中學化學示範: 濾紙色層分析的示範實驗和教室活動/彭郁惠、謝佶霖、陳宜玫、陳昱璇、楊水平

星期四 , 7, 5 月 2020 Leave a comment

中學化學示範:
濾紙色層分析的示範實驗和教室活動

 

彭郁惠1、謝佶霖2、陳宜玫1、陳昱旋1、楊水平1,*

1國立彰化師範大學化學系
2
國立彰化高級中學
*
yangsp@cc.ncue.edu.tw

n  前言

色層分析是物質分離的方法之一,在108課程綱要「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,明確地提到主題「物質的結構與功能(C)」和次主題「物質的分離與鑑定(Ca)」,以及第四學習階段的學習內容「Ca--1 實驗分離混合物,例如:結晶法、過濾法及簡易濾紙色層分析法。」和第五學習階段的學習內容「CCa-c-1 混合物的分離過程與純化方法:蒸餾、萃取、色層分析、硬水軟化及海水純化等。」。

本文作者設計濾紙色層分析的教學,分為兩階段:()教師示範教學,()學生教室活動。在教師示範教學方面,使用自製直立式且簡易的濾紙色層分析裝置,黏貼此大型裝置在黑板上,使學生肉眼即可清楚地觀察教師示範色素分離的過程,示範教學活動採用POEC教學策略。在學生教室活動方面,作者規劃四項參賽活動:(1)鼎鼎大名、(2)神來之筆、(3)神乎其技、以及(4)別出心裁,以化學結合藝術領域,學生的學習單寫作可作為評量學生的學習之用。

n  教師在黑板上示實驗

一、  觀看示範實驗影片

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影片:濾紙色層分析的示範實驗

(影片網址:濾紙色層分析的示範,https://youtu.be/bA_VIHZgIkE。)

二、  需用藥品和器材

水性彩色筆(12種或6種不同顏色) 1盒、水性螢光筆(5種或6種不同顏色) 5支、蒸餾水(或飲用水,裝在洗滌瓶中) 100 mL、白色PP板(約30 cm x 50 cm 2片、擦手紙(約A4大小) 2張、燒杯(或塑膠杯,約100 mL)、剪刀 1支、美工刀 1支、直尺 1個、防水 塑膠膠帶 1捲、泡棉膠 1捲、雙面膠 1捲、UV光筆 1支,如圖一所示。

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圖一:濾紙色層分析實驗所需材料

三、  示範前準備製作直立式簡易濾紙色層分析裝置

1. 使用美工刀和直尺,在一張白色PP板(約30 cm x 50cm)的底部,分別在約4 cm6 cm處輕輕地割開兩道直線(僅割開一面而另一面不割斷),以便彎折此PP板,如圖二所示。

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圖二:割開PP板的一面而另一面不割斷

2. 彎折上述的PP板成為L型,先使用泡棉膠在彎折處填補被彎折的空隙,然後利用防水膠帶固定L型形成一個長條型凹槽(展開槽),如圖三所示。

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圖三:用泡棉膠填補L型的空隙(左)、用防水膠帶黏貼彎折處形成L型凹槽(右)

 

3. 在此PP板的背面上下,各黏貼一長條的泡棉膠。另外,在一張擦手紙(取代濾紙)背面的上端黏貼一長條的雙面膠。PP板的背面上下和擦手紙的背面上端黏貼泡棉膠的位置,如圖四所示。

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圖四:PP板背面上下各黏貼泡棉膠(左)、擦手紙背面上端黏貼雙面膠(右)

四、  教師示範和POEC教學策略

(一) 教師示範在黑板上示範

1. 攜帶事前製作完成的兩個直立式簡易濾紙色層分析裝置、兩張擦手紙(約A4大小)、一杯水(約100 mL)、一個燒杯(或塑膠杯)、一支UV筆以及一盒彩色筆(12種或6種不同顏色)、一盒螢光筆(6種不同顏色)到教室的講桌上。

2. 黏貼兩個簡易的濾紙色層分析裝置於黑板上,如圖五所示。

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圖五:黏貼兩個簡易的濾紙色層分析裝置於黑板

3. 在兩張擦手紙上,分別用6種顏色彩色筆及5種顏色螢光筆畫上線段。

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圖六:使用彩色筆(左)、螢光筆(右)畫上線段

(二)使用POEC教學策略

1.    Prediction(預測):向學生說明實驗裝置和材料,請學生預測色層分析後,哪些彩色筆和螢光筆是單一種色素?哪些可分離出不同顏色?哪些顏色展開得比較快?理由為何?並填寫在學習單上。

2.    Observation(觀察):教師倒入適量的展開液(蒸餾水或飲用水)到展開槽中,分別放入畫上彩色筆及螢光筆的擦手紙到展開槽中,開始進行色層分析。不同的色素漸漸地分離出來後,請學生觀察彩色筆和螢光筆的色素分離情形,彩色筆和螢光筆分離出哪些色素?比較不同顏色色素的展開快慢為何?照射UV光,觀察螢光色素的分離情形。請學生將觀察結果填寫在學習單上。

