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「大象牙膏」變成「碘沖天泡」
倪行健
臺中市立長億高級中學
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假豐原高中所辦,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。
圖1:學生自製「大象牙膏」裝置的零件
圖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!
圖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H2O及O2。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]中CO32─(aq)來自Na2CO3(aq),反應式[5]在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。
1.變因討論(左)、2.添加藥品(中)、3.裝填雙氧水(右)
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)
圖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集–放屁蟲與大象牙膏。
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。
圖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
2. 大象牙膏的製作
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。
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。
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節 |
授課日期 |
¡年¡月¡日 |
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)催化劑為黑色的二氧化錳(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 |
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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)對雙氧水(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:¡月¡日~ ¡月¡日
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) 催化劑為黑色的二氧化錳(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
(1) ¡月¡日:介紹實驗方法,小組合作學習配合問、思、答、辨、辯
(2) ¡月¡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) ¡月¡日:課後學習—小組合作學習
(4) ¡月¡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 |
內 容 |
注意事項 |
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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位男同學參加
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位男同學參賽
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:1匙KI + 1匙Na2CO3 + 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:1匙KI + 1匙Na2CO3 + 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:1匙KI + 1匙Na2CO3 + 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¡月¡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
l 實例二