化學教室活動:透過微量實驗實作學生發現溶解度法則 / 許之音

星期四 , 10, 五月 2018 Leave a comment

化學教室活動:
透過微量實驗實作學生發現溶解度法則

許之音

臺北市立中正高級中學
trya416@yahoo.com.tw

n  實驗簡介和單元目標

一、  沉澱表或溶解度表的歷史

德國化學家克里斯托夫·海因里希·蒲法夫Christian Heinrich Pfaff1773-1852)認為取得的溶液先用幾個基本試劑加以初步檢驗,藉此觀察某些離子肯定存在的啟示,也可否定某些離子存在的可能性,並藉由檢驗的任務簡化,可降低盲目性。科學家整理一些特定離子遇到其它離子發生沉澱或溶解的檢驗結果加以成表格形式,稱為沉澱表(precipitation table)或溶解度表(solubility chart),例如:鈉離子與所有陰離子混合均不會產生沉澱,而硝酸根離子可溶解所有陽離子。硫酸根離子與鋇離子則會產生難溶的沉澱物。

溶解程度的定義:可溶(soluble)為溶於水的濃度大於0.10 M之化合物;微溶(slightly soluble)為溶於水的濃度在0.00010~0.10 M之化合物;難溶(insoluble,或稱為沉澱precipitation)為溶於水的濃度小於0.00010 M之化合物。可藉由各物種的溶度積平衡常數而算出溶解度,判斷各化合物的溶解性。

二、  高中化學課程提到沉澱表方面

1.        在硬水軟化方面,可藉由在硬水中(含鈣離子或鎂離子)加入碳酸鈉產生碳酸鈣或碳酸鎂沉澱,而去除鈣離子或鎂離子。

2.        在水的純化方面,也可藉由加入強鹼 ,而使大過數重金屬離子形成沉澱。

3.        在鉛蓄電池方面,電解液硫酸水溶液中的硫酸根可與鉛離子形成硫酸鉛沉澱附著在電極板上,因此充電過程中可將沉澱恢復原狀。

4.        肥皂在硬水中因為其親水端和鈣離子形成沉澱而失去洗滌效果。

5.        檢驗醛基的多侖試劑主要是銀離子先與少量鹼反應而形成氧化銀沉澱,再與過量氨水形成二氨銀錯離子。

6.        另一種檢驗醛基的斐林試劑為含有硫酸銅酒石酸鉀鈉的氫氧化鈉溶液,原本氫氧化鈉與硫酸銅會反應而形成氫氧化銅沉澱,藉由酒石酸保護銅離子,使其不產生沉澱。

7.        在電池電位的探討方面,若另外加入的離子會與生成物的離子產生沉澱,因為勒沙特列原理,平衡傾向向右,則電位會上升。反之,若另外加入的離子會與反應物的離子產生沉澱,因為勒沙特列原理,平衡傾向向左,則電位會下降。

8.        有些沉澱可溶於強酸而溶解,這些沉澱大多帶有弱鹼性或產生其它反應。例如:碳酸鹽、亞硫酸鹽本身為弱鹼性,因此可溶於強酸,且會產生二氧化碳、二氧化硫等氣泡。鉻酸鹽則會與強酸生成二鉻酸鹽,因此可使沉澱溶解。

9.        有些沉澱本身為中性,加入強酸或強鹼均不會溶解,例如:硫酸鋇。

10.    郝耳法製鋁是利用鋁礬土加入過量的強鹼(氫氧化鈉),其中鋁離子一開始形成氫氧化鋁,但遇到過量強鹼會再溶解,而其它離子則是形成氫氧化物沉澱,而達到分離的效果,可以收集到較純的鋁離子。

