臺灣化學教育

兩岸化學教育高峰論壇:「自然科學探究與實作」之我見—
以在客廳可以實作的化學反應為例

蕭次融

國立臺灣師範大學化學系（退休教授）
[email protected]

 

n  摘要

教師演示點燃的火柴使黃褐色的液體褪為無色，引起學生探究其因的興趣。教師提示可用化合物替代點燃的火柴，於是學生上網找相關資料。在探討火柴頭和優碘的成分以及其性質後，並以二級研究（secondary research）的方式探究其化學反應。然後學生設計一個問題解決的實作實驗，如何使黃褐色的液體褪為無色並使其顏色復現的方法，並解釋其原理。

n  簡介

對於以往的科學教學偏重知識概念的講授，依據《十二年國民基本教育課程綱要》的《自然科學領域課程手冊》，著重科學探究能力培養，強調科學素養的養成，注重與日常生活的連結。新課綱的教學要以主題的方式，注重「探究學習」和「實作學習」，並且要以學生為主。教師的任務在「探究與實作」的活動中，應扮演引導者的角色，引導學生觀察現象、形成問題、提出可驗證的觀點、尋找變因、收集與分析資料、解釋與推理、歸納結論、提出建議以及預期的發展等等。

雖然新課綱強調自然科學教育法，但是多數教師期望有可參考的教材內容和教學指引。高中「自然科學探究與實作」是包含在十二年課綱新設必修的領域課程，占自然科學領域部定必修12學分的三分之一，分成「探究」與「實作」兩個面向，教師必須執行，實作是學習的過程，而探究能力的培養才是目標。

本文提出「在客廳可以實作的化學反應」，作為設計探究與實作的參考。首先教師演示點燃火柴使碘酒褪色的實驗，以引起學生探究其化學變化的興趣，進而搜尋相關資料和進行二級研究，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的概念。接著，教師提出優碘褪色和復現的問題，分發實驗器材：碘酒、雙氧水、白開水、餅乾、火柴與透明玻璃杯，以及標籤為X與Y的兩支無色液體的點滴吸管，要求學生分組討論並利用所分發的實驗器材，自行設計實驗步驟並進行實作，找出問題的答案並發表其實驗結果。最後，教師引導學生發展出「氧化還原反應」的延伸—「自身氧化還原反應」的概念，並理解其異同。（註：X是約1 M的NaOH溶液，Y是約1 M的HCl溶液。以上所述純屬個人看法，僅供同好參酌。）

二級研究涉及現有研究的總結、整理和／或綜合。二級研究與一級研究形成對比，主要研究涉及數據的生成，一級研究資料作為二級研究分析數據的來源。二級研究可以從教科書、百科全書、回顧文章、已發表的學術論文、統計數據庫和歷史記錄中提取數據。

本文的內容：一、教師演示實驗（點燃火柴，碘的褪色）；二、學生用二級研究的方式探究碘液褪色的原因（火柴頭藥的成分、碘的性質、以及發生化學反應）；三、學生以問題解決的方式實作碘液褪色又復現的作法；四、學生實作後的問題與評量；五、參考資料；六、附錄：(一)108指考化學試題（可供問題解決試題的參考）、(二)2018遠哲科趣全國競賽（可供問題解決實作試題的參考）和(三)各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為這次二級研究和問題解決的參考）。

n  教材設計

一、教師演示實驗

教師點燃的火柴，立即放入盛有碘溶液的透明塑膠杯中，學生用肉眼可分辨的現象發生！

(一)  實驗器材

1.優點液（1瓶），2.雙氧水（1瓶），3.鹽酸（約1 M），4.氫氧化鈉（約1 M），5.澱粉液（0.01％或餅乾），6.火柴（1盒），7.透明塑膠杯（8個），8.鐵絲（直徑約1毫米，長25公分）

〔註1〕：碘酒和雙氧水：取自急救箱，如照片1的中間兩瓶所示。

〔註2〕：第3、4、5項的溶液，均裝於5毫升的點滴瓶（也可裝於3 mL的點滴吸管），如照片1右邊所示。

〔註3〕：鹽酸可用食醋或酸性浴廁清潔劑替代，氫氧化鈉則可用管路疏通劑替代，但用量（濃度與滴數）要調整。

〔註4〕：演示神奇的七個杯子，需要另加酚酞溶液（0.4%）或紫色高麗菜汁。

照片1：演示碘褪色使用的器材

 

(二)  教師演示與學生觀察

1.        教師倒清水約10毫升於透明塑膠杯中，滴入碘酒數滴直到溶液呈現黃褐色為止。

2.        一手拿黃褐色溶液的塑膠杯和火柴盒，並用第二個空透明塑膠杯的杯底當作杯蓋，如圖1所示。

 

