中學化學示範:氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡 / 蔡欣展、陳芷誼、楊水平

星期五 , 8, 5 月 2020 Leave a comment

中學化學示範:
氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡

 

蔡欣展1、陳芷誼2楊水平3,*

1彰化縣立鹿江國際中小學
2
彰化縣私立精誠中學
3
國立彰化師範大學化學系
*
yangsp@cc.ncue.edu.tw

  • 前言

本示範實驗為「氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡」,有關可逆反應與化學平衡,在108課綱中,編列於自然科學領域課綱的國民中學學習階段之主題「物質的結構與功能(C)」之次主題「物質的分離與鑑定(Ca)」,其學習內容有「Je--2 可逆反應」;以及主題「物質的反應、平衡及製造」之次主題「化學反應速率與平衡」,其學習內容有「Je--3 化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素」。在新課綱中,有關可勒沙特列原理,編列於普通型高級中等學校化學科加深加廣選修課程的主題「物質的反應、平衡及製造(J)」之次主題「化學反應速率與平衡(Je)」,其學習內容有「CJe-Va 6勒沙特列原理」。

雖然在國中階段學生已經有所接觸氯化亞鈷檢測物質含水的實驗,但是本示範實驗更進一步討論濃度和溫度對氯化亞鈷化學平衡的影響,除了讓學生學會化學平衡之外,也能更進一步了解化學平衡的移動和勒沙特列原理。在教學上,作者規劃以「以學生為中心」的教學,以互動討論方式進行化學示範,教師提出有意義的問題促使學生有機會思考並且主動參與學習,進而學到相關的原理和概念。學生主動地參與化學示範教學有三個面向:介紹面向(Introduction phase)、演示面向(Presentation phase)和結論面向(Conclusion phase)。在介紹面向中,教師介紹器材和藥品以及提出問題;在演示面向中,教師示範化學實驗並且學生觀察變化現象;在結論面向中,教師與學生互動討論且解釋變化現象的科學原理和概念,以及學生連結新學到的概念和原理應用到日常生活和新的情境中

  • 觀賞示範影片

 

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影片網址:氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡,https://youtu.be/Ido70JIw3CM

  • 藥品和器材

示範實驗需用:氯化亞鈷(Cobalt(II) chloride1瓶、氯化鈣(Calcium chloride1瓶、蒸餾水(100毫升) 1杯、噴霧瓶2個、燒杯(100毫升)1個、水彩筆1支、寶特瓶(空瓶)2個、粉紅色紙2張、黑色PP1塊、衛生紙若干張、擦手紙若干張,如圖一所示。

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圖一:示範實驗所需藥品與器材

解說實驗需用:氯化亞鈷(Cobalt(II) chloride1瓶、氯化鈣(Calcium chloride1瓶、燒杯(250毫升)2個、寶特瓶(空瓶)5個,如圖二所示。

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圖二:解說實驗需用藥品與器材

  •  事前準備

1.  配製高濃度的氯化鈣溶液。(濃度越高,示範效果越佳)

2.  高濃度氯化鈣溶液和蒸餾水分別裝入到噴霧瓶中。

3.  配製氯化亞鈷溶液,逐次少量地加入固體的氯化亞鈷到蒸餾水中,直到顏色呈現深紫色(接近暗紫色)。

4.  使用水彩筆沾取深紫色的氯化亞鈷溶液,在兩張粉紅色紙張上分別撰寫想要呈現的文字。

5.  配製在解說階段所需用的氯化亞鈷水溶液的方法:取200克的氯化鈣加入300毫升水中,在攪拌至其完全溶解後,再加入0.5毫升的深紫色的氯化亞鈷溶液,再次攪拌溶液,使氯化亞鈷均勻地分布在溶液中。此溶液暫稱為「示範用氯化亞鈷溶液」。

 

