臺灣化學教育
Chemistry Education in Taiwan利用手機及App開發化學探究與實作課程—高中奈米硫粒實驗反應速率的測定 ／ 劉燕孝、廖家榮
星期日 , 4, 11 月 2018 化學課程與教材, 第28期/2018年11月 在〈利用手機及App開發化學探究與實作課程—高中奈米硫粒實驗反應速率的測定 ／ 劉燕孝、廖家榮〉中留言功能已關閉利用手機及App開發化學探究與實作課程—高中奈米硫粒實驗反應速率的測定
劉燕孝、廖家榮
臺北市立建國高級中學
[email protected]
n 設計緣起
高中課綱中的奈米硫粒實驗，屬於選修化學溶液一章的範疇，主要是將清潔劑添加到硫代硫酸鈉 ( Na2S2O3 ) 酸性溶液的反應系統中，以雷射筆照射系統中的溶液，藉由廷得耳效應來觀測水溶液中奈米硫粒成長的過程。另外，一般高中課本實驗手冊也提及，可調整反應試劑與清潔劑的濃度，來控制反應速率，在規定的時間內利用反應產生硫固體沉澱來遮住桌面上的記號來設計趣味實驗。此實驗除了印證膠體溶液的性質，也利用添加清潔劑對反應速率的影響，介紹奈米科技中操控奈米粒子形成速率之基本技術(葉名倉等)。
過去的科展，曾對於這個實驗有諸多深入的探討(李浩維等；李祐慈)，其主題主要是探討此實驗的奈米硫粒形成機制，於不同反應物濃度下測量反應速率，進而求得反應級數等。由於此實驗藥品單純且反應效果明顯，非常適合結合基礎化學三的反應速率一章，印證及探討其中相關理論，朝科展及專題方向發展。然而朝科展及專題方向發展的關鍵，主要受限於測定反應速率的方法與設備。檢視過去本實驗相關的研究，受限於當時一般高中多無偵測的設備，多採用大學端的設備或組裝精密但昂貴的工作站器材，雖然效果良好，但不易普及到學生人人都能簡便地使用。
在課本奈米硫粒實驗中的第一部分，主要在觀察硫膠體形成過程與廷得耳效應的部分，僅請學生以定性方式記錄溶液出現明顯廷得耳效應，光束很亮就記錄「明顯」；若光束沒有很亮，記錄「不明顯」。課本實驗中的第二部分清潔劑濃度對反應速率的影響部分，則涉及反應速率定義的概念，其測定方法為請學生記錄完全遮住記號所需的反應時間。上述光源為紅或綠光的雷射筆，而判定反應結束的方法，不論實驗第一部分雷射光束變得「不明顯」，或第二部分奈米硫「完全遮住」記號所需反應時間的測定，兩者均請學生以碼表計時，容易因人為主觀判斷造成誤差。於是，每學期我們帶學生在實驗室進行本實驗時，最常聽到的話就是：老師！這樣算不算「不明顯」，或是，老師！這樣算不算「完全遮住」啊？
這樣的教學現象困擾了我們許多年，直到智慧型手機與各種Apps軟體逐漸普及與成熟，於是我們重新思考調整既有的教學模式，轉而構思善用手機的資訊化及帶著走的優勢，此舉不但不須額外添購實驗器材，可提升實驗數據測量的精確性與再現性，更引導學生開啟另一扇窗，讓他們了解到原來手機也可以用來做化學實驗啊！
¾ 課程開發目標
一、以手機及App代替雷射筆與肉眼觀察(傳統方法)，提高測量數據的精確性及再現性。
二、設計實驗測定反應速率與反應級數。
三、設計實驗探討清潔劑對反應速率的影響。
¾ 實驗課程內的反應原理與文獻探討
硫代硫酸鈉溶液與鹽酸會反應產生奈米硫微粒，
H+(aq) + (aq)(s) (膠體粒子)(aq) (式1)
1946~1948年間，La Mer等提出其反應機制為：
H+ + ⇌
+ []3- (式3)
[]3- +
整體反應包含第一階段的S2與S8的生成，第二階段的成核，以及第三階段的團聚等三步驟。奈米大小的可散射光線產生一條明亮的光徑，此現象為廷得耳效應；爾後硫粒漸漸長大，使水溶液漸漸混濁而擋住光線使廷得耳效應消失，最後硫粒會凝聚沉澱。
如圖1所示，若將清潔劑添加在此反應中時，清潔劑分子中的親油基吸引硫粒、親水基與水互溶，而形成微胞(micelle)結構，將硫微粒包覆在微胞結構中而減緩硫粒子的長大，造成硫沉澱反應速率變慢，廷得耳效應存在的時間拉長，因此也可以測量硫粒沉澱物完全遮住反應燒杯下的號記所需花費的時間，探討清潔劑添加物對反應速率的影響(建中化學實驗手冊)。
圖1、奈米硫粒圖及與清潔劑分子形成微胞圖
¾ 實驗課程的教材內容
一、實驗目的：
(一) 探討奈米硫粒合成的反應速率與級數：設計實驗將鹽酸及硫代硫酸鈉溶液稀釋為不同濃度，以手機及App測定反應速率進而求出反應級數。