三、  本次實驗主要目標

1.        藉由某一陰離子和某一陽離子的混合,判斷其為溶解或沉澱,並拍照記錄,以作為後續的討論,完成學習單,發現沉澱表或溶解度表。

2.        加入強酸到有沉澱物,判斷哪些沉澱會溶解,以作為後續的討論,並完成學習單。

3.        思考實驗相關的原理以及相關生活運用和課堂回饋。

n  藥品和器材

一、  各組藥品

1.        陰離子:每一項藥品以塑膠滴瓶裝(見圖一左),濃度均為0.10 M且體積均為10毫升,所有的塑膠滴放在塑膠盆內(見圖一右)。

【學習單一】的藥品:氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉。

【學習單二】的藥品:硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉。

【學習單三】的藥品:碳酸鈉、鉻酸鈉。

【學習單四】的藥品:氫氧化鈉、硫化鈉。

2.        陽離子:每一項藥品以塑膠滴瓶裝(見圖一左),濃度均為0.10 M且體積均為10毫升,所有的塑膠滴放在塑膠盆內(見圖一右)。

含一價金屬離子的化合物:硝酸鉀、硝酸銨。

含二價金屬離子的化合物:硝酸鋇、硝酸鎂、硝酸鈣。

含三價金屬離子的化合物:硝酸鋁。

含過渡金屬離子的化合物:硝酸銀、硝酸鎳、硝酸銅、硝酸鋅、硝酸鐵。

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圖一:塑膠滴瓶(左),塑膠滴瓶放在塑膠盆內、透明投影片(右)

3.        強酸:3.0 M 10 mL的鹽酸,用塑膠滴瓶裝

二、  各組器材和學習單

透明投影片(A4大小)5~6學習單(A4大小)七頁(學習單一~六每組一張,學習單七每人一張濕抹布兩條玻璃棒4-5衛生紙,如圖二所示。

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圖二:縮小的學習單(以學習單一為例)、調色盤(備用)

n  實驗步驟

在這次實驗中,由於鈉離子和硝酸根離子不會與陽離子產生沉澱,因此溶解或沈澱的主要觀察是除了這兩陰離子以外的陰離子與陽離子之間的作用或反應。這次實驗有七份學習單,如下描述:

1.        【學習單一:氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】:放置一張A4投影片到【學習單一】的正上方,分別檢驗氯化鈉、溴化鈉、碘化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑,先在表格中「氯化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氯化鈉溶液,再依照表格中列出的陽離子,在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地,在表格中「溴化鈉」和「碘化鈉」,進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶,拍照記錄結果,圖三所示。

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圖三:滴加試劑後的學習單和投影片

2.        【學習單二:硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】:放置一張A4投影片到【學習單二】的正上方,分別檢驗硝酸鈉、硫酸鈉、磷酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑,先在表格中「硝酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴硝酸鈉溶液,再依照表格中列出的陽離子,在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地,在表格中「硫酸鈉」和「磷酸鈉」,進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶,拍照記錄結果。

3.        【學習單三:碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】:放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方,分別檢驗碳酸鈉、鉻酸鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑,先在表格中「碳酸鈉」同一欄位每一格都滴加1滴碳酸鈉溶液,再依照表格中列出的陽離子,在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地,在表格中「鉻酸鈉」,進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶,拍照記錄結果。

4.        【學習單四:氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】:放置一張A4投影片到【學習單三】的正上方,分別檢驗氫氧化鈉、硫化鈉與陽離子之溶解與沉澱的現象。以塑膠滴瓶的試劑,先在表格中「氫氧化鈉」同一欄位每一格都滴加1滴氫氧化鈉溶液,再依照表格中列出的陽離子,在每格滴加1滴不同的陽離子。相同地,在表格中「硫化鈉」,進行相同的步驟。觀察每一格混合後發生可溶或難溶,拍照記錄結果。

5.        【學習單五:整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】:整理每個化合物中的陰離子和哪些陽離子是可溶或難溶之實驗結果在【學習單五】中,並記錄沉澱物的顏色。討論哪些陰離子遇到大多數的陽離子會溶解、哪些哪些陰離子遇到大多數陽離子會沉澱。

6.        【學習單六:沉澱物與鹽酸的反應】:在學習單一~四中有產生沉澱者,滴加13 M鹽酸,判斷是否沉澱有溶解,拍照記錄結果,記錄在【學習單六】。歸類哪些類別的化合物會因加入強酸而溶解,並討論可能的原因。有部分的沉澱物加入酸會產生氣泡,討論氣泡可能的成分。若是觀察不清楚,可改以調色盤來取代投影片進行實驗,如圖四所示。

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圖四:使用調色盤(備用)

