臺灣化學教育

化學示範起始探究與實作：
流血電影特效與勒沙特列原理

 

陳芷誼¹、蔡欣展²、楊水平^1,*

¹國立彰化師範大學化學系
²彰化縣立鹿江國際中小學
*[email protected]

• 前言

本示範實驗主題為「流血電影特效與勒沙特列原理」，關於化學平衡和勒沙特列原理的學習內容，在12年國教課綱中編列於自然科學領域綱要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-Ⅳ-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-Ⅳ-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，關於勒沙特列原理，編列於普通型高級中等學校化學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」。

本示範實驗的設計是融入常見於電影和電視的流血特效在課堂上，教師創造歧異事件（discrepant event），使學生的直覺經驗發生衝突，以引起學生學習的動機，進而增強他們對化學平衡和勒沙特列原理的內容知識感到興趣，並以師生互動討論的方式進行示範教學。本示範實驗和學生實作都是藉由硫氰酸鉀與氯化鐵反應，形成紅棕色的硫氰酸鐵離子作為探討化學平衡移動和勒沙特列原理的關鍵物質。在化學示範方面有：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響，在學生實作方面有：濃度、溫度和添加物對化學平衡的影響。其中，溫度和部分添加物對硫氰酸鐵離子化學平衡的移動為作者所構思並試作結果效果明顯。

•  教師化學示範

一、  觀賞示範影片

影片網址：流血電影特效與勒沙特列原理，https://youtu.be/wwEjSJbRRqw。

二、  藥品和器材

示範實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、棉花棒1隻、塑膠刀1隻、燒杯若干、如圖一所示。

圖一：示範實驗用藥品與器材。

解說實驗需用：硫氰酸鉀（Potassium thiocyanate）1瓶、碳酸鈉（Sodium carbonate）1瓶、氯化鐵（Iron(III) chloride）1瓶、氯化鈉（Sodium Chloride）1瓶、燒杯（500mL）2個、燒杯（100 mL）6個、錐形瓶（125 mL或250 mL）5個、玻棒1支、滴管5支，如圖二所示。

圖二：解說實驗需用藥品與器材

三、  事前準備

1.    配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.    配製飽和碳酸鈉溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中，有沈澱出現。

3.    配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

4.    配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

四、  現場示範：錯合物的形成及添加物對化學平衡的影響

(一) 創造歧異事件

1.   攜帶事前配製好的硫氰酸鉀溶液、氯化鐵溶液、飽和碳酸鈉水溶液、塑膠刀、棉花棒、至教室。

2.   在示範前，教師先在手掌上偷偷地塗抹硫氰酸鉀溶液，並且悄悄地塑膠刀沾取氯化鐵溶液。

3.   在示範時，教師向學生說等一下要使用塑膠刀切下手掌，如圖三所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片三：以塑膠刀從手掌切下。

4.   教師使用塑膠刀向手掌切下，請學生觀察變化現象。

5.   教師向學生說等一下要使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」，如圖四所示，請學生預測會發生什麼變化。

圖片四：使用棉花棒塗抹暗紅色「傷口」。

6.   教師使用事先已沾取碳酸鈉溶液的棉花棒，塗抹暗紅色「傷口」，請學生觀察變化現象。

7.   教師示範後，立即用水洗乾淨手掌。

(二) 揭開歧異事件使用的藥品

1.   教師拿出配製好的藥品，告知學生塗抹在手掌上的藥品是硫氰酸鉀溶液、塑膠刀沾染的藥品是氯化鐵溶液，棉花棒沾取的藥品是飽和碳酸鈉溶液，如圖五所示。

圖五：手掌塗抹硫氰酸鉀溶液（左）；塑膠刀沾染氯化鐵溶液（中）；棉花棒沾取飽和碳酸鈉溶液（右）。

2.   教師重複進行剛才示範歧異事件的過程，如圖六所示。

  

圖六：重複示範歧異事件的過程

3.   教師示範後，立即用水洗乾淨實驗的手掌。

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

(三) 另類方式重現歧異事件

1.   教師放置分別含有氯化鐵溶液、硫氰酸鉀溶液及飽和碳酸鈉溶液的三個燒杯在示範桌上，如圖七所示。

圖七：三個燒杯分裝三種不同的溶液

2.   以滴管，逐次地加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液中，用玻棒攪拌，如圖八所示，並請學生觀察變化情形。

