綠色化學實驗模組的設計與應用-2:金屬取代模組 ∕廖旭茂

星期二 , 8, 一月 2019 Leave a comment

綠色化學實驗模組的設計與應用-2:金屬取代模組

廖旭茂

台中市立大甲高中

教育部高中化學學科中心
nacl880626@hotmail.com

n   影片觀賞

本實驗影片由國立大甲高級中學提供,金屬取代模組的設計與製作過程介紹。

clip_image003

影片網址:https://youtu.be/tipoPgnIytA, YouTube.

n   簡介

在高一的基礎化學中,將化學反應分為結合反應、分解反應、取代反應、以及雙取代反應,其中取代反應主要講述的是涉及活性大小的氧化還原反應;活性大的金屬把活性小的金屬從化合物中取代出來。

過往在進行微型陰陽離子分析實驗時,為方便觀察常利用塑膠透明片,將數滴溶液滴在透明片上,進行實驗1,4。筆者於2018年在雪梨參加國際化學教育研討會工作坊時,英國的學者Bob Worley亦曾使用透明片放置在學習單上,直接在透明片上進行酸鹼反應、沉澱反應、取代反應等。本文參酌透明片法的優缺點,並進行優化成實驗模組,同樣利用雷射切割機對矽膠與壓克力進行加工完成的裝置。模組中包含2個微孔盤(一大加一小)、五個裝著不同金屬細絲的離心管、六個裝著不同溶液的點滴瓶,與一支塑膠鑷子。模組利用自製的微孔盤,讓金屬取代反應在1平方公分不到的小孔中進行;反應的過程僅使用1~2滴溶液,會不易觀察,建議老師指導學生使用手機的鏡頭來進行實驗過程的觀測與紀錄,並由反應結果決定未知溶液的身分與金屬的活性序列。大型的微孔盤亦可使用在「猜猜我是誰」1陰陽離子的分析與鑑定實驗中。下圖為本校開發的微型金屬取代實驗模組。

clip_image005

1:微型金屬取代實驗模組

此微型模組除了方便調查金屬取代反應外,可與之前投稿的文章2,3所提及的微型電化學池搭配,組成一個完整的實驗模組,探討氧化還原反應中電子的流向,除此之外還可探索鹽類在水中的水解作用。期盼透過本實驗模組的分享,能拋磚引玉,除了鼓勵中小學的教師們「自己的教具,自己做」外,更推前瞻化學教育核心素養「綠色思維」,讓中小學的化學實驗能真正達到減量、減廢,並符合綠色化學原則,落實永續教育的經營目標。

n   器材與藥品

1.      功率80 W的雷射切割機。

2.      透明壓克力板60 cm × 40 cm,厚度5 mm一塊、單面背膠矽膠片30 cm × 30 cm,厚度1 mm一片

3.      (以鎂鋁合金取代)、鋅、鐵、錫、銅金屬絲(長度為1 cm,厚0.5 mm,裝於塑膠離心管中)、塑膠鑷子一支

4.      0.5 M硫酸亞錫(Tin(II) sulfate, SnSO4)溶液、0.5 M硫酸銅(Copper sulfate, CuSO4)溶液、0.5 M硫酸鋅(Zinc sulfate, Na2SO4)溶液、0.5 M硫酸亞鐵(Ferrous sulfate, FeSO4)溶液、0.5 M硫酸鎂(Magnesium sulfate, MgSO4)溶液、0.1 硝酸銀(Silver nitrate, AgNO3)溶液各3 mL,盛裝在點滴瓶內。

n   微型金屬取代裝置的製作

1.      發想:在減廢、減量及重複使用的原則下,製作前的設計思考有三個方向:

(1)   如何利用一滴溶液來進行金屬取代反應。

(2)   設計多孔盤,單一孔洞僅能容納1~2滴溶液,可進行一組金屬取代反應。

(3)   模組為方便觀察的透明材質、可攜式,方便清理。

2.      Adobe CS3 Illustrator的繪圖軟體中,依設計原稿繪出數位的圖檔,另存為雷射切割機所需軟體可預讀的ai檔。圖2、圖3分別為微孔盤數位設計圖。

clip_image007

2:大型微孔盤壓克力底座(左)及矽膠上蓋(右)

clip_image009

3:小型微孔盤壓克力底座(下)及矽膠上蓋(下)