7.        【學習單七:有關沈澱的問題和討論】:小組討論完畢【學習單一】到【學習單六】後,每個人完成【學習單七】,寫下實驗過程的觀察和學習,思考相關課程運用並撰寫課程回饋。

8.        以濕抹布擦乾投影片並放回塑膠盆中,並依照原來陽離子和陰離子的藥品分類放回原來的兩個塑膠盆中,最後將小組學習單和個人學習單繳交給小老師,小老師統一收齊後交給任課老師。

n  觀察紀錄

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圖五:學習單一~七的縮小版(由左而右,由上而下,原為A4大小)

n  安全與注意

1.        本實驗應該戴乳膠手套。本實驗用到強酸和強鹼,若實驗過程中手有出現刺痛或癢,請至洗手台沖水至不再刺痛。

2.        硝酸銀溶液以褐色瓶裝,以防變質。

n  廢棄物處理

1.        由於實驗需要有用到鉻酸鹽,因此使用後的抹布建議還是統一水洗,將洗液倒入廢液桶。

2.        投影片用濕抹布擦乾即可,之後再統一水洗抹布,可再次使用。

n  教學提示

1.        在溶解度定義方面,教師可示範讓學生觀察兩溶液混合產生不同效果,使學生分辨可溶和難溶的差異,以使學生能更正確進行後續實驗。教師也需帶學生分辨有顏色澄清的溶液和有顏色產生沉澱的溶液的差別,讓學生能清楚辨認實驗結果。

2.        在高中課程相關沈澱方面,教師可讓學生自行閱讀再依照學生不同背景知識進行討論或是讓學生作為課後查詢資料。

3.        實驗前先分組,學生分成六小組,由兩位小老師將各組的塑膠盆放給各小組。建議:可請學生下課先排好各組桌椅(見圖六),上課即可開始進行實驗。開始上課小老師先發給各組學生學習單,學習單一~六每組各一張,學習單七每人一張,請學生先按頁數排好。

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圖六:教室內各小組座位安排

4.        教師先示範第一頁學習單的做法,放置投影片在A4紙的正上方,讓學生清楚知道如何進行。需提醒學生每次滴只能滴加1滴試劑,勿超過兩滴,以避免最後混合無法辨認。若發生滴加太大滴的情形,可請學生用衛生紙吸收多餘溶液。若混合過多,用濕抹布整個擦乾,重新滴加。

5.        分配好各組組員任務,例如各組的1號負責第一張學習單,各組2號負責第二張,依此類推。或是各組的12號負責第一張學習單,各組34號負責第二張,依此類推,完成的同學再進行其他學習單。

6.        實驗時間包含實驗講解時間,約需兩節課較充裕。

7.        實驗整個過程主要藉由觀察在投影片上兩溶液混合是否產生沉澱,沉澱物加酸是否溶解或反應。若在沉澱加酸時學生無法在投影片有充分空間使用,可用調色盤作為輔助工具,(見圖七)。

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圖七:在調色盤大格進行鉻酸鹽實驗、在調色盤小格進行氫氧化物實驗

8.        授課教師在實驗過程中需在各組間觀察各組遇到的問題,例如:學生可能問:這樣算沉澱還是溶解?教師可以引導學生思考:如果溶解觀察到的現象又會是如何?讓學生思考比較以達到教學效果。

9.        實驗中沉澱加酸再溶解的實驗需配製濃度3.0 M上。若用0.1M的鹽酸滴加到沉澱物上,溶解的效果會無法看到,因為釋出的氫離子太少,導致無法立刻看到效果。

10.    本次實驗主要以塑膠滴瓶進行微量實驗,每個實驗只滴1-2滴,符合環保概念,且使用後藥品密封保存,大多的藥品仍可繼續使用。每組用量各瓶小於5毫升,因此可以提供多個班級使用。

