臺灣化學教育

利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解

廖旭茂

台中市立大甲高級中等學校

教育部高中化學學科中心

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■簡介

    數位感測器的使用在中學的教學使用越來越普遍，剛開始僅用在科展競賽選手的培訓上，在廠商結合大學端多年的合作推廣下，慢慢地拓展開來。筆者第一次接觸數位感測器是多年前參加東吳大學物理系陳秋民教授的研習上；陳教授生活觀察經驗豐富、擅長從回收場中淘寶，實作教具，並以風趣的口吻解說生活科學原理，當然借用感測器進行探究的實務經驗，算是是台灣物理教育的先行者，後來更受邀至北京清華大學講學，有「鵝爸」暱稱（羅佩琪、廖英凱，2013）。

隨後，在2014年參加邱美虹教授帶領的上海兩岸實驗教學交流活動，教學觀摩中看到上海的老師利用無線pH計結合及資料採集器，進行酸鹼解離的實驗教學。基於數年的累積與準備，本校開始於高二的選修課程–探索化學中，開始導入數位化學科學實驗，利用數位溫度計、氣壓感測器、導電度計、酸鹼pH計開發課程。

大象牙膏在中學是經典的演示實驗之一，其中雙氧水在碘化鉀或二氧化錳的催化下，快速分解產生氧氣，並讓已在量筒中事先加入的洗碗精溶液吹脹起大量的泡泡；國中生物學過，大多數生物體的器官內都含有過氧化氫酶（Catalase,
2020），如哺乳內動物的肝臟中含量特別高；植物中的馬鈴薯；甚至微生物，如酵母都含有過有過氧化氫酶，可快速分解雙氧水成為水及氧氣。下圖1為試管中的大象牙膏反應：

圖1：大象牙膏中雙氧水被碘化鉀催化分解（圖片來源：作者攝製）

酵母中的酵素在雙氧水的分解中，扮演何種角色？如何影響雙氧水的分解速率？這是過去演示實驗沒告訴我們的事；本課程將使用市售烘焙用的酵母菌作為催化劑，藉由氣壓感測器來探究雙氧水的酶催化分解（Volz & Smola, 2009），課程實際進行約為4週，每週2節課的時間。雙氧水分解的實驗探究如下：第一週為氣壓感測器的操作介紹，進行初步實驗，以及計畫擬定(提出假設、設計實驗，步驟、蒐集數據方法)，第2~5週為變因探究（濃度、溫度、pH值、重金屬離子），第6週為數據整理與結果發表。希望透過完整的過程，引導同學學習如何探討如何製作專題。    

■器材與藥品

一、 藥品：藥品：1.0M的雙氧水、1%酵母懸浮液（秤取一克烘焙用酵母粉，溶於99毫升的水中，利用電磁攪拌器攪拌10分鐘）、1.0M的碘化鉀溶液、沙拉脫1瓶。

二、 器材：VERNIER資料分析採集器、氣壓力感測計、電磁加熱攪拌器、固定鉛環、50mL錐形瓶1個、試管兩支、10mL量筒兩支。

■教學歷程

l 第一週：初步實驗

一、 引發動機（Engagement）

  大象牙膏示範：取出預備的甲、乙兩個10毫升的量筒，其中各加入濃度為1M的雙氧水3mL與5滴的沙拉脫清潔劑，隨後以試管盛裝1M的碘化鉀溶液2毫升，倒入甲量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。接著以另一支試管盛裝1%的酵母溶液2毫升，倒入乙量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。比較兩支量筒泡泡上升的快慢。

二、 教師提問：

1.     雙氧水分解產生的氣體是甚麼？

2.     根據觀察，請說出哪一支量筒的分解反應速率較快？

3.     除了目視觀察外，根據分解反應式，可以用甚麼方法測量雙氧水的分解速率？測量單位時間反應物雙氧水的減少量？抑或測量產物氧氣的增加量？可能需要甚麼樣的儀器設備？