圖1：一手拿好相疊的兩個透明杯和火柴盒，另一手拿火柴準備點燃火柴。

3.        用另一支手點燃火柴，立即移入第一個塑膠杯中，但是切勿碰觸到溶液，如圖2A所示。

4.        以第二個空塑膠杯的杯底輕蓋第一個塑膠杯，然後搖動塑膠杯，立即觀察到黃褐色的碘液褪為無色，如圖2B所示。

5.        如果碘液不褪為無色，重複步驟3、4數次，直到無色為止。

6.        在無色的溶液中，加入雙氧水數滴，靜待一會兒，碘的黃褐色復現。

7.        加入少許的澱粉液或餅乾屑，溶液慢慢地呈現藍色或藍黑色。

 

圖2：點燃火柴，使碘液黃褐色褪色。(A)點燃的火柴，立即移入杯內。(B)輕蓋杯子後搖動杯子，碘液由黃褐色變為無色。

二、學生「探究」碘液褪色的原因：二級研究^*2

學生進行二級研究：教師提醒學生上網搜尋火柴的頭藥成分與碘的性質，並解釋為何點燃的火柴可使碘液變為無色。探究的結果，學生知道火柴頭藥的成分含有硫，點燃後氧化為二氧化硫，溶於水成為亞硫酸，具有還原力，可使碘液褪色，碘分子被還原為碘離子。

學生觀看教師的演示實驗後，教師引導學生利用「二級研究」來探究下列事項：

探究過程	主要探究事項	學生二級研究的重點
1.     觀察現象	觀察碘液發生褪色。	碘液與H2SO3(aq)作用。
2.     形成問題	為什麼會褪色？	發生化學變化。
3.     提出可驗證的觀點	提出碘與亞硫酸發生氧化還原反應。	碘具有還原性，H2SO3具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。
4.     尋找變因	找出化學反應的種類。	知道化學反應的種類及其概念 種類一：化合反應、分解反應、置換反應和複置換反應。 種類二：化合反應、分解反應、有機反應、酸鹼反應、氧化還原反應和燃燒反應。
5.     收集與分析資料	找到碘和亞硫酸的性質（外觀顏色和氧化數）。	碘分子：黃褐色，氧化數為0；碘離子：透明無色，氧化數為‒1。 亞硫酸：透明無色，硫的氧化數為+4；硫酸：透明無色，硫的氧化數為+6。
6.     解釋與推理	碘具有還原性，H2SO3具有氧化性；兩者發生氧化還原反應。	碘的化合物均為無色，由此推測碘在演示過程中的優碘中碘分子被還原為碘離子。
7.     歸納結論	歸納碘與亞硫酸發生氧化還原反應。

 

三、學生「實作」碘液褪色的作法：問題解決

教師提出問題：使用提供的藥品，如何使碘液褪色又復現來回循環兩次的實驗？

學生首先設計一個可以在客廳或教室操作的簡而有趣的化學（Plain and Attractive Chemistry，簡稱PAC）實驗，並且動手操作碘液褪色又復現的實驗。接著，學生理解碘液褪色又復現是碘發生自身氧化還原反應。

學生的問題解決的方法之一：(1)先以亞硫酸使碘液褪色；(2)然後加雙氧水，使黃褐色復現；(3)再加氫氧化鈉（X），使黃褐色又褪色；(4)最後加鹽酸（Y），使黃褐色復現。

學生的問題解決的方法之二：使用的溶液分成兩部分：A與B做比較實驗，其實驗流程如圖3所示

圖3：學生問題解決的方法之流程圖

四、問題與評量

(一)討論的問題

(二)評量的問題

1.    碘液為什麼會褪色？顏色為什麼會再現？

2.    承上，這發生什麼反應？（答：碘的氧化與還原以及碘的自身氧化還原）

(三)實作評量

實作評量包含動態評量和靜態評量，如下所示：

1.    動態評量（學生操作實驗時，教師現場評量學生動手操作實驗的下列項目）

(1)器具以及藥品的取用；(2)動手操作實驗（實驗步驟與方法）。

2.    靜態評量（實驗後寫在紙面的項目）

(3)實驗結果；(4)實驗報告：鑑定結果，填寫未知液體的編號在空格內。

未知液體	I2	HCl	H2O	H2O2	H2SO3	KI	NaOH
答案

 

