Facebook
設計適合國小學生動手做的化學實驗:
國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究
老嘉琪
國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班
暑假期間,筆者無意間在電視上看到有關玉米漿的新聞,覺得相當新奇有趣,上網查了有關玉米漿的資料,發現玉米漿在特定比例時,居然有輕功水上飄的功用,因此我們想帶著學生更深入研究它的特性。五年級康軒版第五冊第三單元「水溶液」曾介紹水溶液的酸鹼性質的特性,因此我們想利用不同的酸鹼溶劑、不同的濃度,嘗試分析玉米漿的擴溶現象情形。網路提到玉米漿的最佳比例為玉米粉和水是4:3,因此想帶學生探究玉米粉和水的比例為3:2、7:5及4:3時,其中溶劑改用酸性、中性與鹼性水溶液,而溶劑濃度分別在1%、3%、5%、7%及9%時,玉米粉的擴溶情形是否相同?
n 擴溶現象是什麼?
擴溶現象(非牛頓流體):過飽和玉米粉水溶液中的分子,受到外來強大力量時,會緊密地排列,抵擋外力,有類似固體(圖一)的效果;若外力一旦解除,或遇到緩慢的力時,分子則呈現鬆散的狀態,有類似液體(圖二)的效果。
n 研究設備及器材
一、澱粉:玉米澱粉。
二、藥品:純水、砂糖、食鹽、小蘇打粉、石灰水、檸檬酸、冰醋酸。
三、設備:電子秤、手機、相機、攜帶型pH計。
四、器材:燒杯、玻棒、量筒、小湯匙、滴管、抹布、衛生紙、橡皮筋、透明膠帶、乳膠檢驗手套。
圖1 實驗器材照片 |
n 實驗過程
【實驗一】不同濃度下,玉米粉在酸性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取檸檬酸,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的酸性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼性。
檸檬酸(ml) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的檸檬酸各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)將檸檬酸改成冰醋酸,重複步驟(一)至步驟(四)。
結果:
(一)酸性水溶液之pH值
1.檸檬酸
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
2.8 |
2.4 |
2.1 |
1.9 |
1.7 |
2.冰醋酸
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
3.0 |
2.5 |
2.5 |
2.3 |
2.2 |
(二)玉米粉在酸性水溶液中之情形
1. 玉米粉:檸檬酸
檸檬酸濃度 玉米粉:檸檬酸 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
™ |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
™ |
™ |
Í |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:檸檬酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在檸檬酸水溶液中之情形 |
2. 玉米粉:冰醋酸
冰醋酸濃度 玉米粉:冰醋酸 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
™ |
™ |
Í |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
r |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:冰醋酸水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在冰醋酸水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的檸檬酸水溶液之酸鹼值:1%>3%>5%>7%>9%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的冰醋酸水溶液之酸鹼值:1%>3%=5%>7%>9%。
(三)酸性水溶液的濃度越高,其酸鹼值越小,表示越酸。
(四)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,受濃度之影響。溶劑濃度較低者,玉米漿越容易形成擴溶現象;溶劑濃度較高者,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
【實驗二】不同濃度下,玉米粉在中性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取砂糖,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的中性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼度。
砂糖(g) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的砂糖水各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)重複步驟(一)至步驟(四),將砂糖改成食鹽。
不同濃度的食鹽水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液 |
不同濃度的砂糖水溶液與與玉米粉 |
用電子秤量取玉米粉 |
測試酸鹼性 |