3.      在雷切軟體Rdworks中,導入設計ai檔,然後依圖層依序填色,並調整雷射切割的速率與功率。打開雷切機暖機後,取一塊大小為60 cm × 40 cm,厚度為5 mm的透明壓克力板,置入雷切機中,進行切割。雷切完畢後,再取一塊大小為30 cm × 30 cm,厚度為1 mm的背膠矽膠片,切出與上圖大小相等的矽膠片。下圖為雷切機切割的過程。

clip_image011

4:雷射光切割過程圖

4.      撕開矽膠片的離形紙,將矽膠片沿著壓克力板內的框線黏貼在壓克力板上方。下圖為黏貼的過程。

clip_image013clip_image015

5:撕開矽膠片(左)及黏貼在壓克力板上(右)

5.      以棉花棒沾取些許藥用酒精,清除雷切過程產生的碳汙後,備用。

clip_image017

6:清潔碳汙的過程

6.      使用前可噴上撥水劑(氟系或矽基),待陰乾後,即可使用。噴了撥水劑後,水滴成圓珠狀,方便觀察與實驗厚的清洗。

7.      準備厚約0.5 cm的長條狀鎂合金等五種金屬片,利用鐵剪刀將金屬片剪成細絲,裝入玻璃樣本瓶或塑膠離心管中,備用。下圖為金屬絲的裁剪過程。

clip_image019clip_image021

7:鐵剪刀裁剪金屬絲過程

n  教學應用

1.      金屬取代:猜猜我是誰(小微孔盤,如下圖所示)

image

7:鎂與未知溶液的反應模組

(1)    在壓克力微孔盤上第一個圓孔A中滴入1~2滴的甲溶液,液滴涵蓋圓孔面積涵蓋約75%,接著用鑷子從離心管中夾取一根鎂金屬絲,從水珠的側邊置入。觀察圓孔內水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。

clip_image025

8:鎂絲與甲溶液的反應圖

(2)    承上,在第二個圓孔B中滴入1~2滴的乙溶液,接著用鑷子從離心管中夾取一根鎂金屬絲,從水珠的側邊置入。觀察圓孔內水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。

clip_image027

8:鎂絲與乙溶液的反應圖

(3)    承上,在圓孔CDE中各滴入1~2滴的丙、丁、戊三溶液。觀察圓孔內鎂絲與水珠所發生的變化。下圖為反應圖示。

clip_image029
8:鎂絲與丙溶液的反應圖

(4)    根據觀察,前面有些水珠中產生了氣體反應,推測該氣體是甚麼?是氧氣,還是氫氣?

(5)    您認為上述氣體是如何產生的?

(6)    將實驗結果詳實紀錄在表格1中。請鑑定五種溶液的身分,說說您的判斷觀點與理由。(提示:五種溶液包含硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸銅、硝酸銀)

1:金屬取代反應紀錄表

孔序

現象觀察(氣泡、沉澱等)

預測溶液

理由依據及反應

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.      金屬活性序列調查:

(1)    步驟1在壓克力微孔盤上第一排A的圓孔中,依序滴注硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸亞錫、硫酸銅、硝酸銀等六種溶液,每一種液滴涵蓋圓孔面積涵蓋約75%,接著用鑷子從代號A的離心管中夾取一根金屬絲,從水珠的側邊放置到六個圓孔中。以手機觀察每一圓孔所發生的變化。紀錄在活動一步驟後的表格中。

(2)    步驟2:承上,在壓克力微孔盤上第二排B的圓孔中依序滴注硫酸鎂、硫酸鋅、硫酸亞鐵、硫酸亞錫、硫酸銅、硝酸銀等六種溶液,接著用鑷子從代號B的離心管中夾取一根金屬絲放置到六個圓孔中。觀察並將結果紀錄在表格中

(3)    步驟3、承上,將溶液及金屬絲依序加入第三排C、第四D、第五排E的圓孔中,觀察並將結果紀錄在表格中。下圖為微型取代反應操作示意圖。

clip_image031clip_image033

9:微型金屬取代反應

(4)    根據上述實驗結果,可以推斷A~E,以及銀等六種金屬,哪一種金屬活性最大

?您依據的理由是甚麼?