11.    由於有用到強酸和強鹼,濃度有1.0 M3.0 M。雖然每次只滴加1滴,但是可在開始上課時先提醒學生,若手有出現刺痛或癢,請至洗手台沖水至不再刺痛。

12.    硝酸銀溶液以褐色瓶裝,以防變質。

13.    從學生的實驗結果可發現,學生滴加時有少許的液滴不在空格中,因未與另一空格混合的液滴而可清楚判定。

14.    教師也可以改變實驗方法讓學生以闖關方式完成實驗,實驗前須先提醒學生勿將藥品拿走或任意換位置。

15.    教師看完學習單後,可以再找時間跟學生討論學習單的答案,一方面肯定學生學習單完成的完整度和細緻度,例如:有些學生畫圖更具體呈現答案;另外也可提醒學生有部分需要更正的觀念,例如:有些學生以為是濃度影響速率的快慢,可以提醒學生每一瓶塑膠滴瓶上面都有註明濃度是0.1 M

n  實驗前藥品配製

1.        配製0.10 M溶液:在實驗室中,先計算出每一個藥品0.010莫耳所需要的質量,再以電子天平取好,放入50 mL燒杯中,再加入適量蒸餾水,以玻璃棒攪拌溶解後,再倒入100.00 mL的容量瓶中,加蒸餾水至刻度線,然後混合均勻。

2.        配製3.0 M HCl:在實驗室中,取25.0 mL 的濃鹽酸(12 M HCl),倒入100.00 mL的容量瓶中,再加蒸餾水至刻度線,然後混合均勻。

n  實驗紀錄(學習單)樣本與討論

【學習單一:氯離子、溴離子、碘離子與陽離子反應】

學生【學習單一】的實驗紀錄樣本,如圖八所示。

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圖八: 學生【學習單一】實驗結果

氯化鈉、溴化鈉及碘化鈉均為無色溶液,分別滴到不同陽離子後,觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒,也可觀察到這些陰離子溶液加到銅離子,雖然使原來液滴呈現藍色,但是不會產生沉澱,而溴化物和碘化物加到陽離子的沉澱大多呈黃色。

【學習單二:硝酸根離子、硫酸根離子、磷酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單二】的實驗紀錄樣本,如圖九所示。

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圖九:學生【學習單二】的實驗紀錄樣本

硝酸鈉、硫酸鈉及磷酸鈉均為無色溶液,分別滴到不同陽離子後,可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。實驗結果可觀察到硝酸鈉溶液滴到不同陽離子均會溶解,硫酸鈉溶液只會和鋇離子出現白色的混濁,磷酸鈉溶液則與大多數陽離子出現白色的混濁。

【學習單三:碳酸根離子、鉻酸根離子與陽離子反應】

兩組學生【學習單三】的實驗紀錄樣本,如圖十所示。

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圖十:學生【學習單三】的實驗紀錄樣本

碳酸鈉為無色溶液,分別滴到不同陽離子後,觀察者可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒,與大多數的離子陽出現混濁現象。然而鉻酸鈉為深黃色溶液,學生開始操作時不太清楚如何判斷是否有沉澱。若學生提問可,教師試著引導學生再多滴1滴或是用其他工具(例如玻璃棒)觀察是否有明顯出現固體顆粒。

【學習單四:氫氧根離子、硫離子與陽離子反應】

學生【學習單四】的實驗紀錄樣本,如圖十一所示。

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圖十一:學生【學習單四】的實驗紀錄樣本

氫氧化鈉和硫化鈉均為無色溶液,分別滴入不同的陽離子後,可清楚看到是否發生混濁或看到固體顆粒。氫氧化鈉溶液與大多數陽離子混合發生混濁現象,而沉澱物的顏色因不同離子而有不同變化。硫化鈉溶液則與大多數陽離子出現黑色混濁現象。

【學習單五:整理陰離子和陽離子反應的產物是否有沈澱並討論之】

在整理的過程中,學生可發現大部分的實驗結果與沉澱表相符合,但有少數不符合,因此進一步討論不符合的原因是必要的。學生推測是組員滴錯或滴的過程中產生汙染,因此大多想再做一次以驗證。

【學習單六:沉澱物與鹽酸的反應】

學生判斷鉻酸鹽的沈澱物加入鹽酸是否溶解部分,學生們常判斷錯誤,筆者推論原因可能是因為溶液原本有黃色,導致學生不易判斷加鹽酸是否溶解,因此這方面加酸的實驗後,或許較適合用調色盤來觀察實驗結果。

【學習單七:有關沈澱的問題和討論】

以下「藍字」為作者整理學生的學習單的填寫和回饋。

1.        如何判斷是否沉澱或溶解,外觀上有何差別?

