探究與實作:燃燒的本質-氧化還原反應 / 鄭志鵬

星期四 , 7, 1 月 2021 Leave a comment

探究與實作:燃燒的本質氧化還原反應

鄭志鵬

臺北市龍山國中

jjpong@lsjh.tp.edu.tw

  • 簡介

本教學設計的目的,是讓學生了解物質燃燒的本質,是物質與氧結合產生劇烈的放熱反應。作者運用科學史中拉瓦節史塔爾對燃燒本質的辯證作為素材,讓學生學習科學的批判思辨必須以實驗事實為本,進行邏輯的推論。再藉由許多不同的氧化還原現象認識物質的活性不同,並從巨觀實驗結果中,推論物質在微觀分子層次上會因活性大小不同而發生氧元素的交換現象。

  • 教學設計理念

國中的化學課程,往往被視為「背科」,也就是純記憶性質的科目。學習化學反應時,「記憶」化學反應的現象、反應式和分類好像就是全部的學習目標。但是化學作為一門科學,難道在探究的層次上真的這麼薄弱嗎?其實以科學史中,拉瓦節探究燃燒本質為例,他也是進行了許多實驗,收集了許多實驗證據後,透過抽絲剝繭的方式逐步的找到燃燒的本質,這個過程絕對是高強度的探究。因此,在國中進行氧化還原單元時,其實可以以化學史作為背景架構設計課程,讓學生跟隨拉瓦節的腳步來探究燃燒的本質。接著延伸此一主題,觀察各種不同元素與氧元素進行交換的反應,從巨觀現象觀察、想像、猜測在微觀分子層次發生的變化,並且學習設計實驗驗證自己的假設,並在此過程中學習氧化還原反應的概念以及諸多探究能力。

  • 教學設計

作者利用物質的氧化與還原單元設計兩節課的探究活動。實施的對象為國中八年級的學生。此單元可於八年級下學期中段進行,在實施前學生對於化學反應已有初步認識,知道化學反應是原子的重新排列組合。他們也曾觀察過鎂帶在純氧中燃燒會產生白色的產物,對於一些元素的特性也有簡單的認識。除此之外,學生也需操作過燒杯、錐形瓶、酒精燈、燃燒匙等基本化學實驗器材。有操作實驗器材的基礎以及進行化學實驗的能力。

        有關本單元如何與108年課綱所訂的學習內容目標,思考智能與問題解決目標,科學態度與本質目標的關聯,如下表:


節次


學習內容目標


思考智能與問題解決目標


科學態度與本質目標


第一節

 

燃燒的本質


Jc-IV-2
物質燃燒實驗認識氧化。


1.pa-IV-2
能從簡單的燃燒質量變化數據和學習單(如附錄)文本提供的實驗結果,形成對燃燒現象的解釋。

 

2.tm-IV-1
能從實際實驗數據以及科學史文本中取得的資訊,比較史塔爾與拉瓦節對燃燒概念的差異


1.ah-IV-1對於權威解釋,如:史塔爾的燃素說能抱持懷疑的態度,評估推論證據是否充分。

 

2.an-IV-2能分辨科學知識(如燃素說)的確定性會因科學研究的時空背景不同而有所變化


第二節

 

活性與氧的交換


Jc-IV-3
不同金屬元素燃燒實驗認識元素對氧氣的活性。

 

Jc-IV-1
氧化與還原的狹義定義為:物質得到氧稱為氧化反應;失去氧稱為還原反應。


1.pa-IV-2
能比較鎂、鋅、銅在空氣中燃燒的劇烈程度,認識不同元素對氧的活性大小不同。

 

2.tr-IV-1
觀察高溫的鎂和銅在二氧化碳中反應的現象。根據產物的顏色及性質推論產物,並以活性大小來解釋反應的現象。

 

3.tr-IV-1
能依據活性大小與是否產生反應的概念,推論氧化銅是否能和碳產生反應。並設計實驗驗證。


1.ai-IV-1動手實作解決問題或驗證想法,獲得成就感


(一)
  
