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疑難問題集錦之二:
基礎科學教學研習會的幾個疑難問題
施建輝
國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
[email protected]
自2003年思源科技教育基金會主辦第一屆高中數學暨自然科學教學研習會,到2014年改由交通大學校友會主辦的高中自然科學教學研習會,迄今已舉辦14屆,此一研習會廣受高中職自然科教師的歡迎。研習會上午主要內容是「專題講座」,下午則是分科研習。分科研習分成兩時段,第一時段為「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」,第二時段為「教學疑難問題的Q&A」。第一時段的「教案觀摩」或「創意實驗分享與實作」,邀請研發教師帶領參與教師們分享其教學經驗或研發的實驗,以增進教師的教學知能。第二時段的「教學疑難問題的Q&A」則是由參加研習的教師們事先提出教學上的疑難問題,再由主持分科研習的教師邀請資深教師答覆。本專欄名稱為「高中化學教學疑難問題與解題」,本人負責此專欄,常常負責回答教師疑難問題的「資深」化學教師之一,本人也邀請過其他資深教師撰寫有關回答教學疑難問題。在這篇文章中,本人將重新回答曾經回答過但答覆內容仍有一些疑慮的幾個問題,並在此篇文章中提出本人個人的看法。本人的看法可能會與之前答覆問題的教師見解有所不同,不過本人認為正確的答覆才是最重要的。借用龍應台女士所著的書:「請用文明來說服本人」,本人的見解若是有誤謬之處,本人也希望有教師指正,「請用真理來說服本人」,讓包括本人和其他存有疑慮的教師們解惑。此篇文章要提出的疑難問題如下:
一、 鑽石是否具有導電性?
二、 氫氧化銨(NH4OH)是否存在?
三、 臭氧(O3)變成氧氣(O2)是否為氧化還原反應?
n 疑難問題一:鑽石是否具有導電性?
在某一次教師研習會上,一位資深的化學教師提出一個觀點:「不要以為鑽石是絕緣體,不導電」,這位教師給了一些物質的導電度的數據(見表1),表1下方1~3為數據說明(此處僅列出其提供的部分資料)。從表一的資料來看,導電率相對比值,石墨:鑽石:食鹽水=16000:4000:1,所以這位教師強調「石墨是導體沒有問題,但是鑽石的導電性比1 M的食鹽水好,怎可將鑽石說成絕緣體!」,看起來似乎言之有理。
表1:三種物質的導電率比較-I
物質 |
石墨 |
鑽石 |
1 M食鹽水 |
導電率(mho/cm) |
1.3×103 |
2.9×102 |
0.08 |
相對比(概略值) |
16000 |
4000 |
1 |
然而,本人對鑽石具有導電性的說法是頗有疑惑的。本人先來看看石墨的結構,如圖1左所示,每個碳原子與鄰近的三個碳原子以共價鍵結合,剩餘的1個價電子,則與另一個碳原子的1個價電子形成π鍵,這2個π電子是未定域化的(delocalized),也就是說這些未定域化的π電子在石墨的每一個層面上是可以移動的,這就是石墨能導電的原因。接著看鑽石的結構,如圖1右所示,每個碳原子與鄰近的四個碳原子以共價鍵結合,形成立體結構,由於要破壞碳碳之間的共價鍵甚難,因此鑽石是目前所知物質中硬度最大的。由於每個碳原子的4個價電子都已與另外四個碳原子形成共價鍵,已經不再有未定域化的電子,因此本人認為鑽石不可能具有導電性,或直接說,本人認為鑽石應該視為絕緣體。
圖1:石墨(左)與鑽石(右)的結構式
(圖片來源:http://goo.gl/rYKlcA(左),http://goo.gl/0w9cNx(右))
為了支持這種說法,本人收集了各種資料,並製作與該位教師提供的類似表格(見表2)。
表2:三種物質的導電率比較-II
物質 |
石墨[1] |
鑽石[2] |
1 M食鹽水 |
導電率(mho/cm) |
2.0 × 103 ~ 3.0 × 103 |
10−13 ~ 10−16 |
0.08 |
相對比(概略值) |
25000 ~ 37500 |
1.25 × 10−12 ~ 1.25 × 10−15 |
1 |
本人查到的資料中,石墨和表1相去不遠,但是鑽石就出現極大的差異。在表1中,導電率相對比值,鑽石:食鹽水=4000:1,但在表2中,導電率相對比值則為鑽石:食鹽水=(1.25×10−12~1.25×10−15):1,比起1 M的食鹽水,鑽石的導電率低了十幾個數量級,依此結果,鑽石絕稱不上是導體,謂之為絕緣體亦不為過。
n 疑難問題二:氫氧化銨是否存在?