(二) 探討清潔劑對奈米硫粒合成反應速率的影響：設計實驗加入清潔劑，以手機及App測定反應速率，比較清潔劑的添加量對反應速率及反應系統外觀的影響。
二、藥品與器材
(一) 器 材
|
50mL燒杯………………..…………………………..… |
3 個 |
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10mL量筒………………………………………….… |
2 個 |
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塑膠滴管……………………………………………..… |
2 支 |
|
智慧型手機及測定App…………………………… |
2 支 |
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碼錶(原方法)………………………………………….. |
1 個 |
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雷射筆 (原方法)…………………………………… |
1 支 |
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黑色記號紙…………………………………………… |
1 片 |
(二) 藥 品
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0.1 M硫代硫酸鈉水溶液（Na2S2O3）…………… |
60 毫升 |
|
0.2 M鹽酸……………………………………….… |
60 毫升 |
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洗碗精(稀釋4倍5 mL)…………………………… |
5 毫升(滴瓶) |
三、實驗前準備
(一) 開啟手機及網路，由Google Play商店中，選擇下載一項下列App並熟練其操作：
1. Phyphox(RWTH Aachen University)：
在Raw Sensors選項中點選Light(照度計)功能，可利用前相機鏡頭測量上方的即時照度(Illuminance)，其單位為勒克斯lux，1 lux= 1 lm/m2(lm為流明Lumen的縮寫)，請同學事先下載並練習操作本軟體。
圖2、手機及App—「Phyphox」的下載、安裝與測量的操作畫面
2. 科學日誌(Google LLC)：
如圖3，首先在目錄中命名實驗的檔名，接著在「我的裝置」選項中，點選環境光(勒克斯)功能，可利用前相機鏡頭，測量上方的即時照度，其單位亦為勒克斯lux；按下方紅色按鈕，即開始測量。請同學事先下載並練習操作本軟體。
圖3、手機App—「科學日誌」的下載、安裝與選擇測量工具之操作畫面
科學日誌有一項很適合本實驗測定所需的功能，就是可以設定「觸發條件」。由設定選項進入後，選擇新增環境光觸發條件，首先在第一行可選擇「觸發條件類型」，例如在本實驗中可選擇「停止紀錄」一項；第二行可選擇「當讀數符合以下條件時觸發」，例如本實驗可選擇「低於」；在第三行可選擇「觸發條件數值」，例如輸入某勒克斯值；底下則是觸發時的警告模式，有音效、震動、視覺效果通知等選項，設定完畢後按右上角的儲存；則開始實驗時，只要測得的勒克斯值低於所設定值，App就會以所選定的警告方式提醒，並終止實驗的測量；如此一來，本實驗中遮住十字所需的標準就可以統一。
圖4、手機App—「科學日誌」的測量之操作畫面
圖5、手機App—「科學日誌」的設定觸發條件之操作畫面
(二) 測定練習
1. 請學生找到自己手機的光感應器的位置；以圖6為例，接著將光感應器置於燒杯底下約中央位置，旁邊以白紙畫一個十字，當燒杯中加入鹽酸及硫代硫酸鈉溶液時，便開始產生奈米硫粒子，將造成勒克斯值降低，同時十字逐漸被遮蓋。
圖6、實驗操作時，手機前相機鏡頭、燒杯與畫十字白紙的位置擺設
2. 以預做實驗觀察十字完全遮蓋時的勒克斯值，定義為遮蓋十字時的統一標準，當反應時的勒克斯值降到此值時，視為反應終止，記錄所需的時間△t，則1/△t則可代表反應速率。
3. 以實驗手冊原有的方法，觀察十字遮蓋所需時間以碼表計時進行測量，其結果為對照組。
四、實驗步驟
