中學化學示範: 綠色化學的示範實驗和實作活動 / 周芳妃、詹莉芬、陳祖望、許名智、許文綺

星期二 , 12, 5 月 2020 Leave a comment

中學化學示範:
綠色化學的示範實驗和實作活動

 

周芳妃*、詹莉芬**、陳祖望、許名智、許文綺

臺北市立第一女子高級中學
*ffchou@gapps.fg.tp.edu.tw  **
lfchan@gapps.fg.tp.edu.tw

n  前言

傳統的教室是一個以教師為中心的教室,上課時間幾乎都是由教師主導。如果整節課教學模式是講演方式,學生常常失去專注力與興趣。在化學科的教學中,若教學過程中適當地插入化學示範實驗,並安排學生參與示範實驗的討論與分享,可引發學生的好奇心與專注力,大大提升學生的學習成效。在辦理科學研習活動時,不少學校常規劃學生進入演講廳的聽講。在傳統教室或演講廳中進行化學示範實驗教學,一般人先浮現腦海中的講堂中示範實驗場景的畫面可能如下:講堂前方有長桌;講者站在長桌前操作實驗;講者使用大型容器與劑量頗多的化學試劑;觀眾用眼睛和耳朵體驗講者操作實驗所出現的聲光色或儀器量測數據的變化。

通常,若教師想在教室或演講廳中進行化學示範實驗,這些場地往往是遠離水源,甚至舖有地毯的演講廳是嚴禁有水有火的化學實驗示範活動。如果教師希望在演講廳環境也安排示範實驗時,就要考慮如何讓遠處學生也可清楚看到講台上的的化學實驗變化。目前常見的作法,除了現場加上多媒體數位轉播的輔助之外,是否也有另類思維以增強示範實驗的教學效能呢?如果講師使用100 mL的化學試劑,可否減廢減量變成總量20 mL給現場100位學生只各用5滴的操作方式呢?在遠離水源或是禁水禁火的教學場地中,是否可改用不滴液和不漏液的紙上實驗呢?本篇將介紹綠色化學思維的「化學貼貼樂」範例,透過包膜與紙張剪裁設計,易於準備的「可攜式」與「半乾式」化學材料包,適合教師在演講時的示範教學並提供每位學生在大會議室的現場實作化學實驗(見圖1),又可讓學生留著作品,加以時日觀察後續的化學變化。

在「十二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自科學領域課程綱要」中,有提到主題「物質的反應、平衡及製造 J和副主題「氧化還原反應Jc)」,以及相關的學習內容「CJc-Va-3 氧化還原反應與均衡。」;另一涉及主題為「科學、科技、社會及人文(M)和副標題「科學在生活中的應用(Mc)」,以及相關的學習內容「CMc-Va-2 常見金屬及重要的化合物之製備、性質及用途、CMc-Va-4 常見非金屬與重要的化合物之製備、性質及用途」。「化學貼貼樂」的化學內涵符合上述的描述。

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1:新北市國中生數理資優營「化學貼貼樂」講師在演講廳演講(左);以及講師正在示範教學(中);每位學生在現場實作化學實驗(右)。

n  化學示範與活動實例「化學貼貼樂」

今(2020)年3月時,筆者們帶著代表綠色化學12原則的12位北一女中學生擔任環保署化學局活動,大家在「防疫森呼吸嘉年華」活動中與老老小小的民眾操作「化學貼貼樂」實驗並推廣綠色化學知識(見圖2)。

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2:「防疫森呼吸嘉年華」學生志工示範教學(左、中);現場民眾實作化學實驗(右)。

一、  事先準備

在這次的大安森林公園活動中,教師和志工在示範教學和現場活動前,事先準備所使用的藥品和材料,如圖3所示。(一)配製每套器材包所需四種試劑:1 M硫酸銅0.5 mL1 M醋酸鈉3滴、1 M硫代硫酸鈉3滴及0.1 M碘化鉀3滴。依據人數準備所需總量,例如100人次的1 M硫酸銅總量為50 mL1 M醋酸鈉總量為300滴(約15 mL)。(二)「化學貼貼樂」材料包:先剪裁一個較長的塑膠袋成為四個內夾袋,作為包住各試劑之用。再分別滴入四種試劑在吸水性高的圓濾紙(硫酸銅)、濾紙條(醋酸鈉)、棉花(硫代硫酸鈉)、和紗布(碘化鉀)之上,分別裝入四個內夾袋,各試劑之間不可相互接觸,如圖3的上圖所示;然後放入較短的外套袋中,即成為實驗用材料包,如圖3的下圖所示。教師和學生志工利用社團課的時間事先製作,完成後可整批用用牛皮紙袋遮光收藏,可分批陸續使用。目前筆者的經驗收藏達兩個月的材料包套件,取出時仍可以使用。