|
圖3 學生進行實驗二的過程 |
結果:
(一)中性水溶液之pH值
1.砂糖水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.5 |
7.3 |
7.0 |
7.4 |
7.5 |
2.食鹽水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.3 |
7.2 |
7.2 |
7.1 |
7.2 |
(二)玉米粉在中性水溶液中之情形
1.玉米粉:砂糖水
砂糖水濃度 玉米粉:砂糖水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:砂糖水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在砂糖水溶液中之情形 |
2.玉米粉:食鹽水
食鹽水濃度 玉米粉:食鹽水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:食鹽水水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在食鹽水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的糖水水溶液之酸鹼值:1%=9%>7%>3%>5%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的食鹽水水溶液之酸鹼值:1%>3%=5%=9%>7%。
(三)中性水溶液的酸鹼值呈現無規律性,表示不受濃度的影響。
(四)玉米粉在糖水及食鹽水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在中性水溶液時,不受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
【實驗三】不同濃度下,玉米粉在鹼性水溶液
方法:
(一)用電子秤取42g的玉米粉十五次,分別置入十五個量杯中。
(二)取小蘇打粉,調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的鹼性水溶液,並以pH檢測器確認其酸鹼度。
小蘇打粉(g) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
純水(ml) |
99 |
97 |
95 |
93 |
91 |
濃度(%) |
1 |
3 |
5 |
7 |
9 |
(三)在步驟(一)的量杯中分別加入步驟(二)1~9%的小蘇打水各是28ml、30ml及31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:
組別 |
一 |
二 |
三 |
玉米粉(g) |
42 |
42 |
42 |
溶劑(ml) |
28 |
30 |
31.5 |
粉與水重量比 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
(四)觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。
(五)重複步驟(一)至步驟(四),將小蘇打粉改成石灰水。
不同濃度的小蘇打水溶液 |
量取小蘇打粉 |
測量水溶液的酸鹼性 |
調配不同濃度的石灰水溶液 |
不同濃度的石灰水溶液 |
|
圖4 學生進行實驗三過程 |
結果:
(一)鹼性水溶液之pH值
1.小蘇打水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
7.3 |
7.5 |
7.5 |
7.7 |
7.8 |
2.石灰水
|
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
pH值 |
9.9 |
10.7 |
11.2 |
11.4 |
11.9 |
(二)玉米粉在鹼性水溶液中之情形
1. 玉米粉:小蘇打水
小蘇打水濃度 玉米粉:小蘇打水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
Í |
Í |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
r |
r |
r |
r |
r |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:小蘇打水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在小蘇打水溶液中之情形 |
2. 玉米粉:石灰水
石灰水濃度 玉米粉:石灰水 |
1% |
3% |
5% |
7% |
9% |
3:2 |
™ |
™ |
Í |
Í |
Í |
7:5 |
™ |
™ |
r |
r |
Í |
4:3 |
™ |
™ |
™ |
™ |
Í |
Í粉狀r半粉半漿™漿狀 |
玉米粉:石灰水溶液 |
3:2 |
7:5 |
4:3 |
玉米粉在石灰水溶液中之情形 |
發現與討論:
(一)濃度1%、3%、5%、7%、9%的小蘇打水溶液之酸鹼值:9%>7%>5%>3%>1%。
(二)濃度1%、3%、5%、7%、9%的石灰水溶液之酸鹼值:9%>7%>5%>3%=1%。
(三)鹼性水溶液的濃度越高,其酸鹼值越大,表示越鹼。
(四)小蘇打水溶液較少時,玉米漿無法形成擴溶現象;小蘇打水溶液較多時,玉米漿越容易形成擴溶現象。
(五)玉米粉在小蘇打水溶液時,不會受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
