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, 三月 2019 Leave a comment

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

a0911560152@gmail.com

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43,因此想帶學生探究玉米粉和水的比例為327543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。

clip_image003

 

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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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)19%的檸檬酸各是28ml30ml31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:

 

                         組別

玉米粉(g

42

42

42

溶劑(ml

28

30

31.5

粉與水重量比

32

75

43

 

(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

clip_image013

調配不同比例之冰醋酸

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測試酸鹼性

clip_image017

攪拌玉米漿

2學生進行實驗一的過程

                                                                                                                                             

結果:

(一)酸性水溶液之pH

1.檸檬酸

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

2.8

2.4

2.1

1.9

1.7

2.冰醋酸

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

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

Í

Í

Í

Í

7:5

Í

Í

4:3

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

clip_image019

clip_image021

clip_image023

 

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

Í

Í

Í

Í

Í

7:5

Í

Í

4:3

r

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

clip_image025

clip_image027

clip_image029

 

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)19%的砂糖水各是28ml30ml31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:

組別

玉米粉(g

42

42

42

溶劑(ml

28

30

31.5

粉與水重量比

32

75

43

(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。

clip_image031

不同濃度的食鹽水溶液

clip_image033

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

clip_image037

用電子秤量取玉米粉

clip_image039

測試酸鹼性

 

3 學生進行實驗二的過程

 

結果:

(一)中性水溶液之pH

1.砂糖水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

7.5

7.3

7.0

7.4

7.5

2.食鹽水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

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

Í

Í

Í

Í

Í

7:5

r

r

r

r

r

4:3

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

clip_image041

clip_image043

clip_image045

 

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

Í

Í

Í

Í

Í

7:5

r

r

r

r

r

4:3

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

clip_image047

clip_image049

clip_image051

 

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)19%的小蘇打水各是28ml30ml31.5ml,使玉米粉與溶劑的比例如下表所示:

組別

玉米粉(g

42

42

42

溶劑(ml

28

30

31.5

粉與水重量比

32

75

43

(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。

 

clip_image053

不同濃度的小蘇打水溶液

clip_image055

量取小蘇打粉

clip_image057

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

 

4 學生進行實驗三過程

結果:

(一)鹼性水溶液之pH

1.小蘇打水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

7.3

7.5

7.5

7.7

7.8

2.石灰水

 

1%

3%

5%

7%

9%

pH

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

Í

Í

Í

Í

Í

7:5

r

r

r

r

r

4:3

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

clip_image063

clip_image065

clip_image067

 

 

 

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

Í

Í

Í

7:5

r

r

Í

4:3

Í

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

clip_image069

clip_image071

clip_image073

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。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477-87

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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