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3:四種試劑滴加在吸水性高的材料上(上);「化學貼貼樂」材料包的組裝(下)。

二、  教師示範和民眾動手實作

「化學貼貼樂」的教師示範和民眾動手實作方面,如圖4所示。(一)操作步驟:先取得一個材料包,移去外套袋,先翻開最大的內有圓濾紙的內夾袋,並把這張最大的內夾袋塑膠膜當作防水底板。再打開其他三個小內夾袋,取出濾紙條(醋酸鈉)、棉花(硫代硫酸鈉)、和紗布(碘化鉀),分別放在圓濾紙(硫酸銅)的上面不同位置,蓋好最大的內夾袋。然後放回外套袋,如圖四的上圖所示。(二)觀察化學反應:10分鐘內的變化,以及數日到數週的變化,如圖4的上圖所示。「化學貼貼樂」的實驗結果有如:棉花青天白雲、濾紙條綠茂森林、紗布肥沃土壤。

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4:教師示範和民眾實作「化學貼貼樂」的過程(上);10分鐘內觀察化學反應的濾紙正面(左下)和濾紙反面(中下),長時間(右下)觀察結果。

在「防疫森呼吸嘉年華」活動中,有安排「化學貼貼樂」的教學,其課程開場PPT,如圖5的上圖所示。先說明這次活動的課程內容,包括:化學貼貼樂、化學猜猜樂和化學選選樂;接著發放「化學貼貼樂」材料包給民眾,教師示範如何打開材料包的內夾袋與貼貼樂的做法,民眾放置內夾袋沾有不同試劑的棉花、紗布與條狀濾紙貼到圓濾紙上,其解說的PPT,如圖5的下圖所示。民眾觀察在手掌上的「化學貼貼樂」圓濾紙上逐漸地擴開的顏色變化。

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5:「防疫森呼吸嘉年華」活動教學開場PPT(),教師示範與民眾觀察的PPT()

「化學猜猜樂」是請民眾舉手回答材料上沾有的試劑是什麼藥品,如圖6左所示。提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性,此時可提供現場獎品給熱烈回應的觀眾。其實一般觀眾未必具有足夠的中學化學基礎知識,或是在場的小朋友年紀太小,但是先鼓勵觀眾用力猜猜,啟發一般民眾對於認識化學品的興趣。

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6:提示觀眾四種化學試劑的外觀與反應特性,進行「化學猜猜樂」的PPT

公布「化學猜猜樂」答案,由於非常多的化學品是不可以誤用於食品加工,在介紹化學瓶之後,並接著介紹四種化學試劑的物質安全資料表,讓觀眾知道隨時可以上網查詢化學品知識,如圖7所示。說明LD50的意義,以及四種試劑常見的用途,如圖7所示。

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7:介紹四種化學試劑的物質安全資料表的PPT

進行「化學選選樂」活動,依據示範與實作實驗的設計內容,列出符合綠色化學十二原則的項目有哪些?最後致謝大家。進行「化學選選樂」活動,依據示範與實作實驗的設計內容,列出符合綠色化學十二原則的項目有哪些?此時又可提供現場獎品給熱烈回應的觀眾。「化學貼貼樂」的實驗設計可符合綠色化學十二原則的項目包含有:減廢、物盡、低毒、保安、降輔、節能、簡潔、可解、思危。

n  從觀察顏色變化推知化學反應

一、  銅離子和銀離子對碘離子的競爭反應

離子(I)與銅離子(Cu2+)可發生氧化還原反應,其初期產物為亞銅離子(Cu+)與碘分子(I2),亞銅離子又繼續與碘離子發生沉澱反應,生成灰白色的碘化亞銅(CuI)固體。碘分子(I2)也繼續與碘離子發生與錯合反應,生成黃褐色的三碘錯離子(I3),其化學反應如式[1]所示。

2Cu2+(aq) + 3I(aq) à 2CuI(s) + I3(aq)    [1]

若加入銀離子(Ag+),則發生碘化銀(AgI)的沉澱反應,其化學反應如式[2]所示。消耗碘離子而造成式[1]的反應向左移動,以致黃褐色的三碘錯離子(I3)逐漸減少。

Ag+(aq) + I(aq) à AgI(s)    [2]