(一) 探討奈米硫粒合成的反應速率與級數：
自行設計實驗，將鹽酸及硫代硫酸鈉溶液稀釋為不同濃度，以手機及App測定反應速率進而求出反應級數
1. 以學校提供的器材與藥品為限，自行設計所需的鹽酸及硫代硫酸鈉溶液的濃度，填寫在預報及下表中，並在預報中先寫好如何利用現有的器材，以及如何將溶液稀釋成所需的濃度。
2. 以手機及App測量及觀察十字被遮蓋所需時間，轉換為反應速率。
3. 列式求出反應物的反應級數。
(二) 探討清潔劑對奈米硫粒合成反應速率的影響：
自行設計實驗，以手機及App測定反應速率，比較清潔劑的添加量對反應速率及反應系統外觀的影響
1. 以學校提供的器材與藥品為限，自行設計所需的鹽酸及硫代硫酸鈉溶液的濃度，以及清潔劑的添加量，填寫在預報及下表中，並在預報中先寫好如何利用現有的器材，將溶液稀釋成所需的濃度。
2. 以碼錶記錄添加清潔劑前後的廷得耳效應的時間有何不同，以手機及App測量十字被遮蓋所需時間，轉換為反應速率。
3. 根據速率定律式的定義，推算反應級數。
比較學生以不同方法操作本實驗的實驗結果
一、雷射筆及肉眼觀察法(傳統方法)
由學生的學習單發現，以同樣[H+]=0.2M，[S2O32-]=0.1M為例，測得遮住十字的時間分別為65及90秒可發現，數據的差距頗大。另外，學生在討論中提到，由於雷射筆的亮度很高，十字看起來較為清晰，可能因而延遲了判斷遮住十字的時間。
圖7、使用雷射筆及肉眼觀查方法進行實驗測定，學生的學習單，摘錄如上
圖8、使用雷射筆及肉眼觀查方法進行實驗測定，學生的操作情形
二、利用手機及App改良法
由學生的學習單發現，以同樣[H+]=0.2M，[S2O32-]=0.1M為例，測得遮住十字的時間分別為113及100秒可發現，數據的差距縮小。其他學生也提到，由於反應結束的判斷採一致的標準，降低了主觀判斷的干擾。
圖9、使用手機及App改良法進行實驗測定，學生的學習單，摘錄如上
圖10、使用手機及App改良法實驗裝置的組裝
圖11、使用手機及App改良法進行實驗測定，學生的操作情形
比較學生以不同方法操作本實驗的實驗結果
一、雷射筆及肉眼觀察法(傳統方法)
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學生數據 共20組 |
H+級數 |
S2O32-級數 |
添加2滴清潔劑 反應速率降低倍數 |
|
標準差 |
0.1103 |
0.2152 |
0.086 |
二、手機及App改良法
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學生數據 共20組 |
H+級數 |
S2O32-級數 |
添加2滴清潔劑 反應速率降低倍數 |
|
標準差 |
0.0466 |
0.0513 |
0.066 |
成效評估與教學心得
一、相較雷射筆及肉眼觀察法(傳統方法)，手機及App改良法的級數測定數值較穩定。
手機及App改良法的標準差0.0466與0.0513，較原課本方法0.1103與 0.2152，明顯小許多，主要應為減少了人為判斷的干擾所致。
實驗的操作過程中，包含了第一階段的S2與S8的生成，第二階段的成核，以及第三階段的團聚等三反應步驟，與La Mer等文獻及李祐慈作品比較，由於我們的實驗條件是根據課本實驗教材，故第一階段反應很快，量測的是第一至第三階段的整體表現。
而整體實驗有許多可鼓勵學生深入探究的部分，方向例如：
第一、是偵測位置的調整，例如可改採水平方向避免沉澱的干擾，但手機裝置的固定的困難度會提高。
第二、是反應結束時間的判斷，如果取的時間太晚，所測得的時間將會是生成奈米硫微粒及不同團聚程度的時間總和，但利用科學日誌其圖形數據連續紀錄的優點(如圖12)，可重新進行計算比較。
第三、是不同手機感光元件以及軟體的差異，造成偵測的靈敏度不同，進而影響數據等。
圖12、使用科學日誌App紀錄數據，當lux降為880, 550, 320, 225時，可分別讀出反應時間分別為35.2秒, 45.3秒, 1分08秒, 1分35.9秒等
二、將本實驗提升為探究導向的專題研究，自行設計實驗探討清潔劑對本反應速率的影響。
添加2滴清潔劑反應速率降低的倍數若只針對標準差來看，可發現手機及App改良法的標準差0.066，亦較原課本方法0.086小。