評量方式:以課程中討論、實驗操作以及學習單內容表現作為評分依據

  • 教學流程

本單元的教學將分為兩節課分別介紹,每一節課均採用起、承、轉、合的階段介紹如何的實施此單元的探究教學。本教學流程的起、承、轉、合階段的構想來自於吳月鈴老師的研發構想。

第一節課燃燒的本質

一、(導入與初步探究):教師先引言說明人類知道「火」和「燃燒」已經歷史悠久,但人類直到近三四百年才有能力提出理論來說明燃燒現象。接著教師對學生提問:你們知道燃燒是怎麼回事嗎?(氧化)。你們怎麼知道是氧化?是看到氧氣了嗎?提出問題後,接著教師說明這堂課就是要來回答我們怎麼知道燃燒是一種氧化現象?的問題。之後,教師示範燃燒酒精燈與鋼絲絨過程中的質量變化,請學生觀察並紀錄。幫助學生聚焦兩種的燃燒現象其中相同處與相異處。學生會記錄到燃燒時同樣會發光發熱,但酒精燈燃燒過程,質量會變輕;鋼絲絨燃燒後則會變重。

二、(進階探究活動)15分鐘:教師請學生閱讀學習單中描述史塔爾如何以「燃素」的觀點描述燃燒現象以及燃燒過程中質量變化。在閱讀中教師提醒學生學習分辨「證據」、「主張」與「推論」。要求學生學習以CER模式(Claim Evidence Reasoning Framework)做論述練習。例如:(1)練習使用燃素說解釋酒精燈燃燒與鋼絲絨燃燒的質量變化。重點是依據他人的主張,來解釋自己的實驗事實。(2)閱讀學習單中拉瓦節進行的實驗。使用繪圖方式轉譯拉瓦節的實驗結果。教學的重點在讓學生更仔細閱讀實驗結果,並學習將較難分析的文字,轉譯成較容易分析的圖片。並做為下一階段討論的依據。

三、(討論實驗結果)15分鐘:教師讓各組學生以燃素說這個主張解釋拉瓦節的實驗結果(證據),讓學生發現衝突矛盾之處。接著教師讓學生將主張改變為拉瓦節的氧化說,以此解釋相同的實驗證據。比較哪一個主張可以做出更好的解釋。最後教師要求學生學習論述的方式,以文章第二、三段作為範例,練習書寫或口說論述。

四、(總結)5分鐘:透過上述的活動之後,最後教師進行總結,教師歸納:以燃素說解釋拉瓦節燃燒的現象時,有些難以解釋之處。但若以氧化的主張,則可以更完美的解釋許多燃燒現象。之後教師再提出燃素說和氧化論何者較佳?除了氧化說能解釋更多的實驗現象之外,拉瓦節實際找到氧氣作為直接證據,因而獲得極大的支持。但燃素觀點則一直沒有找到燃素因此逐漸沒落。依據上述的科學史的活動,教師提出人類對於科學現象的認識,是與時俱進的,不同的時代對於同樣的現象,可能會提出不同的觀點,但新的觀點往往能更完整的解釋更多現象。

 

第二節課活性與氧的交換

一、(導入與初步探究)10分鐘:教師提示學生一些先備知識:鎂在純氧中燃燒會產生強烈白光,並產生白色的產物。根據化學反應前後不會產生新元素,只會將元素重新排列組合的規則來思考,白色物質必然是「氧化鎂」。接著教師將二氧化碳以排水集氣法灌滿廣口瓶,並將燃燒中的鎂帶放入,讓學生觀察燃燒現象,並記錄所觀察到的現象。透過此實驗可看出:

鎂帶可在二氧化碳中燃燒,並產生白色與黑色的產物。接著讓同學討論白色產物最可能是氧化鎂,黑色產物最可能是碳。接著重複上述的實驗,將鎂帶改為銅粉進行燃燒,發現高溫銅粉在空氣中會逐漸形成黑色氧化銅,放在排水及氣法所收集到的二氧化碳廣口瓶中,銅的燃燒現象會熄滅。