在圖8的所有照片,左方(甲條件):在大圓濾紙上滴加10滴的0.1 M碘化鉀,在小方濾紙上滴加2滴的1 M硫酸銅。右方(乙條件):在大圓濾紙上滴加10滴的0.1 M碘化鉀,2滴方形濾紙上滴加2滴的1 M硝酸銀。中間為(甲+乙條件):在大圓濾紙上滴加10滴的0.1M碘化鉀,在左上方的方形濾紙上滴加2滴的1 M硝酸銀,在右下方的方形濾紙滴加2滴的1 M硫酸銅。在圖10的照片是經過多日觀察的實驗結果。

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8觀察日期先後:一開始第一日、第二日、第三日、第七日、第十日(由上而下)。

左方(甲條件)的反應產物為白色的AgI,如式[1]所示。右方(乙條件)的反應產物為的黃褐色三碘錯離子(I3),如式[2]所示。中間(甲+乙條件)從第三日起黃褐色的三碘錯離子(I3)產物逐漸消失,這是由於過量的銀離子(Ag+)與三碘錯離子(I3)中的碘離子(I)反應,生成白色的AgI,如式[2]所示,而造成反應式[2]的反應逐漸向左變動,可以觀察到黃褐色逐漸消失。這實驗每次以三張濾紙進行,可以從甲、乙對照組看到明顯的差異結果。

二、  銅離子的多重化學反應

碘離子(I)與銅離子(Cu2+)的化學反應非常多元,包含氧化還原反應和沉澱反應,可以觀察到明顯的顏色變化,再加入其他試劑,也可以看到不同的反應現象與多樣的化學平衡移動。圖9為化學平衡移動的顏色變化,試管原先含有0.1 M CuSO4,然後添加數滴的反應試劑(由左而右)依序為0.1 M KI、去漬油(含烷類有機物)、0.5 M NaOH2~12 M NH32~12 M HNO33.0 M NaOH

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9:在試管中陸續加入銅離子(Cu2+)、碘離子(I)、去漬油與各種酸鹼試劑發生反應,混和溶液有攪拌與未攪拌的操作,變化出多元多層的色彩。

由觀察的試管中陸續出現的顏色變化,推知生成的產物,自圖11試管內容物加以說明:

試管[A]:內容物為0.1 M CuSO4

試管[B]:內容物(混合溶液未攪拌)為加入KI後的現象,下層出現黃褐色的三碘錯離子(I3),其反應如式[1]所示。

試管[C]:內容物(混合溶液有攪拌)整體變成黃褐色,不透明膠狀物是由於生成碘化亞銅固體(CuI),其反應如式[1]所示。

試管[D]:內容物(混合溶液有攪拌)為加入去漬油(含烷類有機物)後的現象,去漬油萃取碘分子(I2),其顏色變化為碘分子在有機層呈現紫色。

試管[E]:內容物(混合溶液未攪拌)為加入微量氫氧化鈉(NaOH)後的現象,下方水層已經生成淡藍色產物為氫氧化銅(Cu(OH)2),上層有機層仍有碘分子的紫色。其反應如式[3]所示。

Cu2+(aq) + 2NaOH(aq) à Cu(OH)2(s) + 2Na+    [3]

試管[F]:內容物(混合溶液有攪拌)上層為有機層碘在鹼性中自身氧化還原反應而使碘(I2)的紫色完全消退,其反應如式[4]所示。接著再加入氨水(NH3ŸH2O)(混合溶液未攪拌),其下層有些氫氧化銅(Cu(OH)2)轉變成為四氨銅錯離子([Cu(NH3)4]2+),而使中層呈現深藍色,其反應如式[5]所示。

Cu(OH)2(s) + 4NH3(aq) à [Cu(NH3)]42+(aq) + 2OH(aq)    [4]

3I2(s) + 6 OH (aq) à 5I (aq) + IO3 (aq) + 3H2O(l)    [5]

試管[G]:內容物(混合溶液未攪拌)為加入硝酸(HNO3)後的現象,靜置出現彩虹色層。由於HNO3與試管內已有的鹼性物質發生中和反應,氨分子也消失,因此使反應式[1][3]~[5]皆發生逆反應。

試管[H]~[J]:內容物(混合溶液漸漸攪拌)的現象,一些硝酸分解反應產生了二氧化氮(NO2)或亞硝酸根(NO2)此類配位基,造成銅離子形成複雜且顏色藍藍綠綠的各式錯合物。