根據學生的報告討論，推測主要亦應為減少了人為判斷的干擾所致。
三、將本實驗提升為探究導向的專題研究，學生感到較有成就感。
不同於課本的食譜式實驗，學生根據本教材的實驗目的欲求出反應級數，首先對於實驗架構要十分熟悉，具備控制變因與操縱變因的概念，才能在有限的藥品下，設計出適當的反應物濃度組合。此外，學生尚須具備稀釋溶液的計算與操作能力，才能配製出所要的濃度，進行反應速率的測定。這樣以探究為導向，須綜合應用過去所學的化學知識及實驗技術，自行設計並操作完成實驗的過程，學生在報告中普遍表示非常有挑戰性與成就感，無形中也提升了自然科學之素養。
四、軟硬體取得方便，無須額外添購器材，不會增加實驗準備的負擔。
從提供的光源到偵測的感光元件等硬體，均可由手機提供；而軟體的App有許多選擇，各有特色，其中「實驗日誌」App可設定觸發條件，並可以圖表連續呈現與紀錄勒克斯值，十分推薦。因為不同手機的感光元件差異，偵測勒克斯值的極限及靈敏度有所不同，故同一組宜固定使用同一台手機操作。
參考資料
李浩維、郭姿妤、顏澤卉、黃瀞儀：長不大的硫─探討形成硫膠體溶液的條件。
台北市第三十四屆中小學科學展覽會。
李祐慈：介面活性劑對硫奈米微粒形成機制的影響。台灣2002年國際科學展覽會 化學科第一名。下載網址: https://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-
2/Internation2002/pdf/03/0306.pdf。
建國中學化學科教學研究會(2018)：建國中學化學實驗手冊(選修化學下)。台北市：建國中學。
葉名倉等(2016)：選修化學下。台南市：南一書局。
La Mer,V. K. &Barnes, M. D. “Kinetics of the Formation and Growth of Monodispersed Sulfur Hydrosols”, J. Colloid Sci. 1948; 3:571
La Mer, V. K. & Barnes, M. D. “Monodispersed Hydrophobic Colloidal Dispersions and Light Scattering Properties”, J. Colloid Sci. 1946; 1:71
La Mer, V. K. &Kenyon,A. S. “Kinetics of the Formation of Monodispersed Sulfur Sols From Thiosulfate And Acid”, J. Colloid Sci. 1947; 2:257
學生實驗記錄表單
(一) 探討奈米硫粒合成的反應速率與級數：
1. 反應前勒克斯值：lux ；定義反應終了勒克斯值：lux。
2. 實驗紀錄：(若同樣的條件重覆操作，可求學生數據的標準差)
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實驗次數 |
[H+] (M) |
[S2O32-] (M) |
△t (sec) |
1/△t |
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3. 推導反應級數：(本實驗測定的速率及級數為S2或S8的生成、成核以及團聚等三反應步驟的總結果)
4. 結論：本反應之速率定律式為
5. 補充說明：
(二) 探討清潔劑對奈米硫粒合成反應速率的影響：
1. 鹽酸及硫代硫酸鈉 (各10 mL)。
2. 實驗紀錄：(此部分的實驗可求學生數據的標準差)
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清潔劑滴數 |
[H+] (M) |
[S2O32-] (M) |
遮住十字 △t (sec) |
1/△t |
廷得耳開始時間 |
廷得耳結束時間 |
廷得耳 時間 |
|
1 |
0.2 |
0.1 |
|
|
|
|
|
|
2 |
0.2 |
0.1 |
|
|
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3. 結論：(與實驗(一)比較反應速率的快慢及廷得耳效應的強弱)
4. 解釋與討論