  • 現場示範一:濃度對化學平衡的影響

一、 創造歧異事件

1.  攜帶事前撰寫好的粉紅色紙、黑色PP板、透明膠帶、分別裝有高濃度氯化鈣溶液的噴霧瓶(當作A瓶)和水(當作B瓶)的兩個噴霧瓶。

2.  教師放置黑色PP板在黑板的下方,用透明膠帶黏貼粉紅色紙在黑色PP板上,如圖三所示。

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圖三:示範開始的佈置(兩張文字顏色相同的紙張和兩瓶噴霧瓶)

3.  教師拿取A瓶(不告知此噴霧瓶含有什麼液體),噴灑在其中一張紙上的文字,如圖四左所示;並請學生觀察現象變化。

4.  然後,教師拿取B瓶(不告知此噴霧瓶含有什麼液體),噴灑在相同一張紙上的文字,如圖四右所示。請學生觀察現象變化。

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圖四:使用噴霧瓶A瓶噴灑(左);使用噴霧瓶B瓶噴灑(右)

二、師生互動討論

A.      介紹面向

1.  攜帶分別裝有「示範用氯化亞鈷溶液」、「高濃度氯化鈣溶液」和「水」的三瓶寶特瓶到教室。

2.  教師分別放置裝有三種液體的寶特瓶在示範桌上,「高濃度氯化鈣溶液」瓶放置在中間,如圖五所示。

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圖五:裝有水(左)、示範用氯化亞鈷溶液(中)、高濃度氯化鈣溶液的寶特瓶(右)

3.  教師告訴學生個寶特瓶裡面的液體分別為何種液體或溶液。

4.  教師提問並互動討論:「氯化亞鈷的化學式是什麼?」、「你們有用過氯化亞鈷試紙嗎?」、「氯化鈣的化學式是什麼?」、「在家中有看過氯化鈣嗎?它有何用途?」、「水的分子式是什麼?」

B.      演示面向

1.  教師先拿取含有水的寶特瓶,倒入「示範用氯化亞鈷溶液」,如圖六所示;並請學生觀察現象變化。

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圖六:水倒入氯化亞鈷溶液中

2.  教師提問並互動討論「在倒入水後,你們觀察到什麼現象變化?」、「顏色變成什麼顏色?」

3.  教師拿取含有高濃度氯化鈣溶液的寶特瓶,倒入「示範用氯化亞鈷溶液」,如圖七所示;並請學生觀察現象變化。

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圖七:氯化鈣溶液倒入氯化亞鈷溶液中

4.  教師提問並互動討論:「在倒入高濃度氯化鈣溶液後,你們觀察到什麼現象變化?」、「溶液變成什麼顏色?」溶液變成什麼顏色?」

5.  教師再次拿取含有水的寶特瓶,倒入「示範用氯化亞鈷溶液」,如圖八所示;並請學生觀察現象變化。

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圖八:再次用水倒入氯化亞鈷溶液中

6.  教師提問並互動討論:「再次倒入水後,你們觀察到什麼現象變化?」、「溶液變成什麼顏色?」

C.      結論面向

(一) 教師與學生互動討論變化現象背後的化學原理

1.  教師提問並互動討論一:「為何氯化亞鈷溶液和氯化鈣溶液會發生反應?」、「這兩者發生的化學反應式是什麼?」、「各種反應物和產物的物理狀態是什麼?」、「各種反應物和產物的顏色是什麼?」

2.  教師提問並互動討論二:「加入氯化鈣水溶液,氯離子扮演什麼角色?」、「加入水,水分子扮演什麼角色?」

3.  教師互動討論並提出原理和概念:包括「化學平衡」、「化學平衡的移動」、「勒沙特列原理」和「濃度對化學平衡的影響」

(二) 學生連結新學到概念和原理到日常生活和新情境中

1.  教師提問並互動討論一:「在日常生活中,有哪些現象涉及化學平衡?」、「在日常生活中,有哪些變化現象涉及濃度對化學平衡的移動?」「勒沙特列原理有何應用?」。

2.  教師舉例並互動討論二:「在化學上,常用硫氰酸鐵來解說化學平衡和化學平衡的移動」、「在化學上,常用氯化銅來解說化學平衡和平衡的移動」「勒沙特列原理有何應用?」。