三、  「化學貼貼樂」的化學反應

「化學貼貼樂」的化學反應有硫酸銅與其他三種試劑(醋酸鈉、硫代硫酸鈉、碘化鉀)的反應。除了當場10分鐘之內的反應,還有長時間的反應。前述反應式[1]以說明硫酸銅與碘化鉀的反應;硫酸銅也可與醋酸鈉產生藍綠色的醋酸銅(Cu(CH3COO)2),濾紙上的水分逐漸乾燥後,可觀察到藍綠色的醋酸銅晶體,如圖10左所示。硫酸銅與硫代硫酸鈉的反應途徑變化較多,具有還原力的硫代硫酸根離子(S2O32‒)與具有氧化力的銅離子(Cu2+)發生反應,一開始藍色銅離子會變成無色的亞銅離子(Cu+),反應如式[6]所示。隨之濾紙上的液體顏色從淡藍色變成綠色,此可能是銅離子與亞銅離子錯合物混合後的顏色。大約1~48小時,綠色物質轉變成明顯的黃色,有文獻提到此黃色物質是亞銅離子與硫代硫酸根形成的錯合物([Cu(S2O3)3]5‒),反應如式[7]所示。如果硫代硫酸鈉濃度更高,也可觀察到暗紅色的氧化亞銅(Cu2O)固體,如圖10右所示。

Cu2+(aq) + S2O32-(aq) à Cu+(aq) + SO42-(aq)       [6]

Cu+(aq) + 3S2O32-(aq) à [Cu(S2O3)3]5-(aq)       [7]

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10:「化學貼貼樂」放置數天後的現象:在圓濾紙與條狀濾紙上可觀察到藍綠色的醋酸銅晶體(左);條狀濾紙上有亞銅離子與硫代硫酸根形成的黃色錯合物,以及暗紅色的氧化亞銅(右)

n  「化學貼貼樂」納入社團活動

高中化學實驗教學進行減廢減量低毒的研發設計,由於方便性大增,因此可以換取到很多時間讓學生進行探究活動。本校化學科教師協助學生設立化學實驗社,一批熱愛做實驗的學生就可以利用社團時間進行很多示範實驗的研發工作,進而學生完成探究活動,教師也經由指導學生而快速找到設計示範實驗的最佳條件。

教師指導社團學生進行探究活動過程,可安排教學幹部先查詢資料並推測可能發生的化學反應。可利用多孔盤讓學生以不同滴數的方式驗證反應的現象,我們稱呼它為「化學滴滴樂」,可在短時間內觀察到反應現象。而將實驗設計成「化學貼貼樂」時,就以不同時日觀察結果作為紀錄與比較。「化學滴滴樂」與「化學貼貼樂」兩者教學活動的時間順序顛倒了,也沒有關係,學生可以區別出溶液中的反應與在濾紙上「半乾式」的反應速率大有不同。觀察時日較久的「化學貼貼樂」現象,也要考量空氣中氧氣、二氧化碳與水氣的參與反應情形。圖11是化學貼貼樂課程納入社團課的情形。

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11:「化學貼貼樂」課程納入社團課,學生幹部推測可能發生的化學反應(左);在實驗室中的「化學貼貼樂」研發與製作(右)。

n  結語

十二年國民教育基本精神以「學生為終生學習者」為願景發展108課綱,在自然科學探究與實作的課程中,希望能培養學生「發現問題、規劃與研究、論證與建模及表達與分享」等關鍵能力。在本文之「化學貼貼樂」研發與製作過程中,不僅是教師版的探究與實作的發展歷程,而學生在進行「化學貼貼樂」的教學活動中,同時可應證化學課本內容所提知識、實踐綠色化學精神,尤其在實作的過程中,每位同學可因實驗操作、觀察時間之不同,有不一樣的化學變化與實驗結果,刺激學生從比較差異開始,發現問題,規劃與研究……,把探究思考力融入學習科學的過程中,實為一個可以培養學生多元能力的示範實驗或教學活動。

n  參考資料

1.   行政院環境保護署毒物及化學物質局全球資訊網。取自:https://www.tcsb.gov.tw/mp-1.html

2.  二年國民基本教育課程綱要國民中小學暨普通型高級中等學校自然科學領域,國家教育研究院,107年。取自:https://bit.ly/2WPsz6I

3.  色化學創意競賽網,教育部。取自:https://chem.moe.edu.tw/green

4.  專校院綠色化學創意競賽,行政院環境保護署毒物及化學物質局。取自:https://topic.epa.gov.tw/greenchem/np-307-1.html

5.  黃暴風雪反應:The “Yellow nowstorm” Reaction。取自:http://www.crscientific.com/article-redox3.html

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