〔註:由於色層分析需要靜待一段時間,在進行色層分析過程中,可同時安排學生分組實驗活動。

3.    Explanation(解釋):請學生討論並解釋發生此實驗現象的原理,並填寫在學習單上。

4.    Comparison(比較):請學生比較觀察現象與原先預測是否相符或相異之處,並比較在預測階段與解釋階段的變化現象解釋原因,並填寫在學習單上。教師與學生互相討論色層分析原理,請學生在學習單上修改或補充。

五、  教師示範層析的結果

1. 彩色筆和螢光筆色素的色層分析結果,如圖七所示。在彩色筆方面,可觀察到展開速率最快的是黃色色素,展開速率最慢的是紅色色素,部分黑色、紫色、紅色色素滯留在原點。在螢光色素方面,展開速率最快的是黃色螢光,部分螢光綠、螢光橘、螢光粉會滯留在原點。

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圖七:彩色筆色層分析(左)、螢光筆色層分析(右)

2. 使用雷射筆檢驗螢光色素,如圖八所示。從中可發現黃色、淺綠、橘色、粉色螢光皆為單一螢光色素,深綠色螢光筆分離出黃色螢光色素及藍色非螢光色素,其中粉色螢光強度最弱。

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圖八:UV光下,螢光色素在暗室(左)、亮室(右)的情形

3. 彩色筆和螢光筆經色層分析後,分離的顏色種類如表一所示。

表一:彩色筆和螢光筆色層分析的觀察結果

水彩筆

黑色

黃色

紫色

深綠色

紅色

深藍色

分離色素的種類

淺藍、褐色、黑色

黃色

紫色

藍色、淺綠

粉紅、橘色

紫色、藍色

單一色素或混合色素

混合

單一

單一

混合

混合

混合

螢光筆

粉色

橘色

淡綠

深綠

黃色

 

分離螢光色素的種類

粉色

橘色

淺綠

黃色、藍色(非螢光)

黃色

 

單一色素或混合色素

單一

單一

單一

混合

單一

 

n  學生教室活動

一、  分組活動前的教師講述過程

1.    教師用PowerPoint,以圖文方式說明操作濾紙色層分析的過程。

2.    在三張濾紙(150 mm)上,分別使用(1)不同顏色水性彩色筆(2)不同顏色水性彩色筆和螢光筆(3)不同顏色螢光筆,在濾紙上畫記號,提醒學生在濾紙的中心點不要劃記號。這三張濾紙分別放在培養皿上,使用PE滴管,滴加水在濾紙的中心點,觀察色素的分離情形,並使用UV光筆檢驗螢光色素。
〔註:在進行濾紙色層分析時,由於不同紙張的材質不同,吸水力也不同,以致滴加水滴數而有所不同,通常水滴在5-8
滴之間。

3.    PowerPoin上,分別展現在(1)色層分析前(2)色層分析後(未照射UV光)(3)色層分析後(照射UV光)的照片。這些展現如圖九所示。

層析過程

彩色水性筆

彩色水性筆和螢光筆

螢光筆

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圖九:在色層分析前和色層分析後(未照射UV光和照射UV光)的照片

二、  提供各組需用器材

1.    提供各組器材(放在塑膠盆中):濾紙(150 mm × 3張、110 mm × 9,共12張)、塑膠鑷子 1支、塑膠杯(小型)2個、塑膠杯(中型) 3個、蛋糕盤 1個、剪刀 1支、PE滴管 2支、培養皿(塑膠製) 2個、UV光筆 1支、飲用水(或自來水) 1杯、便條紙 5張、12色水性彩色筆(兩組共用一盒)、12色水性螢光筆(兩組共用一盒)。

2.    額外提供公共器材(放在講桌上):咖啡濾紙、餐巾紙、擦手紙A4影印紙,請學生自取。

三、  分組的實驗操作和作品競賽

1. 教師再次提示濾紙色層分析的操作過程,濾紙劃上記號或圖案後,放在培養皿上,在未劃記號的中心點滴加水,劃記號處不能直接碰到水。

2. 教師提醒學生可經由三個不同方式,獲得不同的層析的圖案,例如:(1)花瓣造型(2)剪裁造型(3)摺紙造型。再搭配不同的顏色,即可完成具有美感的作品。教師期望學生發揮想像力和創造力,製作有自己風格的作品。