4.     請預測若酵母液的濃度若增加時，雙氧水的分解速率將發生何種變化？

5.     溫度如何影響酵素的活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳溫度？

6.     pH的不同如何影響酵素的催化活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳pH值？

7.     重金屬會影響酵素的活動嗎？請預測若在溶液中加入硫酸銅，酵素催化的速率會發生何種改變？

三、 氣壓感測器的使用及酵母液催化分解的建議步驟（結構式探究）：

1.     器材分發：分成8組，每組3人，各組依組別拿到相同編號的機器。

2.     機器開機：找到資料分析採集器的左上開關按壓鍵，按壓開關打開採集器，且從檔案【File】選單中選取新增[New]（圖2）。

圖2：資料分析採集器開機設定圖 （圖片來源：作者攝製）

3.     管線連接：將壓力感測器的白色數據接頭接在採集器的channel 1。將塑膠管的一端連接壓力感測器。

4.     數據採集：進行氣壓數據採集設定，在【感應器】的選單下點選〔數據擷取〕選項，進入數據擷取頁面，若設定取樣率為0.2樣本/秒，期間為180秒的話，時間範圍內可採集36個數據；若期間改為300秒的話，時間範圍內可採集60個數據。下圖3為設定畫面。

圖3：數據擷取設定畫面（圖片來源：作者攝製）

5.     反應條件：取一個50毫升的錐形瓶，倒入1.0M的H₂O_2(aq)5毫升、19毫升的蒸餾水及1%的酵母液1毫升，總體積約25毫升，塞上矽膠塞。

6.     數據採集：將矽膠塞的魯爾母接頭輕緩旋緊1/2~3/4圈，連接塑膠管的公接頭，按下螢幕左下角的綠色開始鍵，開始數據蒐集。下圖4為反應及數據採集過程。

圖4：數據採集過程 （圖片來源：作者攝製）

7.     數據分析1：實驗結束，點按「分析」鈕中的曲線擬合，隨即勾選「壓力」（圖5）。

圖5：將採集的數據進行分析 （圖片來源：作者攝製）

8.     數據分析2：選擇將壓力與時間的數據進行「線性」擬合，隨即出現擬合方程式合，找出最適合直線y=mx+b及斜率m，斜率m即為分解速率(∆P/∆t)。下圖6為數據分析步驟。

圖6：數據分析過程 （圖片來源：作者攝製）

9.     重複實驗三次，算出雙氧水的平均分解速率，將實驗數據填入實驗表格內。

10. 想想看，雙氧水的分解速率可能跟那些因素有關？

四、 探究步驟規劃（Exploration&Experience）

1.     相互討論，判斷變因：舉出1~2個影響雙氧水的分解速率的因素。

2.     決定控制變因、操縱變因與依變變因，設計反應物用量，規劃實驗步驟。

3.     執行實驗、收集數據、分析數據。

4.     做出結論，依據實驗數據提出一個合理的主張。

l 第二~五週：酵母液濃度、雙氧水濃度、溶液溫度、溶液酸鹼值、重金屬離子等變因探究
(礙於篇幅，本文僅提供酵母液濃度、溫度變因的建議步驟及相關的學習單)

一、  探究酵母濃度如何影響雙氧水的催化分解速率？建議步驟如下：

1.     設計建議：溶液總體積不超過容器體積的1/2，意即25毫升為上限。並參考第一週提供的實驗規劃。

2.     根據標題題幹，說出本實驗最主要的控制變因為_________，操縱變因為_________

3.     請將各溶液所使用的體積填入自行設計的表格中。下表1為建議表格格式。

表1：規劃溶液體積建議表格

 

4.     根據實驗設計，並沿用第一週的建議步驟，使用氣壓感測器量測雙氧水催化分解的步驟，求出分解速率R₁，R₂、R₃、R₄、R₅。並將實驗結果填入相關表格中。

5.     以反應速率R為縱座標，酵母液濃度為橫坐標自行設計作圖，嘗試探討酵母液的濃度與反應速率的關係。建議作圖如下：

 

