臺灣化學教育

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
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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。

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。

圖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.      鎂(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.      在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。

圖2：大型微孔盤壓克力底座（左）及矽膠上蓋（右）

圖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。

圖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。

圖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。

圖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。

圖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)

圖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。

圖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。

圖8：鎂絲與乙溶液的反應圖

(3)    承上，在圓孔C、D、E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。

圖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)

表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
甲
乙
丙
丁
戊

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。

圖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A、B、C、D、E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。

圖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：

………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

………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。

圖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：

………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9，http://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28，http://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.