設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究 ／ 老嘉琪

星期五 , 8, 3 月 2019 編輯助理 本期專題, 第三十期/2019年03月 在〈設計適合國小學生動手做的化學實驗:國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究 ／ 老嘉琪〉中留言功能已關閉

設計適合國小學生動手做的化學實驗:

國小學生調配不同比例玉米粉進行「擴溶現象」之探究

老嘉琪

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

[email protected]

n  前言

暑假期間，筆者無意間在電視上看到有關玉米漿的新聞，覺得相當新奇有趣，上網查了有關玉米漿的資料，發現玉米漿在特定比例時，居然有輕功水上飄的功用，因此我們想帶著學生更深入研究它的特性。五年級康軒版第五冊第三單元「水溶液」曾介紹水溶液的酸鹼性質的特性，因此我們想利用不同的酸鹼溶劑、不同的濃度，嘗試分析玉米漿的擴溶現象情形。網路提到玉米漿的最佳比例為玉米粉和水是4：3，因此想帶學生探究玉米粉和水的比例為3：2、7：5及4：3時，其中溶劑改用酸性、中性與鹼性水溶液，而溶劑濃度分別在1％、3％、5％、7％及9％時，玉米粉的擴溶情形是否相同？

 

n  擴溶現象是什麼？

擴溶現象（非牛頓流體）：過飽和玉米粉水溶液中的分子，受到外來強大力量時，會緊密地排列，抵擋外力，有類似固體(圖一)的效果；若外力一旦解除，或遇到緩慢的力時，分子則呈現鬆散的狀態，有類似液體(圖二)的效果。

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n  研究設備及器材

 

一、澱粉：玉米澱粉。

二、藥品：純水、砂糖、食鹽、小蘇打粉、石灰水、檸檬酸、冰醋酸。

三、設備：電子秤、手機、相機、攜帶型pH計。

四、器材：燒杯、玻棒、量筒、小湯匙、滴管、抹布、衛生紙、橡皮筋、透明膠帶、乳膠檢驗手套。

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圖1 實驗器材照片

 

n  實驗過程

【實驗一】不同濃度下，玉米粉在酸性水溶液

方法：

（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。

（二）取檸檬酸，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的酸性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼性。

 

檸檬酸（ml）

1

3

5

7

9

純水（ml）

99

97

95

93

91

濃度（%）

1

3

5

7

9

 

（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的檸檬酸各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：

 

                         組別

一

二

三

玉米粉（g）

42

42

42

溶劑（ml）

28

30

31.5

粉與水重量比

3：2

7：5

4：3

 

（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。

（五）將檸檬酸改成冰醋酸，重複步驟（一）至步驟（四）。

clip_image011調配不同比例之冰醋酸

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調配不同比例之冰醋酸

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測試酸鹼性

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攪拌玉米漿

圖2學生進行實驗一的過程

                                                                                                                                             

結果：

（一）酸性水溶液之pH值

1.檸檬酸

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

2.8

2.4

2.1

1.9

1.7

2.冰醋酸

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

3.0

2.5

2.5

2.3

2.2

 

（二）玉米粉在酸性水溶液中之情形

    1. 玉米粉：檸檬酸

檸檬酸濃度

玉米粉：檸檬酸

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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7:5

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4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：檸檬酸水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在檸檬酸水溶液中之情形

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2. 玉米粉：冰醋酸

冰醋酸濃度

玉米粉：冰醋酸

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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7:5

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4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：冰醋酸水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在冰醋酸水溶液中之情形

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發現與討論：

（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的檸檬酸水溶液之酸鹼值：1%＞3%＞5%＞7%＞9%。

（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的冰醋酸水溶液之酸鹼值：1%＞3%＝5%＞7%＞9%。

（三）酸性水溶液的濃度越高，其酸鹼值越小，表示越酸。

（四）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（五）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，受濃度之影響。溶劑濃度較低者，玉米漿越容易形成擴溶現象；溶劑濃度較高者，玉米漿越不容易形成擴溶現象。

 

【實驗二】不同濃度下，玉米粉在中性水溶液

方法：

（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。

（二）取砂糖，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的中性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼度。

砂糖（g）

1

3

5

7

9

純水（ml）

99

97

95

93

91

濃度（%）

1

3

5

7

9

 

（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的砂糖水各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：

組別

一

二

三

玉米粉（g）

42

42

42

溶劑（ml）

28

30

31.5

粉與水重量比

3：2

7：5

4：3

（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。

（五）重複步驟（一）至步驟（四），將砂糖改成食鹽。

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不同濃度的食鹽水溶液

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不同濃度的砂糖水溶液

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不同濃度的砂糖水溶液與與玉米粉

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用電子秤量取玉米粉

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測試酸鹼性

 

圖3 學生進行實驗二的過程

 

