「大象牙膏」變成「碘沖天泡」/倪行健

星期日 , 14, 十二月 2014 Leave a comment

「大象牙膏」變成「碘沖天泡」

倪行健

臺中市立長億高級中學

nsc100100@gmail.com

n  前言

如果每一個實驗都發展成為一個小型的科展,會不會更有趣?每位學生都像是一位小科學家,他們會不會更有成就感?

因此,我就將研習自化學學科中心豐原高中所辦,施建輝老師主持,楊水平教授所演示的「阿拉丁神燈暨大象牙膏」,引進自己的實驗課程,讓各組學生自己自製設備,如圖1~3所示。透過控制變因實驗法,在不同的操縱變因下,進行「大象牙膏」實驗,並觀察、記錄其現象,最後還要討論其因果並發表分享。

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1:學生自製「大象牙膏」裝置的零件

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2:學生自製「大象牙膏」的裝置

後來,為了節省藥品的消耗,因而改良為「小象牙膏」(「碘沖天泡」)的微型實驗,如圖2所示,這是一方面為環保,另一方面是碘化鉀(KI)並不便宜。但是,這就少了學生自製設備而且能夠大量噴發牙膏泡的驚艷樂趣,真是兩難呀!

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3:「小象牙膏」(「碘沖天泡」)設備及其零件,(a)管子的長度不同(左)和(b)管子的長度不同(右)

n  設備與變因說明

「大象牙膏」(圖1):操縱變因為管子的長度。控制變因為雙氧水濃度(倒入保特瓶)、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量(置入側管錐形瓶)。

「小象牙膏」(「碘沖天泡」)(圖3):(a)操縱變因為管徑的粗細。控制變因為管長、雙氧水濃度(吸入針筒並由試管的側支注入)、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量(置入側支試管)。(b)操縱變因為管子的長度。控制變因為管徑、雙氧水濃度(吸入針筒)、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量(置入側支試管)。

n  藥品與用途說明

1.      雙氧水(hydrogen peroxide):30%(本實驗的主角,其分解反應式:2H2O2 → 2H2O + O2

2.      碘化鉀(potassium iodide):白色粉末,當作催化劑(碘離子,I才是本反應的真正催化劑)

3.      碳酸鈉(sodium carbonate):白色粉末,強鹼物質(在強鹼的條件下,I不會變成I2,才能維持I的催化反應,並且生成H2OO2。在酸性下,I則會變成I2,無法生成O2。),說明如下:

(1)   在酸中(過氧化氫溶液具弱酸性),碘離子被雙氧水氧化產生碘分子(難聞的且有黃色的I2),不會產生氧氣,如反應式[1]所示。由於酸的量不多且酸的強度不高,本實驗僅產生少量的I2

H2O2(aq) + 2I(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    [1]

(2)   為抑制碘分子的生成,本實驗加入強鹼的碳酸鈉。在強鹼中,過氧化氫才能維持I的催化反應,相關反應如反應式[1][5]所示。其中反應式[2]CO32─(aq)來自Na2CO3(aq),反應式[5]I的催化下,生成水或水蒸汽和氧氣。

H2O2(aq) + 2I(aq) + 2H+(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    [1]

CO32─(aq) + H2O → HCO32─(aq) + OH(aq)    [2]

H2O2(aq) + I(aq) + 2H+(aq) + OH(aq) → I2(aq) + 2H2O(l)    [3]

3I2(aq) + 6OH(aq) → 5I(aq) + IO3(aq) + 3H2O(l)    [4]

2H2O2(aq) → 2H2O(l) + O2(g)    [5]

4.      清潔劑:為了包覆反應所產生的O2而形成泡泡。

5.      顏料:為了增加視覺效果而添加。

n  分組合作

本次實驗的教案,如附件一所示。

一、合作前期:熟悉控制變因實驗法,以及「小象牙膏」(「碘沖天泡」)的實驗程序,如圖4所示。

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1.變因討論(左)、2.添加藥品(中)、3.裝填雙氧水(右)

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4.注入雙氧水形成小象牙膏(左)、5.測溫(中)、6.用餘燼的線香檢驗O2的存在(右)

4:學生進行「小象牙膏」(「碘沖天泡」)的實驗程序

二、合作中期:(1).課後合作學習:下次上課前,各組討論出要比對的變因有那些?想要操作的項目有那些?並請預測其可能的結果為何?(2).進行實驗:於下次上課時付諸實驗執行,並且紀錄於另一份學習單中,如附件二所示。