早期的化學課本對氨水呈鹼性的描述,都是說氨氣(NH3)溶於水(H2O)生成氫氧化銨(NH4OH),氫氧化銨再解離成銨根(NH4+)與氫氧根(OH−),其化學反應如式[1]和[1]所示:
NH3(g) + H2O(l) → NH4OH(aq) [1]
NH4OH(aq) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq) [2]
後來的化學課本不再出現氫氧化銨(NH4OH)這個名稱,也不再出現NH4OH這個化學式,但是仍有教師習慣在教到氨水時,向學生說出早期的敘述方式。在研習會上就有教師提問:「氫氧化銨是否存在?」這個疑問,也有教師支持這個早期的說法。相同地,本人還是存在疑慮,希望能釐清「氫氧化銨是否存在?」這個疑問。
本人查閱多本化學書籍,列舉各種說法,如下所述:
1. 諾貝爾化學獎得主鮑林(Linus Pauling)在其撰寫的General Chemistry[3] 中提到以氫氧化銨(NH4OH)來說明氨水是弱鹼。
2. 中國大陸普通高等教育〝十一五〞國家級教材之《無機元素化學》[4] 的敘述如下:「NH3為極性分子,在水中溶解度極大,NH3在水中形成NH4+和OH−,使呈鹼性(Kb = 1.75×10−5)。」、「銨鹽和鹼金屬鹽(NH4+與M+),它們陽離子電荷相同,半徑相近(rNH4+ = 148 pm,rK+ = 133 pm,rRb+ = 148 pm),在性質上有許多相似之處(如晶體結構、溶解度)。」
3. 中國大陸《高中理科學習解疑叢書之化學學習解疑》[5]一書,則有一個單元是「為什麼氨水的主要成份可表示為NH3‧H2O,而不能寫成NH4OH?」。主要論點有二,
(1) 「人們還從來沒有檢測到這種弱電解質在水溶液中存在」;
(2) 「大量實驗證明NH4+的性質極像K+,人們無法解釋KOH是一強鹼,而NH4OH卻是一種弱鹼」。
4. Inorganic Chemistry[6] (Nils Wiberg etc.): “Undissociated (NH4)OH does not exist; it is a strong base and exists only in the completely dissociated state. Ammonia, which is almost completely undissociated in aqueous solution, is present as a hydrate (NH3‧nH2O).”