  • 現場示範二:溫度對化學平衡的影響

一、 創造歧異事件

1.  教師攜帶事前撰寫好的粉紅色紙、黑色PP版、分別裝有氯化亞鈷水溶液、熱水(當作A瓶)與冷水(當作B瓶)的寶特瓶至教室。

2.  教師放置黑色PP板在黑板的下方,用透明膠帶黏貼撰寫好的粉紅色紙在黑色PP板上;並且放置含有熱水與冷水的寶特瓶在示範桌上,如圖九所示。

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圖九:示範開始的佈置(兩張文字顏色相同的紙張和兩瓶寶特瓶)

3.  教師拿取其中一張紙,包裹在A瓶(不告知此寶特瓶內水的溫度高低)的瓶身上,約一分鐘後黏貼此張紙在黑板上,如圖十所示;請學生觀察現象變化。

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圖十:粉紅色紙包裹在A瓶的瓶身上

4.  教師再次拿取這張紙,包裹在B瓶(不告知此寶特瓶內水的溫度高低)的瓶身上,約1分鐘後黏貼此張紙在黑板上,如圖十一所示;請學生觀察現象變化。(註:使用裝有冷水的寶特瓶進行降溫時,應事先使用衛生紙擦拭掉寶特瓶外凝結的小水珠,並以擦手紙包裹寶特瓶,避免水分的凝結而干擾實驗結果。)

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圖十一:紙張包裹在B瓶(左),約半分鐘後黏貼在黑板上(右)

5.  教師再次拿取這張紙,包裹在A瓶的瓶身上,約半分鐘後黏貼此張紙在黑板上;學生觀察現象變化。

二、師生互動討論

A.      介紹面向

1.  教師攜帶裝有三瓶濃度相同的「示範用氯化亞鈷溶液」的寶特瓶、分別裝有熱水和冷水的兩個燒杯到教室。

2.  教師分別放置三個寶特瓶的在示範桌上,熱水和冷水的兩個燒杯分別放在兩側在兩測的寶特瓶背後,如圖十二所示。

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圖十二:示範開始的佈置(三個寶特瓶和兩個燒杯)

3.  教師告訴學生這三瓶的裝入的液體都是濃度相同的氯化亞鈷水溶液

4.  教師提問並互動討論:「氯化亞鈷的化學式是什麼?」、「你們有用過氯化亞鈷試紙嗎?」、「氯化鈣的化學式是什麼?」「你們的家裡有用過氯化鈣嗎?」

B.      演示面向

1.  教師拿取含有「示範用氯化亞鈷溶液」的寶特瓶(左側),放入熱水中並持續搖晃,如圖十三所示;並請學生觀察現象變化。

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圖十三:左側寶特瓶放入熱水中(左);持續搖晃後溶液的顏色(右)

2.  教師提問並互動討論:「放入熱水後,你們觀察到什麼現象變化?」、「溶液變成什麼顏色?」

3.  教師拿取含有「示範用氯化亞鈷溶液」的寶特瓶(右側),放入冷水中並持續搖晃,如圖十四所示;並請學生觀察現象變化。

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圖十四:右側寶特瓶放入冷水中(左);持續搖晃後溶液的顏色(右)