3. 教師期望學生以不同操作方式,獲得四項層析的成果:(1)鼎鼎大名、(2)神來之筆、(3)神乎其技(4)別出心裁。

4. 教師講解這活動四個獎項的評分標準,作品需具有美感者。

四、  四項層析的結果舉例

(一)鼎鼎大名:在色層分析的濾紙上有自己的名字,如圖十所示。

層析過程

彩色水性筆

彩色水性筆和螢光筆

螢光筆

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圖十:鼎鼎大名,色層分析前和色層分析後(未照射UV光和照射UV光)的照片

(二)神來之筆:不同記號搭配不同的顏色,如圖十一所示。

層析過程

彩色水性筆

彩色水性筆和螢光筆

螢光筆

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圖十一:神來之筆,色層分析前和色層分析後(未照射UV光和照射UV光)的照片

(三)神乎其技:先剪裁或摺紙的濾紙,再進行色層分析,如圖十二所示。

層析過程

彩色水性筆

彩色水性筆和螢光筆

螢光筆

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圖十二:神乎其技,色層分析前和色層分析後(未照射UV光和照射UV光)的照片

(四)別出心裁:教師於課堂中未提到的製作方式,如圖十三所示。

以下作品的製作過程是使用10張過濾用濾紙(90 mm),捲成花束狀當作花瓣。以一個蛋糕盤為基底,在其中心位置使用雙面膠黏貼10個花瓣,圍繞一圈排列。然後在10個花辦距離尖狀約1 cm處,以彩色筆和螢光筆畫一個圓圈,如圖十三左所示。然後,於中心處滴入水滴,進行層析,其結果如圖十三中所示。進行色層分析後,照射UV光的結果,色彩多樣且鮮豔,極具視覺效果,如圖十三右所示。

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圖十三:別出心裁舉例,在色層分析前(左)層析後未照射UV光(中)和色層分析後照射UV光(右)的照片

圖十四的左上圖(美麗的蛋糕盤)的作品製作方式是用彩色水性筆畫出多色的記號後,在濾紙的中心處以滴管滴加水。由於滴加的速率過快顏色,以致來不及色層分析分離色素,色素隨著水的快速擴散而直接移動到濾紙的邊緣,以致在濾紙的外圈無法順利分離出不同顏色的色素。圖十四的右上圖(層析的花朵)的作品製作方式是用餐巾紙當作濾紙,色層分析後多色的餐巾紙用毛根綁成一朵花的模樣,鮮豔而美麗。圖十四的下圖(在擦手紙上作畫)的作品製作方式是用擦手紙當作濾紙,先剪成一半,再對折成三角形,以彩色筆上色,然後在三角形的一角滴加水,進行層析而得的作品。

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圖十四:美麗的蛋糕盤(左上),色層分析的花朵(右上),在擦手紙上作畫(下)。

