電力跑去哪了?中和反應描繪的「感動V字圖」真相揭密!(氫氧化鋇與硫酸實驗)

大家好,我是科學訓練師桑子研。對我來說,每天的生活都是一場有趣的實驗!

這次要跟大家分享理科實驗中,視覺效果與數據變化都超級戲劇化的「氫氧化鋇與硫酸的中和反應」。這個實驗最酷的地方在於,它不只是單純的化學反應,你還能親眼看到溶液中的離子「漸漸消失」,直接反應在電流計指針的擺動上。

最後把數據畫成圖表,會呈現出一個線條非常完美的 V 字型曲線。這場實驗集結了科學的所有樂趣,從準備的小撇步到最後令人感動的數據結果,我都會為大家詳細拆解!

事前準備:成功的關鍵就在「上澄液」!
想做出漂亮的數據,準確的準備工作是第一步,也是確保安全的不二法門。

氫氧化鋇水溶液的調製方法

決定好實驗日期後,先在水中加入足量的氫氧化鋇充分溶解,然後安安靜靜地放個幾天。我們實驗要用的是上面那層清澈透明的上澄液。因為氫氧化鋇具有強鹼性,操作時一定要戴上護目鏡保護眼睛。另外,它很容易跟空氣中的二氧化碳反應產生白色的碳酸鋇薄膜,所以千萬不要一次做一堆囤著,每次實驗前重新準備最新鮮。記得在燒杯口封上保鮮膜保存。

份量參考(給4個班級使用):在 220mL 的水中加入約 10g 的八水合氫氧化鋇,就能做出飽和溶液。假設一班有 8 組,每組需要 5mL,總共只需 40mL,所以 4 個班級準備 160mL 就綽綽有餘了(這是多估算的量)。

左邊是剛調好的,右邊是放了大約一星期後的樣子。可以看到變透明了,上面還浮著一層薄膜。

硫酸的稀釋(這條規則絕對要背起來!)

接下來是準備硫酸。這裡有個絕對不能踩的紅線:絕對不可以把水加進濃硫酸裡!這樣會產生劇烈熱量導致液體噴濺,非常危險。請記住鐵律:一定要把濃硫酸慢慢地加進水中。

稀釋參考(給4個班級使用):在 51mL 的水中小心加入 3mL 濃硫酸,之後再稀釋 10 倍,做成總共 540mL(約 0.1mol/L)的稀硫酸。

將大約 15mL 的稀硫酸裝進試管,跟滴管放在一起,方便學生取用。另外,也要幫各組在燒杯裡裝好 5mL 的氫氧化鋇水溶液。

準備就緒,實驗正式開始!

電路配置如上圖。這裡我用了「Petit-X」微型電源裝置,非常方便,當然用一般的電源供應器也沒問題。

打開開關!設定電壓
接好電源,將電壓設定在 5V 開始通電。這時候因為溶液中有很多離子,電流會跑得很順。

電流計使用的是微型電流錶,操作簡單好上手。

每次滴入 1mL 的硫酸
重頭戲來了。每次滴入 1mL 的硫酸,並記錄下電流計的數值。

超療癒的 V 字圖表!為什麼電流會消失?
把實驗數據畫成圖,你會看到非常驚人的結果。

隨著硫酸不斷滴入,電流會持續下降,直到某個神奇的轉折點,電流會幾乎歸零!但如果繼續滴加硫酸,電流又會再度慢慢爬升。

為什麼會形成這個完美的 V 字型呢?秘密就在反應中產生的「難溶性鹽」。當氫氧化鋇遇到硫酸,會結合成不溶於水的白色沉澱物,也就是硫酸鋇。

原本在溶液中負責搬運電力的離子們,因為合體變成固體顆粒(沉澱)掉下去了,搬運工不見了,電流自然就流不動。等到過點之後繼續加硫酸,多出來的硫酸離子又開始增加,電流就再度動了起來。如果是鹽酸加氫氧化鈉,產生的食鹽(氯化鈉)會溶解在水裡,就不會出現這種現象。所以說,「難溶性」就是這個實驗能成功的靈魂所在!

實驗心得:理科的魅力就在「變化」之中
看著電流一步步趨近於零,那種過程不管看幾次都覺得超有趣。與其死背課本上的離子減少,不如親手操作,看著電流計指針停下來的那一刻,更能真實感受到:看不見的微觀世界裡,真的有事情正在發生!這是一場能同時享受視覺美感與數據邏輯的實驗。誠摯邀請大家也來親自體驗看看,藏在 V 字谷底的科學劇場!

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