(5)    若金屬中分別有鎂、銅、鐵、錫、鋅,嘗試推測ABCDE的身分,說明看看是否可以根據這個微型反應模組來完成金屬活性大小序列?說說自己的理由。

(6)    根據反應的結果,請歸納出活性大小序列,並寫出每一個反應的離子方程式,說明何者氧化?何者還原?

3.      沉澱反應陰陽離子分析猜猜我是誰

沉澱反應亦可以在微孔盤上進行,棋盤式的規劃,讓反應觀察變得有條理,方便觀察比較。實驗的設計可分為兩個部分,第一個部份中,同學透過裝於點滴瓶的溶液,依序滴加在自製的微孔盤上,同學透過實驗觀察與紀錄,認識各種陰陽離子在水中反應所產生的變化,並建立對照資料表。陰陽離子分析的第二部分,同學透過老師提供的未知溶液(陰離子),根據上述的沉澱資料表鑑定未知化合物的身分(陽離子),下圖為微孔盤內的沉澱反應。

clip_image035

10 微孔盤中的沉澱反應

n  原理與概念

金屬取代反應,是中學化學課本中常見到的內容,也是學習電化學的基礎。以鎂金屬與硫酸銅等溶液反應為例,大部分的中學生都可以記憶出答案,並熟練的寫出反應方程式。常見的反應方程式的答案如下式所示:

clip_image037………式(1)

但真實的實驗內容並不只有這樣,從微孔盤中得知反應的過程還有氣體的生成。從常理上判斷得知硫酸銅固體溶於水中,會發生水解作用,產生銅的氫氧化物,並釋放出氫離子,使水溶液呈酸性;此時活性大的鎂金屬可與中的氫離子作用,將氫離子還原成氫氣。但鹽類的水解作用是在高三的選修化學中出現,高一、二學生除了程度高的學生外,可能不容易答對,必須進行進一步的教學引導,才能獲效。相關反應式修正

clip_image002………式(2)

其他的鹽類中的陽離子,如鋅離子在水中亦會發生水解,所以硫酸鋅水溶液呈酸性。當鎂金屬與硫酸鋅水珠作用時,亦會產生氫氣。

溶液中鹽類的溶液的鑑定,可以用顏色,像硫酸銅溶液是藍色,硫酸亞鐵是淡綠色;若硫酸亞鐵溶液太淡,無法直接用肉眼判斷時,亦可用磁鐵吸引與鎂作用時產生金屬鐵顆粒4。下圖是利用磁鐵鑑定鐵顆粒的過程。

clip_image041

11磁鐵靠近鐵鹽溶液時,鎂片因鐵顆粒的吸附,被磁鐵吸引而移動

有關於鎂絲與硫酸亞鐵鹽的反應方程式,如下所示:

clip_image002[5]………式(3)

n   安全注意及廢棄物處理

l   本次實驗所用的CO2雷射切割機,波長為1064 nm,為高能灼熱的熱線,眼睛不可直視,切割加工過程切勿離開現場,以免起火燃燒,引發火災;產生的氣體與粉末可能對健康有害,加工前後,務必全程開啟抽風機和空氣清淨機。

l   實驗結束後,以衛生紙吸取微孔盤上的溶液,請以鑷子夾取殘存金屬絲,分開蒐集後交給老師回收。

n  參考資料

1.          施建輝,動手動腦學化學:猜猜我是誰—溶液篇。台灣化學教育電子期刊,2015,期9http://chemed.chemistry.org.tw/?p=9666

2.          廖旭茂,綠色化學實驗模組的設計與應用-1:電化學模組。台灣化學教育電子期刊,2018,期28http://chemed.chemistry.org.tw/?p=2174

3.          廖旭茂,綠色創客:微量電化學電池的設計與應用。科學研習月刊,2017,卷56,期11,頁54~62

4.          Bob Worley (2012), Microscale chemistry revisited. 2018年參考英國皇家化學學會網站,https://eic.rsc.org/feature/microscale-chemistry-revisited/2020193.article.

1274 Total Views 2 Views Today
Print Friendly, PDF & Email

Please give us your valuable comment

發佈留言必須填寫的電子郵件地址不會公開。 必填欄位標示為 *