五、  競賽評分方式和學習單撰寫

1.    在學生完成實驗後,他們的作品依序排列在自己組別的桌上,作品依照項目(1)鼎鼎大名、(2)神來之筆、(3)神乎其技、及(4)別出心裁,從左至右排列。

2.    學生進行濾紙色層分析實驗,提醒學生務必詳細地觀察實驗的過程和結果。

3.    在實驗的過程中,提醒學生仔細地思考學習單中提到的問題。

4.    在實驗的過程中,提醒學生於課堂上學到的操作方式可用於製作藝術作品。

5.    教師講解作品的評分標準。

6.    清理桌面恢復原狀,各組的作品依照參賽項目排列。

7.    以同儕互評方式,每位學生用手機在線上或在紙張選票上匿名投票各組作品,選出各項目最喜歡作品的組別,總共有4個獎項。

8.    公布投票的結果並頒獎,請得獎的小組上台發表他們如何製作他們的作品。

六、  廢棄物處理

本示範實驗和教室活動的廢棄物對環境和人體無害。PP板色層分析展開槽可重複使用,展開液(水)可直接倒入水槽中,擦手紙和濾紙放入一般垃圾桶丟棄即可。

n  實驗原理與概念

色層分析(簡稱層析法)源自1900年,在意大利出生的俄國植物學家米哈伊爾·茨維特(Mikhail Tsvet)使用碳酸鈣填充的管柱,以石油醚為展開液,分離植物色素,例如葉綠素,胡蘿蔔素和葉黃素。濾紙色層分析(Paper chromatography)是利用紙張(如濾紙或擦手紙等)的纖維作為固定相(stationary phase),單一或混合溶劑作為移動相(mobile phase),移動相藉由毛細作用吸附在固定相中展開。色層分析分離物質的原理是利用混合物中各成分與固定相及移動相附著力的差異,與固定相附著力越大、與移動相附著力越小,物質越容易滯留在原地;與移動相附著力越大、與固定相附著力越小,物質越容易展開移動,以此達到分離純化物質的效果。層析法可廣泛應用於毒物、食品、醫學分析等領域,如驗孕棒利用人絨毛膜促性腺激素(HCG)抗體與尿液中的HCG結合後,以尿液當作展開液,藉由毛細作用,將HCG複合物移動至反應測試區,使驗孕棒呈現紅線。

本實驗目的為分離水性彩色筆和螢光筆中不同的色素成分,水性筆的極性較高,以高極性溶劑水作為展開液。實驗結果可觀察到黑色、紫色、紅色色素較易滯留在原點,表示這三種色素與固定相之間的作用力較大,對於移動相的附著力較小,因此展開速率較慢。反之,黃色色素和黃色螢光色素與移動相附著力較大,因此其展開速率較快。從實驗結果得知,黑色水性筆可分離出淺藍、褐色、黑色色素,其中淺藍色位置在最前端,可由此觀察到展開速率:淺藍 > 褐色 >黑色,可推得與移動相作用力:淺藍 > 褐色 >黑色。顏色偏淺的彩色水性筆或螢光筆,通常色素組成較單純,極性高,與展開液作用力強,展開速率也較快。顏色偏深的顏色則展開速率較慢,與固定相作用力較強,通常由較多的顏色組合而成。本實驗藉由不同顏色的水性色素與固定相和移動相作用力不同而達到分離彩色水性筆和螢光筆的效果。

n  教學提示

1. 上課時間:教師示範實驗約5-10分鐘,教師講解學生活動規則約5分鐘,學生進行濾紙色層分析約20分鐘,學生討論並填寫學習單約5-10分鐘,教師與學生討論原理及其應用約10分鐘,清潔環境並頒獎約5分鐘,總共約50-60分鐘。

2. 學生分別嘗試三種條件(彩色筆、彩色螢和螢光筆混合、螢光筆)的層析,教師依課堂時間和學生學習進度,彈性調整教學內容,三種條件不一定全部都要完成。由於本實驗安的全性高,剩餘沒完成的條件也可以當作學生作業,下課後在教室或在家裡完成實驗。

3. 色層分析的劃記處務必不能直接碰到展開液(水),否則劃記號的色素難以展開。

4. 本實驗可讓學生延伸探討展開液的配製,例如:乙醇加入水中混合,使學生嘗試探索不同比例的乙醇與水,何者色層分析的效果最好。

5. 本實驗可延伸探討不同材質的固定相,比較其展開速率和分離效果。

6. 本實驗亦可延伸探討改變展開液的溫度,比較在不同溫度下的色素移動,對探索溫度對展開速率及其對分離效果的影響。

n  結語

濾紙色層分析的示範實驗和教室活動所需器材和材料可從文具行取得,其優點有:價格低廉、組裝簡易、實用性高,可重複使用、對環境友善,安全性高及便利性高,使教師和學生不需要一定要到實驗室進行教學,可以在進行課堂活動,是個非常適合作為教室活動的示範實驗,打破傳統化學實驗場地的侷限性。實驗的內容貼近學生的生活經驗,學生思考並探索日常生活中常用的色筆,是否為單一色素或是由哪些色素所組成,並且結合化學與藝術領域,激發學生學習動機和學習興趣,探索更廣泛的跨領域知識和技能。教師於課前準備的所需時間短,學生除了在教室進行實驗外,也可於家中自行嘗試。此濾紙色層分析的教學設計可延伸探討展開液的組成溫度及固定相材質的變因,作為後續探究教學的題材。

n  學習單

下載「濾紙色層分析的示範實驗和教室活動」學習單

n  參考文獻

1. 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然科學領域,國家教育研究院,107年。取自:https://bit.ly/2WPsz6I

2. 化學教室活動:食用色素和螢光筆色素的濾紙色層分析(Paper Chromatography),科學Onlinehttp://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/p=30377

3.  Chromatography, https://en.wikipedia.org/wiki/Chromatography.

4. Paper chromatography, Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Paper_chromatography.  

 

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