(六)石灰水溶液較少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象;石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(七)玉米粉在石灰水溶液時,受到濃度之影響。石灰水濃度越低,玉米漿越容易形成擴溶現象;石灰水濃度越高,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(八)澱粉對鹼的抵抗力強,不易被分解(繼光清1988)。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中,不易形成擴溶現象。
n 結語
一、不同濃度下,玉米粉在酸性水溶液
(一)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時,受濃度之影響。溶劑濃度較低者,玉米漿越容易形成擴溶現象;溶劑濃度較高者,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(三)澱粉顆粒結構含有不定型區(amorphous region)和結晶區(crystalline region)。澱粉顆粒經酸水解作用會先從結構鬆散處水解,並且進入澱粉顆粒的中心,水解其不定型區,導致澱粉結晶顆粒結構不穩,最後破壞成小片段,使分子量變小;另一方面剩餘的小片段則為較不易被酸水解的結晶區,其結晶強度、熱穩定性和抗解澱粉含量皆會增加(張亙翔2012)。
二、不同濃度下,玉米粉在中性水溶液
(一)玉米粉在糖水及食鹽水溶液時,溶劑越少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象,溶劑較
多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在中性水溶液時,不受到濃度之影響。
三、不同濃度下,玉米粉在鹼性水溶液
(一)小蘇打水溶液較少時,玉米漿無法形成擴溶現象;小蘇打水溶液較多時,玉米漿越容易形成擴溶現象。
(二)玉米粉在小蘇打水溶液時,不會受到濃度之影響,但與溶劑的量有很大的關聯性。
(三)石灰水溶液較少時,玉米漿越不容易形成擴溶現象;石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。
(四)玉米粉在石灰水溶液時,受到濃度之影響。石灰水濃度越低,玉米漿越容易形成擴溶現象;石灰水濃度越高,玉米漿越不容易形成擴溶現象。
(五)澱粉對鹼的抵抗力強,不易被分解(繼光清1988)。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中,有的可形成擴溶現象,有的卻無法形成擴溶現象。
n 心得感想
第一次帶學生進行科學探究活動,很多事情都懵懵懂懂、跌跌撞撞的,好在同事間願意互相幫忙,才能讓整個過程都相當順利。經過這次經驗,我學到帶領學生進行科學探究的第一步是引起孩子們的「動機」和「好奇心」,有了這兩樣法寶,才能帶領孩子熬過一些枯燥的計算,還有找資料、整理數據及繪製表格的艱辛過程。因此身為老師的我的任務即是不斷地激發孩子們的動機,時時鼓勵他們可以有一些天馬行空的想法(大膽假設),再按照某些原理原則去設計實驗尋求答案(小心求證)。有了這次愉快的經驗,我想下次若有機會,我會大聲的說;「科學探究我來囉!~」
n 謝誌
感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論(一)的周金城教授及全體同學協助,提供本文架構調整與內文修正之意見。
n 參考資料
一、繼光清(1988/06/22)。食品化學。財團法人徐氏基金會科學圖書大庫。
二、陳淑華(2001/11)。食物學原理。華香園出版社。
三、陳偉民、林金昇、江彥雄(2004)。3D理化遊樂場Ⅱ。天下文化書坊。
四、鍾逢彧。作品名稱:「泡膜」雲起「膜」登寶「澱」—澱粉起泡、成膜性質的探討及應用,新北市102學年度中小學科學展覽成果專輯。
五、莊雅雯、古明萱(2007)。葛鬱金與澱粉作物的澱粉性質比較。作物、環境與生物資訊4:77-87。
取自http://web.tari.gov.tw/csam/CEB/member/publication/4%281%29/008.pdf
六、趙瑩珊。非牛頓流體的奧妙。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111422421588.pdf
七、蕭子平、林彥宏、林展諒。非牛頓也瘋狂。
取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2013/11/2013111220080915.pdf
八、芶芡。科技部–科技大觀園。
http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Audio/C/2/10/1/535.htm
十、木薯粉。有健康網。
http://www.uuuwell.com/mytag.php?id=52442
十一、科學不一樣,「非牛頓流體」暫時固體記憶效應,TVBS新聞。
http://news.tvbs.com.tw/entry/542572
十二、黃芊惠、黃欣怡、黃暐家、陳宥瑾、蔡岳霖(2011)。作品名稱:遇強則強的玉米漿。科展群傑廳,臺灣網路科教館。http://www.ntsec.edu.tw/index.aspx
十三、張進宏、何儼存、楊弋潔、孫欣瑜、葉子揚(2011)。作品名稱:『澱』力公司—探討常見澱粉溶液的阻力」。金門地區第51屆科展。
取自http://passport.tc.edu.tw/contest/file/99_kinmen/a101/a101_00310.pdf
十四、張亙翔(2012)。碩士班專題討論:酸水解對澱粉物化性質的影響
十五、康軒版自然與生活科技五上第三單元「水溶液」。
十六、康軒版自然與生活科技五下第四單元「聲音」。