臺灣化學教育

應用微型實驗在國中小二氧化碳製備之比較

葉瀚陽¹、張自立²、辛懷梓²

 

¹國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士班

²國立臺北教育大學自然科學教育學系

¹[email protected]

 

■前言

    在現行國中小自然與生活科技領域課程中，皆有二氧化碳氣體的製備實驗，國小實驗方式主要是用燃燒蠟燭產生二氧化碳，或在塑膠袋中加入小蘇打加醋收集氣體。但上述方式卻有收集氣體的純度不足或實驗操作不易之處。

    國中課程則改用排水集氣法來收集二氧化碳，其優點是可以大量收集二氧化碳，且收集過程中即驗證二氧化碳難溶於水的特性，對於定性的驗證較為方便。但在「產量」的控制上，排水集氣法無法精準觀察產量變化。本篇旨在以微型實驗「針筒集氣法」比較蠟燭產氣法、塑膠袋集氣法以及排水集氣法等實驗方式之不同處，保留優點並修正不足之處。

 

■微型實驗的目標及應用

    微型實驗發展已有一段時間，最主要訴求是希望比起一般實驗操作，可以達到更環保、簡便及安全的目的，力求簡化實驗的複雜度，並對環境造成最小汙染（方金祥，2014a）。

    本篇針筒集氣法即微型實驗的一種應用，以學生易於取得的器材，簡化實驗的器材裝設與操作步驟，且反應後產生的廢棄物及汙染也極少，相當符合微型實驗的精神。文獻指出，方金祥（2014b）曾利用針筒進行氯氣製備實驗的相關研究，本篇參考其裝置設計，將其應用於其他氣體的製備實驗，再與傳統排水集氣法進行教學比較。

    民國106年的新北市國小組科學展覽會中，即有一篇是以「針筒集氣法」來收集氣體，解決傳統「排水集氣法」無法量化紀錄缺點，並以針筒集氣法測定不同反應物的重量、濃度與溶液種類的氣體生成實驗比較。然在此篇科展的結論中，僅說明針筒集氣法之優點，未詳細與蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法與排水集氣法進行優缺比較，也未在教材的延續上做說明。本篇將詳細比較上述各種實驗方法之器材與反應物的準備、操作步驟以及反應後剩餘物的差異，以作為國中、小教師未來在進行氣體製備單元教學時的參考。

 

■二氧化碳製備實驗的重要性與教學目標

    國小階段的二氧化碳製備主要是定性實驗，教學目標主要為帶領學生學會設計實驗流程、決定控制與操作變因以及認識二氧化碳的基本特性，例如助燃性或比空氣重等等。

    國中則包含定性與定量，除了再次驗證二氧化碳的基本性質外，主要的教學目標是要讓學生了解二氧化碳製備背後的化學反應，包括化學式的認識以及反應物與生成物的劑量計算。可惜的是現行國中課程雖有化學計量的課程編排，卻因定量實驗的精準度要求高、操作工具繁雜及實驗討論困難，導致多有忽略。

十二年國教強調「探究與實作」，旨在培養學生的操作與辯證、處理數據、資料合理度判斷與檢核等能力。因此本篇研究希望對學生自然領域的核心素養培養、國中小自然領域課程設計、教師教學操作與實務討論等面向皆能有所貢獻。

 

■傳統製備二氧化碳之實驗討論

一、國小：

(一) 方法：蠟燭集氣法、塑膠袋集氣法。

(二) 討論：

1. 上述的兩個實驗主要說明物體燃燒及小蘇打加醋皆可以產生二氧化碳；接著透過加入澄清石灰水產生白色沉澱，檢驗燃燒後產生的無色、無味氣體為二氧化碳。

2. 蠟燭集氣法的耗時取決於廣口瓶的大小，小容量廣口瓶不方便學生操作，選擇大容量卻又可能導致時間不易掌握。

3. 實驗後廣口瓶及塑膠袋內不僅有二氧化碳，因此無完整驗證是否為二氧化碳造成澄清石灰水產生沉澱。

二、國中：

(一) 方法：排水集氣法。

(二) 討論：

1. 此實驗相較國小的方法可以收集到較純的二氧化碳，且同時也在實驗過程中證明了二氧化碳難溶於水。

2. 但實驗流程中對「中段氣體」的說明卻不精準，學生不知何時該開始收集。以及此反應容易準備過多反應物，導致實驗後的殘餘反應物較多。

3. 本實驗可精準測量反應物的量，但對氣體生成量的計算，因收集氣體的操作流程中會釋放些許氣體而顯得困難。

 

■微型實驗「針筒集氣法」製備二氧化碳實驗的器材、流程與比較

一、實驗器材（以小蘇打加醋為例）：

塑膠針筒、玻璃針筒、三轉活塞、小蘇打水溶液、醋、澄清石灰水。

 