這題學生整體回答滿清楚,大多能由混濁現象判斷出難溶,寫法多用混濁、霧霧的、粉末、飽滿來形容沉澱,少數同學會以圖畫顯現成果(見圖十二)。溶解則用透明、清澈、無固體來形容。

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圖十二:【學習單七】第一題

2.        沉澱的速率快還是慢?滴入立刻產生沉澱嗎?有哪些會比較慢?

大多都是寫不一定,有些立即產生沉澱,有些則結合速度較慢,學生有提到像是鈣離子或鋇離子沉澱形成較慢(見圖十三)。學生推測許多原因,像是活性、解離度及鍵結,大部分學生的寫法是因物質性質而定,認為因有些陰陽離子本身特性而影響結合能力。由於學生來源目前有高一普通班、高一美術班、高二上社會組,因此未學習到反應速率和平衡常數。若以後進行此實驗的學生已經有學到相關部分,可跟學生提及溶度積平衡常數和反應速率能量障壁等相關概念。

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圖十三:【學習單七】第二題

3.        有顏色的溶液,如何觀察出溶解與沉澱的差別?如何確定確實有沉澱?

學生認為:沉澱顏色比原來的澄清液為深、利用玻璃棒碰觸到明顯固體顆粒、與原來溶液顏色不同的固體沉澱、再多滴加1滴看是否出現較多固體或是與澄清液作比較(見圖十四)。

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圖十四:【學習單七】第三題

4.        這個實驗的控制變因是什麼?未知的變因(應變變因)是什麼?

控制變因:濃度、滴固定滴數。未知的變因:是否沉澱、速率、加酸是否產生氣泡(見圖十五)。

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圖十五:【學習單七】第四題

5.        你的實驗結果與你學過的哪些理論相關,是否符合理論?符合的有哪些?不符合的有哪些?是否可思考到其他原因造成的?

各組學生能據實地寫出實驗結果,對於不符合的部分大多認為是實驗誤差或認為同組的組員滴錯試劑。因此,學生大多認為或許可以找時間重做這部分實驗,以思考是否是濃度不夠或是反應速率太慢(見圖十六)。

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圖十六:【學習單七】第五題

6.        你可以想到將這次的實驗運用在生活中的哪些層面嗎?舉出一些實例?

學生舉出的一些生活實例:硬水軟化、檢驗溶液、清潔劑檢驗、海水中提煉鎂的中間過程、魔術表演、去除熱水瓶水垢、鑑定物質、汙漬清理、分析水質等(見圖十七)。這方面學生大多能想到相關運用,有些學生有清楚寫出如何運用,大多數學生則只寫一句話,因此這部分之後可以請學生寫得更詳細清楚,確定學生有確實瞭解相關運用。

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圖十七:【學習單七】第六題

7.        做完這次實驗,分享你的收穫、建議和心得。

學生認為:沉澱顏色與想像中不同;感受到自己像個魔法師;團隊合作很重要;藉由實驗加深印象;實驗操作容易理解;更瞭解上課的內容;選對適當的檢測液很重要;希望教師可示範兩次;雖然自己小組實驗操作有錯誤仍謝謝老師可以帶我們來做實驗將所學知識有更深入瞭解;希望能有更多時間完成學習單;做完實驗很有成就感(見圖十八)。

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圖十八:【學習單七】第七題

從上段可以看到學生的回饋從不同面向分享,有些是就學習方面,有些則著重在團隊合作方面。而實驗中除個人的思考和學習之外,團隊合作也很重要,小組組員之間彼此互相討論學習,才能達到學習最大效益。從學生實驗操作照片也可以看到學生在實驗過程中不僅認真投入也充滿快樂,因此讓學生能從實驗中去發現沉澱表可以讓學生的學習更加投入與加深印象。

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圖十九:學生實驗操作照片

n  參考資料和更多資訊

1.        趙匡華(1998),化學通史,凡異出版社。

2.        Jay McTighe & Grant Wiggins(原著),侯秋玲和吳敏而(翻譯),核心問題 開啟學生理解之門,心理出版社。

3.        John Suchocki(蘇卡奇原著),葉偉文(翻譯),觀念化學,遠見‧天下文化事業群。

 

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