二、承(進階探究活動)15分鐘:各組學生進行觀察與推論:根據以上實驗結果,推論不同元素搶奪氧元素的能力有差異。從二氧化碳與鎂的反應可推論,鎂與碳相比,鎂有能力將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。代表鎂元素搶奪氧的能力勝過碳元素。在銅粉燃燒的實驗中透過觀察與推論可發現高溫銅粉在二氧化碳中會熄滅的結果,可推論出銅與碳元素搶奪氧的能力:銅無法將二氧化碳上的氧元素搶奪過來。各組學生透過上述的兩個活動的觀察與推論,他們會提出下列的假設與推論:將碳與氧化銅混合加熱,是否會產生反應?教師也請學生提出他們認為會產生反應,或者無法產生反應的理由。接著教師要求各組學生進行計劃與執行:假如碳可以搶奪氧化銅的氧元素,將會產生二氧化碳。那可以用什麼方式檢驗二氧化碳?各組學生將混合粉末放入硬試管中,在單孔橡皮塞中插入玻璃管,塞住試管後,架設在鐵架上並用酒精燈加熱。玻璃管裝上橡皮管,並將橡皮管另一端放進澄清石灰水中。此階段如果時間或是器材不夠,也可由教師進行示範實驗。

三、轉(討論實驗結果)15分鐘:請學生根據觀察,寫下檢測結果:「氧化銅和碳粉在高溫下會反應產生氣體,氣體通入澄清石灰水中會產生混濁現象。另外將粉末倒出後會看到原本黑色的粉末產生了紅色物質」,透過此活動讓學生學習探究中的分析。接著教師請學生根據實驗結果討論氧元素在反應過程中會如何移動:氧元素會脫離氧化銅和碳結合,因此產生二氧化碳和紅色的銅金屬。代表碳和銅相比,碳搶奪氧的能力是更強的。透過此步驟讓學生發現他們探究的結果。教師提問學生:如果將鎂和氧化銅混合加熱,是否會發生氧元素交換位置的反應?會。因為搶奪氧的能力鎂>碳,碳>銅,因此可以推論鎂>銅。此步驟可讓學生進行探究歷程中的推論。教師可再透過提問,讓學生將探究的結果進行延伸。例如:已知水煤氣是將高溫的水蒸氣通過熾熱的碳後,會產生氫氣和一氧化碳。根據此結果,推論碳和氫相比,何者搶奪氧的能力更強?根據水煤氣的討論,判斷將高溫鎂帶放入熱水中,是否會產生氫氣?

四、(總結)5分鐘:實驗活動進行後,教師進行總結:物質與氧結合反應稱為「氧化反應」;物質氧化物與氧脫離的反應稱為「還原反應」。不同元素與氧的結合強度不同。活性越大的元素,結合強度也越強。鎂可以搶走二氧化碳中的氧,也可以說鎂的活性大於碳。根據今天的活動我們可將實驗過的元素活性排列出來,可以得到Mg>C>Cu,C>H等等的結果。最後,科學家進行更多實驗,得到更完整的對氧活性序列。

  • 結論

化學作為基礎科學的一門學科,在學科知識建立與形成的過程,必然有許多探究的成分在其中。在化學教育上,可以運用科學史作為脈絡進行閱讀式的探究。讓學生置身於燃素說與氧化說爭執不休的時代,參與其中共同討論來學習化學的探究。另外也可以以一系列化學反應實驗的觀察與分析,認識到氧與其他元素的關係。學習在化學探究上,常常會從巨觀世界的實驗結果推論微觀世界的原理。化學學科有其獨特的探究手法和思考策略,我們應該可以藉由適當的課程設計來傳達此一概念。以上提供兩節課程示例,希望能拋磚引玉,提供現場老師參考。

  • 參考資料

南一出版社國中自然與生活科技課本(八下)p86(108)

  • 附錄

第一堂課學習單

壹、以實驗收集關於燃燒現象的事實

一、實驗觀察與紀錄


實驗觀察與紀錄


外觀現象


燃燒前重量


燃燒後重量


蠟燭燃燒


 


 


 


鋼絲絨燃燒


 


 


 


二、問題與討論

(一)  請問蠟燭和鋼絲絨燃燒時,有那些現象看起來是類似的?我們有時候會將不同物質產生的相類似現象歸納,成為描述該現象的方式。例如歸納蠟燭和鋼絲絨燃燒中相類似的部分,就可以做為「燃燒」現象的粗略定義。

(二)  鋼絲絨和蠟燭燃燒時,重量的增減是否有不同?何者重量上升?何者下降?

