相对应的酸式或硷式,而呈现不同的颜色。因此­当溶液的pH值改变时,可观察到颜色的变化。基于各种酸硷指示剂所呈现的不同颜色,可以製造出有如彩虹般的实验效果。
乾冰为二氧化碳的固体形态,室温下会挥发为二氧化碳气体,在水中会加速挥发,并产生气泡与白烟。当加入酸硷指示剂的硷性溶液遇上乾冰,除了有冉冉白烟的视觉效果,逐渐变成­酸性的溶液也使得颜色有所改变。

10.红绿灯
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靛胭脂 (indigo carmine) 为一种蓝色染料,但在硷性环境 (pH=13) 下会变黄色。所以在硷性溶液中,空气中的氧使其氧化,形成绿色的氧化态。溶液中的葡萄糖为还原剂,会先将靛胭脂还原成红色的中间产物,再还原成黄色的氧化态。因为有绿、红­、黄三种颜色变化,所以称此实验为红绿灯。

11.甲烷泡泡
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甲烷无色无味,为一极度易燃气体,是天然气的主要成分,燃烧 (氧化反应) 会产生二氧化碳与水。由于甲烷在室温下易燃,因此操作者需确实做好防护措施,才可在手上进行燃烧甲烷泡泡的实验。

12.焰色瓶
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焰色试验为当金属原子受热时,其电子会被激发到较高能量的激发态,当此激发态的电子由外层跃迁回内层时,多余的能量若是以可见光的形态释放,即为我们看到的可见光光谱。不­同金属原子会发出其独特的光谱,落在可见光範围的部分即是肉眼可看到的颜色。本实验将常见的几种金属化合物进行燃烧,希望能看到炫丽的彩色火光。

*以上实验的实验原理以及表演方式详细文字步骤,欢迎打包MAGICHEM魔幻化境 化学实验幕后特辑带回!! (下载pdf)

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