圖7：分解速率R酵母濃度(%)建議座標圖

6.     根據數據分析及作圖結果，嘗試歸納雙氧水的催化分解速率與酵母液濃度的關係。 

二、  探究溫度如何影響雙氧水的催化分解速率？建議步驟如下：

1.     設計建議：溶液總體積不超過容器體積的1/2，意即25毫升為上限。並參考第一週提供的實驗規劃。

2.     根據標題題幹，說出本實驗最主要的控制變因為_________、_________，操縱變因為_________

3.     請將各溶液所使用的體積，及溫度填入自行設計的表格中。下表2為建議表格。

表2：規劃溶液體積建議表格

4.     根據實驗設計，並沿用第一週的建議步驟，使用氣壓感測器量測雙氧水催化分解的步驟。

5.     取一個250mL的燒杯，預先裝入6分滿的水，將小錐形瓶浸泡於燒杯中，使用電磁加熱攪拌器進行水浴加熱控溫。不同溫度下會有水蒸氣壓，因此每次實驗接妥管路後，必須依當時壓力重新校正儀器，或進行不同溫度下的空白實驗，再進行扣除。求出真正的壓力變化。求出分解速率R₁、R₂、R₃、R₄、R₅。並將實驗結果填入相關表格中。下圖為水浴加熱實驗裝置照片。

圖8：水浴加熱壓力量測過程（圖片來源：作者攝製）

6.     以反應速率R為縱座標，溫度為橫坐標自行設計作圖，嘗試探討溫度與分解反應速率的關係。建議作圖如下：

圖9：分解速率R與溫度(℃)建議座標圖

7.     根據數據分析及作圖結果，嘗試歸納雙氧的催化分解速率與溫度的關係。

l第六週：解釋、表達與精緻化-Explain,Communication, &Elaboration

一、 分組發表與報告：同組同學討論、歸納、繪圖分析後，歸納出結論後，與先前的預測結果做比較，並加以說明原因。

二、 發表自己的論點，並審視同學發表的結論是否得宜，同時加以比較各組間的差異度。

三、 教師公布參考答案，同學比較後歸納可能產生偏差的因素，進行修正；教師並向學生說明本實驗活動是定容下，量測單位時間的氣壓的變化作分解反應速率，與定壓下，量測單位時間內產物的體積變化作為分解反應速率的差異處。透過單位時間內氣壓的變化的監測，建立定容狀態下，雙氧水於各種不同條件中，酶催化分解速率的動力學模型。

■教師教學提示與建議

l 教學建議：

1.     每一週不同的變因探究前，最好讓學生討論進行實驗結果的預測。實驗結束後，再要求根據實驗結果與預測相比較。

2.     引導學生進行實驗設計時，必須跟學生強調控制變因是哪些？操縱變因是甚麼？

3.     網路上關於雙氧水的催化分解的專題研究素材非常多，建議學生可搜尋並評估其適用性後方可使用。

l 實驗提示

1.     氣壓感測器有一定的耐壓程度，原則上超過150Kpa，矽膠塞就有彈開的風險，所以H₂O₂的濃度、酵母液的濃度，不能太高，分解速率加速下，有矽膠塞彈開或感測器受損的風險。

2.     每次使用氣壓感測器需針對當時當地的氣壓進行校正。

3.     酵母的活性會隨著製造時間的不同而有所差異，不同來源的酵母活性亦不相同，每次實驗最好能實驗前新鮮配置，並允許於30~40℃的溫水中，進行活化超過10分鐘。

4.     實驗室購置的濃雙氧水重量百分率約為30%，可加水稀釋為3%左右（此時體積莫耳濃度約為1.0M的雙氧水）；常溫常壓下，雙氧水主動慢慢分解成氧氣與水，最好能實驗前新鮮配置，或放置冰箱，但時間不宜超過一星期。

5.     利用磁攪拌器，水浴控制溫度，並不容易精準；為安全起見，加熱溫度亦不宜過高，同時矽膠塞容易有彈開的可能。

■安全注意及廢棄物處理

1.        所有實驗後的廢液，可以清水稀釋排放，或依規定回收處理。

■參考資料

1.     廖旭茂（2014）。上海化學教學參訪與經驗交流：行動蝕刻和分子撲克牌教學交流與參訪心得。臺灣化學教育，4，取自http://chemed.chemistry.org.tw/?p=3520。

2.     羅佩琪、廖英凱（2013年11月18日）。文組生的物理課──專訪陳秋民老師。取自：https://pansci.asia/archives/50821

3.     Catalase（2020, November 27）. In Wikipedia. Retrieved May 20, 2021, from https://en.wikipedia.org/wiki/Catalase。

4.     Volz, D.& Smola, R. (2009). Investigating chemistry through inquiry. Beaverton, Oregon: Vernier.

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