3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

前言

在化学实验室中,时常用到强酸和强硷,却潜藏着危险。本示範设计一部影片让大家观看,当强酸和强硷接触到皮肤时,会发生怎样的变化。此实验旨在提醒学生进入化学实验室务必戴护目镜、口罩和手套、以及穿实验衣、长裤和密闭的鞋子,避免因不慎使用而导致化学灼伤。

实验影片

请按此连结,戴红蓝眼镜,观看3D化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 3D红蓝,YouTube。

请按此连结,戴偏光眼镜,观看3D化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 3D偏光,YouTube。

请按此连结,观看2D化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境 Simulating Dangerous Situations using Strong Acids and Bases 2D影片,YouTube。

药品与器材

实验一:浓硫酸稀释

一、正确示範

二、错误示範

实验二:配製高浓度的氢氧化钠

实验三:猪皮接触到强酸和强硷

浓硫酸稀释的正确方式:浓硫酸慢慢地加入水中的实验结果,如图十四所示。浓硫酸稀释的错误方式:浓硫酸快速地倒入水中的实验结果,如图十五~十六所示。加入固体的氢氧化钠到水中的实验结果,如图十七所示。猪皮分别被滴加高浓度氢氧化钠溶液、浓硫酸、浓盐酸及浓硝酸的情形,如图十八~十九所示。以下照片的左图是2D的照片,右图是3D照片,必须戴红蓝眼镜才能观看立体效果。

实验一:浓硫酸稀释

浓硫酸稀释的正确方式:浓硫酸慢慢地加入水中,如图十四所示。从室温31℃上升温度到62℃,温度上升缓慢且不高。

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十四:浓硫酸慢慢地加入水中

浓硫酸稀释的错误方式:浓硫酸快速地倒入水中,引起沸腾而发生喷溅现象,如图十五~十六所示。从室温31℃上升温度到100℃以上,温度上升快速且很高。

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十五:浓硫酸快速地倒入水中时,引起沸腾而发生冲高现象

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十六:浓硫酸快速地倒入水中时,引起沸腾而发生喷溅现象

实验二:配製高浓度的氢氧化钠

加入固体的氢氧化钠到水中,从开始室温31℃到溶解后上升到55℃,温度上升缓慢,如图十七所示。

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十七:加入固体的氢氧化钠到水中

实验三:猪皮接触强酸和强硷

猪皮分别被滴加高浓度氢氧化钠溶液(左上方)、浓硫酸(左下方)、浓盐酸(右上方)及浓硝酸(右下方)的情形。显而易见地,高浓度氢氧化钠溶液、浓硫酸及浓硝酸侵蚀猪皮的严重程度比浓盐酸为大,以浓硫酸侵蚀猪皮最严重呈现暗棕色;浓硝酸侵蚀猪呈现黄色,如图十八所示。用自来水清水后,侵蚀的严重程度亦是明显可见,如图十九所示。

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十八:强硷和强酸侵蚀猪皮的情形(用水清洗前)

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图十九:强硷和强酸侵蚀猪皮的情形(用水清洗后)

实验一:浓硫酸稀释

在强酸稀释的步骤中,最需要注意的是浓硫酸(95-98% sulfuric acid, 18 M)的稀释。若操作浓硫酸不慎,会灼伤皮肤和眼睛。由于浓硫酸溶解在水会放出大量的热,再者浓硫酸的密度(1.84 g/ml)比水为大且两者相差甚多,当浓硫酸加入水中时,浓硫酸会在水中向下扩散,不会聚集在水面上,如此能够使浓硫酸与水混合均匀,以致放出大量的热可以均匀地散开。反之,当水加入浓硫酸中时,由于水的密度比浓硫酸为小,导致水聚集在浓硫酸的表面上而无法快速混合均匀,使得大量的热集中在一个小区域,造成水的沸腾而喷溅。
当10 mL的18 M浓硫酸加到100 mL的水中,其稀释热为–1.1 kJ;1.0 mol浓硫酸被加到100 mL的水中,其稀释热为–61.4 kJ/mol。