結果：

（一）中性水溶液之pH值

1.砂糖水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

7.5

7.3

7.0

7.4

7.5

2.食鹽水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

7.3

7.2

7.2

7.1

7.2

 

（二）玉米粉在中性水溶液中之情形

    1.玉米粉：砂糖水

砂糖水濃度

玉米粉：砂糖水

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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Í

Í

Í

Í

7:5

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4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：砂糖水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在砂糖水溶液中之情形

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clip_image043

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2.玉米粉：食鹽水

食鹽水濃度

玉米粉：食鹽水

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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Í

Í

Í

Í

7:5

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r

r

4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：食鹽水水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在食鹽水溶液中之情形

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發現與討論：

（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的糖水水溶液之酸鹼值：1%＝9%＞7%＞3%＞5%。

（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的食鹽水水溶液之酸鹼值：1%＞3%＝5%＝9%＞7%。

（三）中性水溶液的酸鹼值呈現無規律性，表示不受濃度的影響。

（四）玉米粉在糖水及食鹽水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（五）玉米粉在中性水溶液時，不受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。

 

【實驗三】不同濃度下，玉米粉在鹼性水溶液

方法：

（一）用電子秤取42g的玉米粉十五次，分別置入十五個量杯中。

（二）取小蘇打粉，調配成重量百分比濃度1%、3%、5%、7%、9%的鹼性水溶液，並以pH檢測器確認其酸鹼度。

小蘇打粉（g）

1

3

5

7

9

純水（ml）

99

97

95

93

91

濃度（%）

1

3

5

7

9

（三）在步驟（一）的量杯中分別加入步驟（二）1～9％的小蘇打水各是28ml、30ml及31.5ml，使玉米粉與溶劑的比例如下表所示：

組別

一

二

三

玉米粉（g）

42

42

42

溶劑（ml）

28

30

31.5

粉與水重量比

3：2

7：5

4：3

（四）觀察並記錄杯中玉米漿的變化情形。

（五）重複步驟（一）至步驟（四），將小蘇打粉改成石灰水。

 

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不同濃度的小蘇打水溶液

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量取小蘇打粉

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測量水溶液的酸鹼性

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調配不同濃度的石灰水溶液

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不同濃度的石灰水溶液

 

圖4 學生進行實驗三過程

結果：

（一）鹼性水溶液之pH值

1.小蘇打水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

7.3

7.5

7.5

7.7

7.8

2.石灰水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH值

9.9

10.7

11.2

11.4

11.9

 

（二）玉米粉在鹼性水溶液中之情形

    1. 玉米粉：小蘇打水

小蘇打水濃度

玉米粉：小蘇打水

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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7:5

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4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：小蘇打水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在小蘇打水溶液中之情形

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2. 玉米粉：石灰水

石灰水濃度

玉米粉：石灰水

1％

3％

5％

7％

9％

3:2

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7:5

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4:3

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Í粉狀r半粉半漿™漿狀

 

玉米粉：石灰水溶液

3:2

7:5

4:3

玉米粉在石灰水溶液中之情形

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發現與討論：

（一）濃度1%、3%、5%、7%、9%的小蘇打水溶液之酸鹼值：9%＞7%＞5%＞3%＞1%。  

（二）濃度1%、3%、5%、7%、9%的石灰水溶液之酸鹼值：9%＞7%＞5%＞3%＝1%。

（三）鹼性水溶液的濃度越高，其酸鹼值越大，表示越鹼。

（四）小蘇打水溶液較少時，玉米漿無法形成擴溶現象；小蘇打水溶液較多時，玉米漿越容易形成擴溶現象。

（五）玉米粉在小蘇打水溶液時，不會受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。

（六）石灰水溶液較少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象；石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（七）玉米粉在石灰水溶液時，受到濃度之影響。石灰水濃度越低，玉米漿越容易形成擴溶現象；石灰水濃度越高，玉米漿越不容易形成擴溶現象。

（八）澱粉對鹼的抵抗力強，不易被分解（繼光清1988）。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中，不易形成擴溶現象。

 

n  結語

一、不同濃度下，玉米粉在酸性水溶液

（一）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（二）玉米粉在檸檬酸及冰醋酸水溶液時，受濃度之影響。溶劑濃度較低者，玉米漿越容易形成擴溶現象；溶劑濃度較高者，玉米漿越不容易形成擴溶現象。

（三）澱粉顆粒結構含有不定型區(amorphous region)和結晶區(crystalline region)。澱粉顆粒經酸水解作用會先從結構鬆散處水解，並且進入澱粉顆粒的中心，水解其不定型區，導致澱粉結晶顆粒結構不穩，最後破壞成小片段，使分子量變小；另一方面剩餘的小片段則為較不易被酸水解的結晶區，其結晶強度、熱穩定性和抗解澱粉含量皆會增加（張亙翔2012）。

 

二、不同濃度下，玉米粉在中性水溶液

（一）玉米粉在糖水及食鹽水溶液時，溶劑越少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象，溶劑較

多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（二）玉米粉在中性水溶液時，不受到濃度之影響。

 