我們會觀察相似現象中的差異,並思考造成差異的原因。從探討產生差異的原因,往往能獲得對該現象更進一步的發現。

接下來讓我們看一下過往的科學家,對於燃燒現象的觀察與理解。看看他們的思考以及辯證的過程,我們也一起來參與他們的研究討論吧。

、科學史上關於燃燒的證據、主張與推論

一、燃素派的觀點

        我們發現燃燒不同的物質時,有些物質像是蠟燭,燃燒起來質量會減少;有些物質燃燒過後質量則會上升。

        1703年,德國的史塔爾Georg Ernst Stahl, 1660-1734)提倡「燃素說」-他認為可燃的要素是一種氣態的物質,它存在於一切可燃的物質中,他把這種要素稱為燃素」。

        燃素派認為物質燃燒時,物質裡面的可燃成分(燃素),會從物質內逃逸出來,與空氣結合,從而發光發熱,這就是火,並且因為燃素從物質中釋放出來,重量就變輕了,釋放燃素的物質只剩下灰。但有些物質像是金屬它們內部的空隙就像容器一樣,裡面充滿了燃素。燃素與金屬分離後,空出來的容器會變空氣填滿,容器裝著比燃素重的空氣,重量自然就變重了。燃素派認為物質在加熱時燃素並不能自動分解出來,必須藉空氣來吸收燃素,才能將燃素釋放出來,而且越好的空氣吸收燃素的效果越好。

        例如說普利士特利將俗稱「三仙丹」的紅色粉末加熱分解產生了汞和某種氣體。他蒐集產生的氣體,發現物體在該氣體中,能產生非常劇烈的燃燒。於是普利士特利將這種氣體稱為「脫燃素氣體」。他認為物體在該氣體中能劇烈燃燒的原因,是因為該氣體吸收燃素的氣體非常好的原因。

        我們在論述一件事情的時候,會包含CER三個要素。分別是主張C(Claim)、證據E(Evidence)以及推論R(Reasoning)。主張,像是陳述的結論;證據是你握有的事實;推論則是連結證據和主張之間的論述。來想想看以下的問題:

二、關於燃素派的問題與討論

(一)  關於燃素說的內容中,哪些是關於燃燒的「證據」?請用紅筆標記出來;哪些是屬於「主張」?請用藍筆標記出來;哪些是屬於「推論」?請用黑筆標記出來。

(二)  試著用燃素說解釋我們實驗中,蠟燭和鋼絲絨重量改變的現象

三、反對燃素派的拉瓦節

拉瓦節先將汞在有空氣的密閉空間中加熱燃燒得到「三仙丹」,發現:

(一)  燃燒前後總重量並不會改變。但是金屬重量增加了一些,代表空氣的重量減少了一些。

(二)  他將密閉容器打開,發現空氣會從外面流進容器中。

著他用了普利士特利的方式,將三仙丹加熱後產生氣體,經過測量他發現:

(三)  產生的氣體重量就恰好等於一開始空氣減少的重量。

        於是他認為燃燒的關鍵並非來自物體內部的燃素,而是來自外面空氣的某種成分。這成分就是普利士特利所謂的「脫燃素氣體」也就是我們知道的「氧氣」。

四、關於拉瓦節觀點的討論

(一)  小軒讀了拉瓦節的發現,覺得很難懂。請幫他把上述拉瓦節的發現,用簡單的畫圖加上標示的方式呈現。

(二)  試著用燃素說解釋拉瓦節實驗的現象,有沒有什麼現象是燃素說難以解釋的呢?請注意這裡是討論拉瓦節的實驗結果,而非實驗方法。可以用剛剛畫的圖,輔助解說喔。

(三)  拉瓦節主張物體燃燒的關鍵是因為物體與空氣裡的某種氣體結合。試著幫拉瓦節的主張提出解釋。論述的方式可以參考文章相關段落。

 