三、合作末期:各組將實驗結果呈現、分享與討論,並將資料統整後繳交。

n  結緣

因為有認真研習,所以能與楊水平教授的「大象牙膏」示範實驗結緣。因為有把一項項研習來的內容,落實在學生的操作中,並且允許他們將所操作的過程與結果拍攝、紀錄下來,所以才有學生將其所錄後製,並將其上傳至youtube。因為點閱率高,所以被公視流言追追追製作小組找上,合作了一集「大象牙膏」。可見任何事情的形成與完成,處處都需要貴人、推手的成全。

感謝楊水平教授、化學學科中心施建輝老師以及過程中的學生們、公視流言追追追的製作群與主持人你們都是促成此事,我的貴人,讓我在這一連串的蝴蝶效應下,學習成長,有機會體會螢光幕後,辛苦的準備與拍攝過程。

n  拍攝簡述

詳細內容可參考公視流言追追追第五輯DVD中的「大象牙膏」完整版,影片一是流言追追追61放屁蟲與大象牙膏。

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影片一:https://www.youtube.com/watch?v=Hf_5LDY9dcE

一、動機:來自大自然界的放屁甲蟲(昆蟲的一種,台灣的野外也找得到),體內也有雙氧水的噴發高熱機制,如圖5所示。

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5:放屁甲蟲標本(筆者自拍,左)、操縱放屁甲蟲(中)以及操縱放屁甲蟲噴發原理(右)

資料來源:http://www.apologeticspress.org/apcontent.aspx?category=9&article=1113

二、演示:雙氧水的噴發並測量其溫度,檢驗O2的存在,以及製作「大象牙膏」。

1.          雙氧水的噴發並測其溫度

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影片二:https://www.youtube.com/watch?v=rlt2jgFoWNM

2.          大象牙膏的製作

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影片三:https://www.youtube.com/watch?v=W-BhW3XzIpU

三、控制變因實驗法:比對各項變因的改變對實驗結果的影響,及其原因的說明。

1.          比較長短管的噴發

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影片四:https://www.youtube.com/watch?v=Bpua9-qx34U

2.          比較粗細管的噴發

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影片五:https://www.youtube.com/watch?v=3WvZAxaxfmA

3.          比較碳酸鈉的不同使用量

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影片六:https://www.youtube.com/watch?v=_5R_fje5ukw

4.          碘化鉀的不同使用量

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影片七:https://www.youtube.com/watch?v=qTeiKJq9ub0

n  結語

本文「碘沖天泡」的標題取材自我的學生,現在是新北市新埔國中的理化老師陳瑩芳的點子和創意。「碘沖天泡」表達出所用的催化劑,反應出沖出泡泡的效果,但不及「大象牙膏」的顯現,也不如「阿拉丁神燈」的神秘。「小象牙膏」則完全因於縮小版、環保的「大象牙膏」而起名。然而,不論名稱為何,吸引人的標題後面,更重要的則是從實驗中啟發了什麼?

戲法人人會變,各有巧妙不同,有的實驗重在知識本身的獲得或建立,有的則在實驗方法的熟練,有的則是實驗設計的巧思與運用,有的實驗是為了證明自己的想法或理論是否正確,其目地不盡相同。「碘沖天泡」本身的知識性並不深不難,但在有趣的過程中,可以讓學生學到很廣的科學內容,例如:

1.      原來雙氧水的催化劑可以不必是二氧化錳,也可以是碘離子,或其它的物質。

2.      如何證明反應後氧氣的存在?

3.      此種反應是放熱反應,並且測測看其溫度是多少?

4.      為什麼要加碳酸鈉?

5.      為什麼要加清潔劑?

6.      加顏料的目地為何?

7.      如何用控制變因實驗法進行此實驗?

8.      管子的長短、粗細不同,對泡泡噴發的高矮,有何不同,為什麼?(這是物理問題)

回到本文「前言」的第一段,亦可作為本文的結語:如果每個實驗都發展成為一個小型的科展,會不會更有趣?每位學生都像是一位小科學家,他們會不會更有成就感?。是不是呢?與大家分享此想法。

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n  附錄

附錄一:教學教案

3-4化學反應的熱量變化單元教學教案設計(適用於99課綱)

教學單元

高一基礎化學(一)

第三章第四節

3-4化學反應的熱量變化

授課班級

高一

授課教師

倪行健老師

教材資源

¡¡版教材

實驗材料

教學時數

3

授課日期

¡¡¡

教學對象

分析

國中對雙氧水(H2O2(aq))的認識

(1)製氧氣,以排水集氣法收集,(2)加熱可加速,(3)催化劑為黑色二氧化錳MnO2(s))。

核心概念

(1)實驗方法(2)放熱反應(3)催化劑的使用(4)氣體的收集與檢驗

教學目標

(認知、情意、技能)