三、不同濃度下，玉米粉在鹼性水溶液

（一）小蘇打水溶液較少時，玉米漿無法形成擴溶現象；小蘇打水溶液較多時，玉米漿越容易形成擴溶現象。

（二）玉米粉在小蘇打水溶液時，不會受到濃度之影響，但與溶劑的量有很大的關聯性。

（三）石灰水溶液較少時，玉米漿越不容易形成擴溶現象；石灰水溶液較多時玉米漿越容易形成擴溶現象。

（四）玉米粉在石灰水溶液時，受到濃度之影響。石灰水濃度越低，玉米漿越容易形成擴溶現象；石灰水濃度越高，玉米漿越不容易形成擴溶現象。

（五）澱粉對鹼的抵抗力強，不易被分解（繼光清1988）。因此玉米粉在濃度較高的鹼性水溶液中，有的可形成擴溶現象，有的卻無法形成擴溶現象。

 

n  心得感想

第一次帶學生進行科學探究活動，很多事情都懵懵懂懂、跌跌撞撞的，好在同事間願意互相幫忙，才能讓整個過程都相當順利。經過這次經驗，我學到帶領學生進行科學探究的第一步是引起孩子們的「動機」和「好奇心」，有了這兩樣法寶，才能帶領孩子熬過一些枯燥的計算，還有找資料、整理數據及繪製表格的艱辛過程。因此身為老師的我的任務即是不斷地激發孩子們的動機，時時鼓勵他們可以有一些天馬行空的想法(大膽假設)，再按照某些原理原則去設計實驗尋求答案(小心求證)。有了這次愉快的經驗，我想下次若有機會，我會大聲的說；「科學探究我來囉！~」

 

n  謝誌

感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系106學年度碩士在職專班碩一課程—化學特論（一）的周金城教授及全體同學協助，提供本文架構調整與內文修正之意見。

 

n  參考資料

一、繼光清（1988/06/22）。食品化學。財團法人徐氏基金會科學圖書大庫。

二、陳淑華（2001/11）。食物學原理。華香園出版社。

三、陳偉民、林金昇、江彥雄（2004）。3D理化遊樂場Ⅱ。天下文化書坊。

四、鍾逢彧。作品名稱：「泡膜」雲起「膜」登寶「澱」—澱粉起泡、成膜性質的探討及應用，新北市102學年度中小學科學展覽成果專輯。

五、莊雅雯、古明萱(2007)。葛鬱金與澱粉作物的澱粉性質比較。作物、環境與生物資訊4：77-87。

取自http://web.tari.gov.tw/csam/CEB/member/publication/4%281%29/008.pdf

六、趙瑩珊。非牛頓流體的奧妙。

取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2010/11/2010111422421588.pdf

七、蕭子平、林彥宏、林展諒。非牛頓也瘋狂。

取自http://www.shs.edu.tw/works/essay/2013/11/2013111220080915.pdf

八、芶芡。科技部–科技大觀園。

http://scitechvista.most.gov.tw/zh-tw/Audio/C/2/10/1/535.htm

九、澱粉特性。單元二澱粉特性之比較。

http://openinfo.npust.edu.tw/agriculture/npus12/m28/028/028%E9%A3%9F%E5%93%81%E5%8A%A0%E5%B7%A5-1-02.pdf

十、木薯粉。有健康網。

http://www.uuuwell.com/mytag.php?id=52442

十一、科學不一樣，「非牛頓流體」暫時固體記憶效應，TVBS新聞。

http://news.tvbs.com.tw/entry/542572

十二、黃芊惠、黃欣怡、黃暐家、陳宥瑾、蔡岳霖（2011）。作品名稱：遇強則強的玉米漿。科展群傑廳，臺灣網路科教館。http://www.ntsec.edu.tw/index.aspx

十三、張進宏、何儼存、楊弋潔、孫欣瑜、葉子揚（2011）。作品名稱：『澱』力公司—探討常見澱粉溶液的阻力」。金門地區第51屆科展。

取自http://passport.tc.edu.tw/contest/file/99_kinmen/a101/a101_00310.pdf

十四、張亙翔（2012）。碩士班專題討論：酸水解對澱粉物化性質的影響

取自http://niufood.niu.edu.tw/download.php?filename=1757_1f9e2f59.doc&dir=news&title=%E9%85%B8%E6%B0%B4%E8%A7%A3%E5%B0%8D%E6%BE%B1%E7%B2%89%E7%89%A9%E5%8C%96%E6%80%A7%E8%B3%AA%E7%9A%84%E5%BD%B1%E9%9F%BF-%E5%BC%B5%E4%BA%99%E7%BF%94

十五、康軒版自然與生活科技五上第三單元「水溶液」。

十六、康軒版自然與生活科技五下第四單元「聲音」。

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