未知液體	I2	HCl	H2O	H2O2	H2SO3	KI	NaOH
答案號碼	1	5	7	3	2	6	4

註：*1.本文純屬筆者之「我見」，有關探究與實作的評量方式，請參考大考中心即將公布的「考試說明」以及「參考試卷」。

*2.「二級研究」一詞係審查人加上的，意指「透過資料搜尋和整理的非實驗探究」。

n  參考資料

1.   國立臺灣師範大學化學研究所，火柴頭成分的探討，《國中理化，教師示範實驗》，1986，頁5~10。

2.   蕭次融，可在客廳演示的化學遊戲，《科學月刊》，2014，5月號，頁340~6。

n  附錄

一、108學年度指定科目考試化學科試題（2019年7月1日，可作為實作評量的參考）

二、2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽（2018年12月23日，可作為實作評量的參考）

三、各液體與本活動有關的性質以及未知溶液的編號（作為此次探究與實作活動的參考）

附錄一

108學年度指定科目考試試題

6-7為題組

做完秒錶反應後，為了要同學探究實驗過程中的試劑與其化學反應，張老師又用一個燒杯，演示了一組實驗。簡要過程如下：取一個盛有去離子水100毫升的大燒杯，放置於攪拌器上，使燒杯內的水穩定攪拌，然後滴入碘酒，使溶液呈現黃褐色。

①加入X試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ②加入雙氧水，黃褐色復現。

③加入Y試劑，黃褐色褪去，溶液呈現無色。     ④加入鹽酸溶液，黃褐色復現。

其流程如右圖，①②③④為反應過程序號，依據實驗回答6-7題：

6.  在①的步驟中，加入的試劑X是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

7.  在③的步驟中，加入的試劑Y是什麼？

(A)               (B)           (C)           (D)            (E)

答：6 (B)；7 (C)。

 

附錄二

2018年第24屆遠哲科學趣味全國競賽

化學尋寶

(一)      器材

點滴吸管（10支、編號0-9號，含未知液體）。另外1支沒有編號的點滴吸管，內裝蒸餾水，供擦洗墊板之用。咖啡棒1支、墊板1張、面紙1包。

注意：先檢查器材是否齊全？若否，請舉手補全。

(二)      問題解決—化學尋寶

化學尋寶是未知液體的分析，方法與尋寶相似。先找一個線索，然後用這個線索找別的線索，如此一直找下去。

優點：安全性高，簡而有趣，用量少，變化快，具有創造思考性，在教室的課桌上可操作。

(三)      實作命題一

下列五種無色液體，如何分辨？

KI(aq)、H₂O₂(aq)、H₂SO₃(aq)、HCl(aq)、NaOH(aq)

(四)      寫出尋寶計畫一

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）一。

(五)      實作命題二

未知液體7種：I₂、KI、H₂O、HCl、H₂O₂、NaOH、H₂SO₃，裝於編號0~9的10支3 mL點滴吸管（有3種液體重複）。試用上述未知液體互相作用，鑑定各未知液體。

(六)      學生寫出尋寶計畫二

同隊的學生參考第2頁（背面）的資訊，互相討論、作筆記，寫出簡要尋寶計畫（方法）二。

(七)      實驗操作方法舉例

1.  在墊板上，滴下1滴1號的未知液體，然後在其上，滴下1滴2號的未知液體，用咖啡棒攪一攪，觀察有何變化？

2.  在這無色的液體上，滴下1滴3號的未知液體，攪一攪，觀察有何變化？黃褐色是否再現？

3.  再在其上，滴下1滴4號的未知液體，有何變化？想一想1~4號的未知液體是什麼？

注意：(1)今天的實驗可說是點滴實驗，每次只用1滴至多2滴，多加反而無益。

(2)每支液體只可滴出約18滴，用完不能補充。

4.  用面紙擦一下墊板上的液體，再用蒸餾水滴在墊板上兩三滴，用咖啡棒攪和後，擦乾就可繼續使用。

(八)      實際操作：（學生自行設計）

1.    仿照上述方法繼續操作，鑑定各未知液體。（共10支）

2.    鑑定完畢後，必須一支一支地確認未知液體

3.    答案寫在答案紙上。

附錄三

表1：各液體與本活動有關的性質（供探究活動的參考）

液體	顏色	氧化數	化學反應
碘液	黃褐色	0	易被還原成無色的碘化物；與鹼液會發生自身氧化還原反應，生成無色的碘離子與無色的碘酸離子。
碘的化合物	無色	-1，1，3，5，7	碘離子會被雙氧水氧化，生成黃褐色的碘液；碘酸離子會氧化碘離子為黃褐色的碘液。
亞硫酸	無色	其中硫的氧化數為4	會還原黃褐色的碘液為無色碘離子。
碘化鉀	無色	其中碘的氧化數為-1	會被雙氧水氧化成黃褐色的碘液。
氫氧化鈉	無色	氧化數不易變化	鹼性會使碘液產生自身氧化還原反應。
鹽酸	無色	同上	酸性，會產生上項自身氧化反應的逆反應。

表2：未知溶液的編號