4.  教師提問並互動討論:「放入冷水中後,你們觀察到什麼現象變化?」、「溶液變成什麼顏色?」

C.      結論面向

(一) 教師與學生互動討論變化現象背後的化學原理

1.  教師提問並互動討論一:「為何氯化亞鈷水溶液放入熱水顏色會變成藍色?」

2.  教師提問並互動討論二:「為何氯化亞鈷水溶液放入冷水顏色會變成粉紅色?」

3.  教師討互動討論並提出原理概念:「化學平衡」、「平衡位置的移動」、「勒沙特列原理」和「溫度對化學平衡的影響」

(二) 學生連結新學到概念和原理到日常生活和新情境

1.  教師提問並互動討論一:「在日常生活中,有哪些現象涉及化學平衡?」、「在日常生活中,有哪些變化現象涉及溫度對化學平衡的移動?」。

2.  教師舉例並互動討論二:「在化學上,常用硫氰酸鐵來解說化學平衡和平衡的移動」、「在化學上,常用哈伯法製氨來解說化學平衡和平衡的移動」「勒沙特列原理有何應用?」。

  • 氯化亞鈷的顏色變化

用水彩筆沾上氯化亞鈷溶液,在紙張寫字後,藉由噴灑氯化鈣高濃度溶液和水,使其顏色在藍色與粉紅色之間轉換,進行化學平衡的移動;此外亦可藉由熱水升溫、冷水降溫,使顏色在藍色與粉紅色之間轉換,進行勒沙特烈原理的實驗,其詳細變化過程如下描述。

一、  示範實驗解說一:濃度對化學平衡的影響

(一)在紙張上書寫文字的顏色

用水彩筆沾上深紫色的氯化亞鈷溶液後,在紙上書寫文字,此時字跡呈現紫色,如圖十五所示。(註:書寫過程須注意水彩筆不要沾上太多氯化亞鈷溶液,避免紙張過於潮濕。)

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圖十五:使用水彩筆在紙上書寫,此時字跡呈現紫色。

(二)噴灑高濃度氯化鈣溶液的過程

隨著高濃度氯化鈣溶液的噴灑,紙張上的字跡會開始由紫色轉變為藍色,如圖十六所示。

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圖十六:噴灑高濃度氯化鈣溶液後,字跡會由紫色轉變為藍色。

(三)噴灑水的過程

隨著水的噴灑,紙張上的字開始由藍色轉變為粉紅色,如圖十七所示。

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圖十七:噴灑水後,字跡由藍色轉變為粉紅色。

(四)再次噴灑高濃度氯化鈣溶液的過程

隨著高濃度氯化鈣溶液的再次噴灑,紙張上的字跡會開始由粉紅色轉變為藍色,如圖十八所示。

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圖十八:再次噴灑高濃度氯化鈣溶液,字跡由粉紅色轉變為藍色。

二、  示範實驗解說二:溫度對化學平衡的影響

(一)在紙張寫下字的顏色

用水彩筆沾染深紫色氯化亞鈷溶液後,在紙上書寫,此時字跡呈現紫色,如圖十四所示。

(二)使用熱水進行升溫的過程

隨著溫度的上升,紙張上的字跡開始由紫色轉變為藍色,如圖十九所示。

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圖十九:溫度上升,字跡由紫色轉變為藍色。

(三)使用冷水進行降溫的過程

隨著溫度的下降,紙張上的字跡開始由藍色轉變為粉紅色,如圖二十所示。

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圖二十:溫度下降,字跡由藍色轉變為粉紅色。

(四)再次使用熱水進行升溫的過程

隨著溫度的再次上升,紙張上的字跡開始由粉紅色轉變為藍色,如圖二十一所示。

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圖二十一:溫度再次上升,字跡由粉紅色轉變為藍色。

  • 廢棄物處理

本示範實驗的藥品使用量較小,但「示範用氯化亞鈷溶液」和「示範用紙張」可回收再利用作為下次教學之用。未使用完畢的高濃度氯化鈣溶液,可回收再利用。

  • 化學原理與概念

濃度和溫度對化學平衡的影響,本示範實驗涉及的化學原理與概念,分別說明如下:

一、  濃度影響化學平衡

氯化亞鈷(Cobalt(II) chloride,又稱二氯化鈷,化學式為CoCl2),在實驗室上常被用來檢驗水的存在,這是因為氯化亞鈷遇水會發生反應,生成六水氯化亞鈷的錯合物,而六水氯化亞鈷加熱後可變為無水氯化亞鈷的結晶物。