二、器材組裝：

本裝置參考方金祥（2014b）氯氣製備之微型實驗中的設計，將兩根塑膠針筒以三轉活塞相連接，再透過三轉活塞的旋鈕控制反應的進行。

如下圖1及圖2。

三、實驗流程（以小蘇打水加醋為例）：

1.將醋及小蘇打水溶液分別裝入針筒（圖3），將醋打入裝有小蘇打水溶液的針筒中觀察氣體產生（圖4）。

2.調整三轉活塞，再接上裝有澄清石灰水的針筒（圖5），把收集到的氣體打入澄清石灰水中觀察沉澱情形，驗證該氣體為二氧化碳（圖6）。

3.若需紀錄反應時間或計算反應速率則可以玻璃針筒來代替塑膠針筒，解決塑膠針筒因摩擦力過大而產生的誤差（圖7）。

圖3將小蘇打水及醋接上三轉接頭	圖4 將小蘇打水打入醋中
圖5將二氧化碳打入澄清石灰水	圖6 澄清石灰水產生沉澱
圖7 玻璃針筒取代塑膠針筒

四、針筒及氣法之分析與比較：

1. 本研究觀察最佳的反應物使用量：小蘇打水15毫升、醋酸10毫升，在塑膠針筒中產生之二氧化碳約為20毫升。

2. 國小階段，針筒集氣法可讓學生以較少的反應物進行實驗，減少塑膠袋或蠟燭集氣法實驗時氣體逸散的機會，建立學生做實驗也不應浪費的觀念。

3. 以針筒集氣法操作實驗達到縱向的課程延續。學生在國小三年級利用針筒觀察氣體，但後續課程卻鮮少再使用針筒。針筒集氣法更符合器材多用性、課程延續性的精神。

4. 針筒集氣法可讓每位學生都獨立操作針筒實驗並觀察與紀錄過程，學習對自己的實驗結果負責，引導學生在小組活動中，也能依據自己的學習步調參與實驗課程。

5. 以玻璃針筒進行針筒集氣法，能在相同的實驗流程下完成定量實驗（圖5）。利用玻璃針筒克服塑膠針筒的摩擦力及反應過程的壓力問題，準確測量二氧化碳生成的體積以及時間，讓學生學習化學反應的量化計算。並將氣體特性及反應速率的課程內容融入實驗，統整知識概念的課程目標。

6. 強化探究能力的培養。在國中階段可同時讓學生操作排水集氣法及針筒集氣法，接著從器材準備、操作流程、實驗精準度以及對環境的影響等面向，引導學生進行探討，達到十二年國教課綱中「探究能力」的培養，其比較學習單可參考附件一。

 

五、延伸應用：

    下列幾項為針筒集氣法的延伸應用舉例，包括不同反應物製備二氧化碳、科學遊戲及其他實驗應用等，以作為教師未來教學時的參考。

（一）    不同反應物對二氧化碳產生效率的比較：

    同樣加入5ml小蘇打水，比較酸性溶液中醋酸、稀鹽酸及檸檬酸生成二氧化碳之速率。經過實驗測試後發現檸檬酸的氣體產生速率最快（圖8、圖9、圖10）。在國小階段可將重點放在建立學生的知識廣度，引導學生討論有多種方式能進行二氧化碳製備。而國中則可以比較不同反應物的氣體產生快慢，培養學生比較及歸納之能力。

（二）    遊戲–隔空滅火：

    將收集到二氧化碳的針筒打開後傾倒，可以使桌上的原本燃燒的蠟燭熄滅，證明二氧化碳比空氣重，因此會向下沉（圖11、圖12）。此遊戲可以展示為何在以傳統方式實驗完後，廣口瓶需開口朝上放置原因。讓學生能觀察並驗證二氧化碳的特性。

（三）    氧氣的備置實驗：

    兩支針筒放入的反應物可改為雙氧水及二氧化錳，操作步驟則與製備二氧化碳相同，將雙氧水推入二氧化錳的針筒中，等待氣體產生。檢驗方式則可與延伸應用二（隔空滅火）相同，以傾倒出氣體的方式觀察火焰的然生變旺盛，證明其助燃及比空氣重的性質（圖13、圖14）。

■總結：

    以針筒集氣法進行實驗可以保留傳統實驗方式易於觀察的優點，解決不易量化的問題；在課程上也能符合連續性與統整性，使教師可以更系統的進行教學。器材易於準備，可以讓每位學生都進行實驗，且材料用量精簡至最小化，達到最好的學習效益，亦能達到環保之目的。

 

■參考資料：

方金祥（2014a）。微型實驗簡介（上）。臺灣化學教育，第2期（2014年7月）。

方金祥（2014b）。創意微型實驗—微型氯氣製備裝置及在化學教學上之應用。臺灣化學教育，第4期（2014年11月）。

王琮賢、陳羿廷（2017）。「針」氣十足─ 氣體收集的實驗簡化。新北市105學年度中小學科學展覽會，國小組化學科。未出版。

 

■附件

附件一：排水集氣法與針筒集其法之比較學習單（含參考作答）

實驗比一比   班級：           座號：         姓名：     排水集氣法 針筒集氣法 器材準備 錐形瓶、薊頭漏斗、 軟木塞、橡皮軟管、 廣口瓶、水箱 →器材較多 三轉活栓、塑膠針筒、 玻璃針筒 →器材較少 實驗材料準備 稀鹽酸、小蘇打粉、 澄清石灰水 →準備量較多 同左     →準備量較少 剩餘材料的量       →廢棄物較多       →廢棄物較少 實驗精確性 實驗結束時間必須取決於廣口瓶容積     →無法精準量化 可讀取玻璃針筒刻度得知氣體體積，計算反應速率，並隨時停止     →可精準量化 操作方便性 需將廣口瓶壓入水中收集氣體   →易失誤而需重做實驗 僅需透過活栓與壓縮即可完成實驗   →不易失敗