根據以上資料,本人比較認同2~4項這三個論點。鮑林的描述是一種早期的表示法,與本文前面呈現之化學反應式[1]和[2]相同。然而,2~3項這二個論點的資料表示,銨根(NH4+)所帶電荷與陽離子半徑皆與銣離子(Rb+)相近,氫氧化銣(RbOH)是強鹼,在水中幾乎百分之百解離,若氫氧化銨(NH4OH)真的存在,那它也應該是幾乎百分之百解離且呈現強鹼的特性,這與氨水是弱鹼的事實不符。再從另一個觀點來看,因為氫氧化銨(NH4OH)在水中是百分之百解離,所以在水中存在的是銨根(NH4+)與氫氧根(OH−)。若想分離出氫氧化銨(NH4OH)這個化合物,必須加熱趕走水,但是加熱時,氨氣(NH3)將從水中逸出,也就不再存在氫氧化銨(NH4OH),結果是氫氧化銨(NH4OH)無法在水中偵測到其存在的證據,也無法單獨分離出此化合物,所以無法支持氨氣(NH3)溶於水(H2O)生成氫氧化銨(NH4OH)的說法。Nils Wiberg等人撰寫的Inorganic Chemistry告訴我們未解離的氨(NH3)在水中是以水合物NH3‧nH2O存在。根據以上敘述,本人建議教師們捨棄氨氣(NH3)溶於水(H2O)生成氫氧化銨(NH4OH),氫氧化銨(NH4OH)再部分解離生成銨根(NH4+)與氫氧根(OH−)的說法。對於氨水解離,建議使用目前教科書常見的表示法,如式[3]所示:
NH3(g) + H2O(l) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq) [3]
中國大陸的化學書籍則是以式[3]表示,供教師們參考。
NH3‧H2O (aq) ⇌ NH4+(aq) + OH−(aq) [4]
n 疑難問題三:臭氧(O3)變成氧(O2)是否為氧化還原反應?
2016年教師研習會上,有一位化學教師提了一個問題:「臭氧(O3)變成氧氣(O2)是否屬於氧化還原反應」,之前正好另一位教師也問過本人相同的問題,本人就當場為這位教師提供本人的看法。有兩位教師問同樣的問題,顯然它是一個值得重視的問題,本文將提供本人的見解。
若問題「臭氧變成氧氣」指的是2O3 → 3O2,答案很明顯,並沒有任何原子的氧化數發生變化,這個反應不屬於氧化還原反應。為了慎重起見,本人查了化學手冊與電化學等幾本書,在標準還原電位表中呈現的資料都是O3 + 2H+ + 2e− → O2 + H2O E0 = 2.075 V,乍看之下,「似乎」是臭氧(O3)反應生成氧氣(O2)的半反應,但是若能冷靜思考一下,會發現臭氧(O3)與氧氣(O2)兩者並沒有發生氧化數的變化,應該關注的是臭氧(O3)反應生成的水分子(H2O)才是此還原半反應的主要產物,本人試著將這個半反應分段表達其反應,如式[5]~[7]所示:
O3 + 2e− → O2 + O2− [5]
O2− + 2H+ → H2O [6]
[5] + [6] 得 O3 + 2H+ + 2e− → O2 + H2O [7]
若將還原半反應改寫為:O3 + 2H+ + 2e−→ O2 + H2O E0 = 2.075V,就能釐清反應的對象了。因此,問題出在不該將這個半反應解讀為「臭氧變成氧氣」。若是因為參考書出這樣的一個問題:以下何者為氧化還原反應?選項中有「臭氧變成氧氣」,標準答案又列為正確答案,那就難怪造成某些教師的困惑了。
n 參考資料
1. Electrical resistivity and conductivity, https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_resistivity_and_conductivity.
2. J.V. Manca*, M. Nesladek, M. Neelen, C. Quaeyhaegens, L. De Schepper, W. De Ceuninck. High electrical resistivity of CVD-diamond. Microelectronics Reliability, 39, 1999, 269~273.
3. Linus Pauling, General Chemistry, Reprint. Originally published: 3rd Edition, M. H. Freeman, 1970.
4. 劉新錦、朱亞先、高飛編著,無機元素化學(第二版,2010),科學出版社。
5. 朱文祥、龐淑玲、杜宏功編,高中理科學習解疑叢書之化學學習解疑,學術期刊出版社。
6. Nils Wiberg, A. F. Holleman, and Egon Wiberg, Inorganic Chemistry, 34th Edition, Walter de Gruyter, Berlin, New York, 1995.
我記得好像78日大給的答案是臭氧變氧算氧化還原,因為臭氧上三個氧原子的形式電荷皆不為零,故變成電荷皆為零的氧分子為氧化還原。但87日大給不是,以整個分子之平均氧化數為準。