五、總結說明

與燃素說相比,拉瓦節的氧化說,能解釋更多實驗的現象以及測量到的數據。拉瓦節也找到了更多而且更直接的證據證明自己的主張。相反的,燃素說並無法解釋為何金屬的燃素釋放後,空氣可以填補進來造成重量增加,其他物體燃燒卻不會發生相同的事情,也無法解釋拉瓦節定量測量出來的許多結果。更重要的是燃素派也從來沒有真的找到他們聲稱的燃素,於是漸漸的式微。人類就捨棄了燃素的觀點,接受了燃燒是氧化現象的說法。

第二節課學習單

 

氧化與還原

 

記得我們曾經燒過的那些物質。我們了解燃燒的現象是物質與氧結合,產生高溫與火焰的現象。在這一節課中,我們將進一步探討物質與氧結合的現象。

 

■鎂帶(鎂元素)在純氧中燃燒後會產生強烈白光,產生白色物質。代表白色物質必然為___________

 

■酒精燈或蠟燭燃燒後,會產生二氧化碳,代表酒精和蠟燭裡都有__________元素

 

■紅褐色的銅燃燒時,反應較不劇烈,但會逐漸變成黑色的___________

 

壹、實驗觀察與分析

一、實驗步驟

(一)    以排水集氣法在廣口瓶中收集兩罐二氧化碳

(二)    把一小段鎂帶放在燃燒匙上,以瓦斯燈點燃後,放到裝滿二氧化碳的廣口瓶中,觀察鎂帶是否能在二氧化碳中燃燒?

(三)    火焰熄滅後,將殘餘的物質取出,觀察外觀並記錄。

(四)    將步驟二中的鎂帶替換成銅粉,重複步驟二~三。

二、實驗記錄


物質


是否可在二氧化碳中燃燒


產物外觀



 


 



 


 

 

 

 

 

 

 

 



三、推論

(一)    從鎂帶在二氧化碳中燃燒之後的產物外觀,可以猜想產生了哪些產物?

(二)    從反應物和產物的關係,我們可以推論在燃燒的過程中,產生了氧元素的交換。代表鎂元素和碳元素,何者搶奪氧元素的能力更強?

(三)    從燃燒的銅粉會在二氧化碳中熄滅的現象,可以猜想銅是否有能力搶奪二氧化碳中的氧元素?銅與碳元素何者搶奪氧的能力更強?

(四)    根據()的猜想,請問如果將氧化銅粉和碳粉混合後加熱,是否會產生氧元素交換的反應?

(五)    假設氧化銅與碳粉加熱會產生氧元素交換的反應,請問會產生哪些產物?

四、以實驗驗證猜想

 

(一)    clip_image002[4]

實驗步驟:將約一刮杓(平匙)的碳粉與氧化銅粉充分混合後,放入硬試管底部。依照上圖組組裝實驗器材。組裝完成後,讓老師檢查,確認了解所有安全注意事項後,請老師點燃酒精燈開始觀察實驗現象。

(二)    實驗結果

1.   澄清石灰水是否變色?代表產生什麼物質?

2.   倒出試管中的反應物,是否有觀察到紅棕色物質產生?代表產生什麼物質?

(三)    實驗推論:根據以上反應結果,我們可以推論銅和碳何者搶奪氧的能力更強?

(四) 進一步猜想:根據以上結果進行推論,如果將鎂帶和氧化銅混合加熱,是否會發生反應?為什麼?

五、延伸思考1:以前人會將高溫的水蒸氣通過熾熱的焦煤()之後,蒐集產生的氫氣與一氧化碳,作為氣體燃料使用。根據水煤氣製造的過程我們可以知道,碳元素和氫元素相比,何者搶奪氧的能力更強?

六、延伸思考2:根據上述的資料判斷,若將鎂帶放入熱水中,是否會產生氫氣?為什麼?

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