实验二:配製高浓度的氢氧化钠

虽然这个实验看起来不危险,但是实际上配製高浓度的氢氧化钠也必须非常小心,因为多量的固体氢氧化钠加入少量的水中,会产生刺鼻难受的异味,甚至造成水的沸腾。高浓度的氢氧化钠是强硷溶液,具有强烈的腐蚀性。在溶解过程中会放出大量的热,氢氧化钠水解蛋白质的能力很强,接触皮肤可能导致灼伤,溅入眼睛可能更严重,可导致失明。固体氢氧化钠接触手上时,手的水分会溶解氢氧化钠而在皮肤上形成强硷溶液,伤害皮肤,在取用或操作过程必须非常小心。

实验三:猪皮接触强酸和强硷

大部分学生没有机会看到强酸和强硷侵蚀皮肤的情况,本示範实验设计猪皮接触强酸和强硷,让学生观看强酸和强硷对皮肤的强腐蚀性。实验结果是高浓度氢氧化钠、浓硫酸、浓盐酸及浓硝酸都具有强腐蚀性,而且浓硫酸使皮肤灼伤变暗棕色,浓硝酸使皮肤变黄色。若皮肤不慎碰到强酸和强硷,则必须先用大量的流水沖洗15分钟,必要时送医处理。若不慎误服,则对体内器官构成不可逆的伤害,甚至致命。若眼睛不慎接触到,轻微着伤害眼角膜,严重者甚至可造成永久性失明。因此,进入实验室必须戴护目镜、口罩和手套、以及穿实验衣、长裤和密闭的鞋子。
此外,浓硝酸必须以深色玻璃瓶盛装,避免受到光照反应释出有毒的NO2。不论浓硝酸或稀硝酸都有氧化性和腐蚀性,若不慎溅到皮肤会引起严重烧伤。硝酸与蛋白质和脂肪接触进行酸水解,皮肤接触硝酸后会慢慢变黄色,最后表皮会起皮脱落(硝酸和蛋白质接触后,会导致黄蛋白反应(xanthoproteic reaction)而变性。黄蛋白反应是带有苯环的蛋白质与浓硝酸混合加热后呈现黄色的反应。以酪胺酸(tyrosine)为例,其与硝酸进行姜黄反应,如式[1]所示:

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境…………[1]

浓盐酸(发烟盐酸,fuming hydrochloric acid)会挥发出酸雾(acidic mists),盐酸本身和酸雾都会腐蚀人体组织,可能会不可逆地损伤呼吸器官、眼部、皮肤及胃肠等。盐酸与氧化剂(例如漂白剂成分次氯酸钠等)混合时,会产生有毒的氯气,这两种化学物质为常见的家用物品,必须小心使用。
图二十显示真正人的皮肤被氢氧化钠溶液、浓硫酸、浓盐酸及浓硝酸腐蚀后的情形。

3D 化学实验:模拟使用强酸和强硷的危险情境

图二十:人的皮肤被强硷和强酸腐蚀后的情形:暴露氢氧化钠溶液44小时后引起的化学烧伤(最左)、溅到98%硫酸引起皮肤表面的化学烧伤(中左)、手指被浓盐酸侵蚀引起灼伤(中右)及手指被浓硝酸侵蚀引起灼伤且皮肤变黄(最右)。
(图片来源:由左而右,http://goo.gl/5T0E6y, http://goo.gl/NPvsRu, http://goo.gl/Qgtrpp, http://goo.gl/z5WYgK)

示範过程示範者必须全程戴护目镜、口罩和手套、以及穿实验衣、长裤和密闭的鞋子。在示範过程中,必须非常谨慎小心,避免危险的意外发生。在实验过程中,喷溅的药品或溶液,必须先用弱酸或弱硷中和,再用抹布擦拭乾净。示範这个实验,教师应实行适当的风险评估。

示範后的强酸或强硷的溶液,必须先进行酸硷中和,再倒到水槽,然后用大量的流水沖掉。实验后的猪皮,必须先用大量的流水沖洗,再用弱硷进行中和,然后用流水沖洗。沖洗后的猪皮丢弃在厨余桶中。

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