圖八：加入氯化鐵溶液到硫氰酸鉀溶液

3.   以滴管，逐次地加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液，用玻棒攪拌，如圖九所示，並請學生觀察變化情形。

 

圖九：加入飽和碳酸鈉溶液到硫氰酸鐵離子溶液

4.   教師與學生互相討論變化現象背後的化學原理。

• 學生實作

一、  濃度和添加物對化學平衡的影響

(一)      配製溶液

1.   配製硫氰酸鉀溶液：取一小匙的藥品，溶解在500 mL的水中。

2.   配製氯化鐵溶液：取一小匙的藥品，溶解在100 mL的水中。

3.   配製硫氰酸鐵離子溶液：取300 mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

(二)      分組實作

1.   用五個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。第一個錐形瓶當作對照組，如圖十所示。

2.   用四個相同大小的燒杯，分別裝入氯化鐵固體、硫氰酸鉀固體、碳酸鈉固體和氯化鈉固體的，並分別插入一支藥匙且小匙端朝下。

圖十：放置五個錐形瓶和四個燒杯在桌上

3.   從左邊第二錐形瓶開始，由左自右分別加入一小匙的固體氯化鐵、固體硫氰酸鉀、固體碳酸鈉及固體氯化鈉，觀察顏色的變化。

(三)      實驗結果

加入氯化鐵，顏色變深紅；加入硫氰酸鉀，顏色變暗紅；加入碳酸鈉，顏色變淡黃；加入氯化鈉，顏色變淡橙，如圖十一所示。

圖十一：從第二錐形瓶開始，分別加入氯化鐵、硫氰酸鉀、碳酸鈉、氯化鈉，溶液的顏色變化（由左而右）。

(四)      師生互動討論

1.   根據左邊第二杯和第三杯的變化情形，師生互動討論濃度對化學平衡的影響。

2.   根據左邊第四杯和第五杯的變化情形，師生互動討論添加物對化學平衡的影響。

3.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

二、  溫度對化學平衡的影響

(一) 配製溶液

與前面「濃度和添加物對化學平衡的影響」的配製溶液相同。

(二) 分組實作

1.   用三個相同大小的錐形瓶，分別裝入等量的硫氰酸鐵離子溶液。中間的錐形瓶當作對照組，如圖十二所示。

2.   用三個大燒杯，左側第一個和第三個燒杯分別裝入約半杯的冰水和熱水，如圖十二所示。

圖十二：放置三個錐形瓶和兩個燒杯在桌上

3.    左側的錐形瓶放入冰水浴中並持續搖晃，右側的錐形瓶放入熱水浴中並持續搖晃，觀察顏色的變化。

(三) 實驗結果

在冰水浴中降溫後溶液顏色變深，在熱水中加熱後溶液顏色變淡，如圖十三所示。

圖十二：降溫後溶液顏色變化（左），加熱後溶液顏色變化（右）

(四) 師生互動討論

1.   根據在低溫和高溫的硫氰酸鐵離子溶液顏色變化情形，師生互動討論溫度對化學平衡的影響。

2.   教師幫助學生建立化學平衡移動和勒沙特列原理的化學知識。

•  廢棄物處理

本實驗完成後，產物必須回收至無機廢液桶中，避免直接用沖掉造成環境汙染。

• 化學原理與概念

「流血電影特效與勒沙特列原理」的化學示範與學生實作是進行硫氰酸鐵離子的化學平衡及其移動，包括：錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響、濃度對化學平衡的影響、以及溫度對化學平衡的影響，涉及的化學原理與概念說明如下：

一、 勒沙特列原理

勒沙特列原理（Le Chatelier  principle），又稱平衡移動原理，是一個定性預測化學平衡移動的原理，其描述為：化學平衡是動態平衡，若改變影響平衡的一個因素或條件，平衡就會朝向能夠減弱該因素或條件改變的方向移動，以抗衡該改變。亦即，對於一個特定條件下達到平衡的系統，若條件改變，則化學平衡就會朝向減弱該因素或條件改變的方向移動。

二、  錯合物的形成以及添加物對化學平衡的影響

當黃色的鐵離子（Fe³⁺, Ferric ion）與無色透明的硫氰酸根離子（SCN^‒, Thiocyanate）混合，反應生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺,Ferric(III) thiocyanate），其反應如式[1]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq)    [1]

當紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）加入半透明白色的碳酸根離子（CO₃^2‒）時，碳酸根離子與黃色的鐵離子（Fe³⁺）形成碳酸鐵（Fe₂(CO₃)₃）的沉澱物，以致鐵離子濃度降低，根據勒沙特列原理，鐵離子濃度降低會導致紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）往左方向進行反應，因此溶液由紅棕色變回黃色，其反應如式[2]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq) ←FeSCN²⁺(aq)    [2]

三、 濃度和添加物對化學平衡的影響

當溶液中加入氯化鐵或硫氰酸鉀時，會使鐵離子（Fe³⁺）或硫氰酸根離子（SCN^‒）的濃度升高。根據勒沙特列原理，為減弱鐵離子或硫氰酸根離子的濃度升高的因素，導致反應向右移動，生成紅棕色的硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變深，其反應如式[3]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq)    [3]

當加入碳酸鈉或氯化鈉時，碳酸根離子（CO^3‒）或氯離子（Cl^‒）會與溶液中的鐵離子（Fe³⁺）反應，生成碳酸鐵或氯化鐵，造成鐵離子濃度下降。根據勒沙特列原理，為降低鐵離子濃度下降的因素，以致反應向左移動，使得紅棕色硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的顏色變淺，其反應如式[2]所示。

四、 溫度對化學平衡的影響

硫氰酸鐵離子（FeSCN²⁺）的平衡移動亦受到冷熱溫度的影響，因為鐵離子與硫氰酸根離子反應生成硫氰酸鐵離子時發生反應熱的變化，其反應如式[4]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)⇌FeSCN²⁺(aq) + heat   [4]

根據勒沙特列原理，當硫氰酸鐵離子浸泡於熱水時，為減弱溫度升高的因素，以致反應向左移動，其顏色轉向黃色，其反應如式[5]所示。當硫氰酸鐵離子浸泡於冷水時，為減弱低溫度下降的因素，其顏色轉向紅棕色，以致反應向右移動，其反應如式[6]所示。

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)← FeSCN²⁺(aq) + heat   [5]

Fe³⁺(aq) + SCN^‒(aq)→ FeSCN²⁺(aq) + heat   [6]

• 教學提示

l  本實驗安全性較高，可直接在教室中進行示範，然而過程中仍須使用熱水，必須注意安全，避免燙傷。

l  進行化學平衡移動時，配製硫氰酸鐵離子溶液應該特別留意溶液的顏色，其配製方式：取300mL鐵氰酸鉀溶液，逐滴地滴入氯化鐵溶液直到呈現橘色為止。

l  由於本實驗的危險性較低，因此可直接使用的藥品在手掌上塗抹，使教師在課堂上創造歧異事件，增強示範的逼真效果。

l  示範這個實驗，教師應實行適當的風險評估。

• 結語

本實驗設計的主要目的是使用危險性較低且操作簡易的化學藥品和器材，直接且短暫地塗抹藥品在手掌上，增強逼真的電影特效來創造歧異事件。歧異事件會導致學生在支持概念理解方面的科學事件中先驗知識和經驗中出現意想不到的矛盾或認知衝突，以致在他們的腦海裡產生疑問而增強學習的興趣。再者，透過師生互動討論方式，強化學生的學習成效，加深國中和高中學生對化學平衡反應及勒沙特列原理的理解。

本教學設計以創造歧異事件為教學的起點；接著學生實作三項實驗：濃度對化學平衡的影響，添加物對化學平衡的影響，溫度對化學平衡的影響；最後根據實驗結果，進行師生互動討論，增進學生對化學平衡的移動和勒沙特列原理更深入的學習。

• 參考資料

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，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=19084。

3.  淌血的心—硫氰化鉀與鐵離子的反應，王瓊蘭，臺灣化學教育，http://chemed.chemistry.org.tw/?p=7309。

4.   Best Teaching Practices – Discrepant Events,https://bit.ly/2ZLflLs.  

5.  Discrepant Events, https://bit.ly/2B8lR4u.  

6.  Chemistry Lecture Demonstration, https://bit.ly/2TOeaqI.  

7.  How to make realistic fake blood (“Chemical cut” experiment), https://www.youtube.com/watch?v=scN6_LItWqo.

8.  Iron III Chloride Reaction With Potassium Thiocyanate (FeCl3 + KSCN), https://www.youtube.com/watch?v=lEraxU3r1ko.

9.  Bleeding Iron Nail Home Experiment – DIY Iron Thiocyanate, https://www.youtube.com/watch?v=o-0OdYsOigk.

10. E710: Complex Ion – Shifting Equilibrium,https://bit.ly/2MbEjLR.  

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