在本示範實驗中,氯化亞鈷溶液遇到水,會形成粉紅色的六水氯化亞鈷Co(H2O)62+。當加入大量的氯離子時,會形成藍色的四氯化鈷CoCl42;此時再加入水,會形成粉紅色的六水氯化亞鈷Co(H2O)62+如圖二十二所示,其反應式如[1]所示。

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圖二十二:氯化亞鈷溶液的顏色(左圖中間瓶);加入水後,變成粉紅色(中圖中間瓶);加入氯離子後,變成藍色(右圖中間瓶)。

Co(H2O)62+(aq)(粉紅色)+ 4Cl(aq)CoCl42(aq)藍色)+6H2O(l)  [1]

二、  溫度對化學平衡的影響

氯化亞鈷溶液其顏色亦會受到溫度冷熱的影響,當氯化亞鈷浸泡於熱水時,其顏色會轉為藍色;當氯化亞鈷浸泡於冷水時,其顏色會轉為粉紅色,如圖二十三所示。在示範的過程中,藉由冷熱的反覆變化,會造成氯化亞鈷在藍色與粉紅色之間不段轉變,這過程遵循勒沙特列原理,其反應式如[2]所示。

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圖二十三:左側瓶浸泡熱水,氯化亞鈷溶液呈現藍色,右側瓶浸泡冷水,此溶液呈現粉紅色。

Co(H2O)62+(aq)(粉紅色)+ 4Cl(aq) + CoCl42(aq)藍色)+ 6H2O(l)  [2]

  • 教學提示

l  本示範實驗可配合12年國教自然科學課綱提到的學習內容「可逆反應」、「勒沙特列原理」、「化學平衡及溫度、濃度如何影響化學平衡的因素」,進行示範教學。

l  本實驗安全性較高,可直接在教室中進行示範,由於示範過程中仍需用熱水,因此須注意安全,避免燙傷。

l  使用水與高濃度氯化鈣溶液配製示範用氯化亞鈷溶液時,應注意配製比例,避免離子及溫度間相互干擾,而造成實驗失敗。

  •  結語

由於本化學示範實驗危險性較低,因此特意加大用量,讓示範實驗的效果更加明顯。本文的氯化亞鈷反應過程以圖文並茂的方式呈現,教師可藉此示範實驗先創造歧異事件,引起學生的學習動機,且以互動討論方式進行教學,教師提出的有意義且有層次的問題讓學生有機會思考並且主動參與,進而學到化學的原理和概念,進而加深學生對反應平衡和勒沙特列原理的理解並學到的新知識應用在日常生活中和新的情境之中。

  • 學習單

下載「中學化學示範:氯化亞鈷的可逆反應和化學平衡」學習單

  • 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.  微量化學實驗:鋁熱反應的微量示範實驗,林聖揚、顧展兆、楊水平http://chemed.chemistry.org.tw/?p=19084

3.  Reversible reaction, https://en.wikipedia.org/wiki/Reversible_reaction.

4.  Chemical equilibrium, https://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_equilibrium.

5.  Le Chatelier’s principle, https://en.wikipedia.org/wiki/Le_Chatelier%27s_principle.

6.  Le Chatelier’s principle, https://www.youtube.com/watch?v=R0z8Ya-_kI4&t=30s.

7.  Equilibrium in cobalt(II) chloride solution,https://www.youtube.com/watch?v=GS9kIj9n-BU.

8.  Equlibrium and Cobalt Complex Ions | Chemistry Minute,https://www.youtube.com/watch?v=H6yXozrx2qg.

9.  Le Chatelier’s Principle Lab with Cobalt Complex Ions,https://www.youtube.com/watch?v=crr5ZMHCJ_Y&t=1s.

10. Cobalt Complex Ions,https://bit.ly/2zGjHJ8.

 

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