認知領域

(1)熟練實驗方法(控制變因實驗法)的意義

(2)雙氧水(H2O2(aq))相關內容的深化

情意領域

(1)願意積極參與課前課中及課後小組學習活動

(2)願意積極投入問思答辨辯的教學歷程

技能領域

(1)能用控制變因法操作實驗

(2)對實驗內容有能力設計

(3)能完成文字及攝影後製作業

附錄二:學生學習單

小象牙膏學習單  班級:     日期:¡¡~ ¡¡

說明

1.        ¡¡版教材:高一基礎化學(一) 第三章第四節 3-4化學反應的熱量變化

2.        學生先備知識:國中對雙氧水(H2O2(aq))的認識

(1) 製氧氣,以排水集氣法收集

(2) 加熱可加速

(3) 催化劑為黑色二氧化錳MnO2(s)

3.        以雙氧水為實例,探討放熱反應及其現象的實驗設計,教學策略如下:

(1) 小組合作學習

(2) 重視思考及預測

(3) 配合問、思、答、辨、辯 的方法

4.        教與學歷程:(地點:專科大樓4F理化三實驗室)

(1) ¡¡日:介紹實驗方法,小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(2) ¡¡日:以雙氧水為實例,探討放熱反應及其現象,小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(3) ¡¡日:課後學習小組合作學習

(4) ¡¡日:將課後學習、預測及其設計驗證於實驗中

一.     組員名字及座號:                                                   

二.     填寫所需器材及藥品:                                               

三.     組員事前分工表:(例如:記錄報告美編攝影後製keyin……

負責同學

 

注意事項

 

 

 

 

 

 

四.     實驗方法:控制變因實驗法

觀察 + 思考 + 預測 + 實驗 + 收集資料 + 分析 + 統整:小組合作學習

老師問1

例如:(1)高一各班派2同學參加100公尺賽跑。

例如:(2)加入顆粒大小不同的大理石到同溫同壓同濃度的鹽酸中。

1.      控制變因:操作不可變的變因。

例如:(1)控制變因為:_______________________________________

例如:(2)控制變因為:_______________________________________

2.      操縱變因:操作唯一可變的變因。

例如:(1)各班派2同學參賽

例如:(2)大理石顆粒大小不同

3.      應變因:_______________________________________

例如:(1)結果:誰跑的最快?(名次順序)

例如:(2)結果:顆粒大的反應較快,還是顆粒小的反應較快?

實例1:自走船的實驗中,何者為控制變因?何者為操縱變因?何者為應變因?(討論後,寫在壁報紙上)

實例2:鋅銅水果電池實驗中,何者為控制變因?何者為操縱變因?何者為應變因?(討論後,寫在壁報紙上)

五.     觀察,思考,並將討論的想法(預測)寫下(討論後,寫在壁報紙上)

老師問2細聽老師所問

六.     進行實驗:步驟及現象描述(可用畫的,課後補在文字檔中即可)

實驗 + 收集資料(記錄報告美編攝影後製keyin…… + 分析 + 統整:控制變因實驗法 + 小組學習

(一)      依照黑板上的步驟:1KI + 1Na2CO3 + 5 mL H2O2(aq)

(將所發現的資料儘量記錄下來)

老師問3(1)___________________________(討論後,寫在壁報紙上)

(2)___________________________?小組自行試試。

(二)      依照黑板上的步驟:1KI + 1Na2CO3 + 1 mL 洗碗精 + 5 mL H2O2(aq)

(將所發現的資料儘量記錄下來)

老師問4(1)____________________________

(2)____________________________(討論後,寫在壁報紙上)

(三)      依照黑板上的步驟:1KI + 1Na2CO3 + 1 mL 洗碗精 + 顏料 + 5 mL H2O2(aq)

(將所發現的資料儘量記錄下來)

(四)      課後小組學習活動說明:

l   自行設計:例如改變什麼,就可以比較出怎樣(請將小組討論內容以A4大小打印一份,於下次實驗課時繳交,設計與預測內容越多,分數越高第一項設計:30分,之後每項10分。)

l   小組討論內容如下:1.你想證明什麼?2.怎麼做才能證明?3.預測:可能會發生什麼?

l   說明:1.學習單(文字檔)於¡¡日繳交。2.影音 + 後製檔Email給倪佬或以隨身碟繳交。3.分數(共300分)。

l   評分:(1)A4設計內容第一項設計:30分,之後每項10分。(最多100分),(2)小組討論 + 發表(壁報、PPT內容及態度)100分,(3)文字檔40分,(4)照片、影音 + 後製檔60分。

附錄三實驗設計及其記錄

l   實例一

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l   實例二

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