化學宅急便: 北一女中校慶化學宅急便嘉年華(中)/周芳妃、張永佶、詹莉芬、許名智、陳祖望、吳淑芳、江慧玉

星期一 , 29, 十二月 2014 1 Comment

化學宅急便

北一女中校慶化學宅急便嘉年華(中)

周芳妃1,2、張永佶1,2、詹莉芬1,2,*、許名智1、陳祖望1、吳淑芳1、江慧玉1

1臺北市立第一女子高級中學
2教育部高中化學學科中心
*leefeng1126@gmail.com

 

〔承《北一女中校慶化學宅急便嘉年華(上)》

n  【思源闖關王】

「思源科學創意大賽plus」是由財團法人交大思源基金會舉辦的科學活動,學生須能整合物理、化學、機械及動手實作等能力,設計以「骨牌」為連動機關,發揮設計創意及合作才能完成的競賽。適逢本校今年有兩隊學生進入複賽及決賽,也感謝財團法人交大思源基金會的鼓勵,因此我們將學生的參加競賽的設計融入「化學宅急便」的關卡,其中包括有看似容易但頗具挑戰性的「骨牌推推推」,結合生活與化學的「酒精凍與焰色反應」,化學連鎖氣體反應的「化學多米諾關」,結合物理與生活科技且具速度感的「磁力炮與磁浮列車」等,或者是顏色繽紛的「化學螢光反應關」、「泡泡龍關」、「甲基橙關」等,都可以讓參與的學生體會科學原理與生活科技應用的奧妙。闖關者需在關主的指示或指導下完成實作才可過關,這可以讓參與的學生更體會「科學的理論與應用」與認識「思源科學創意大賽plus」的實驗精神。

6活動過程之相關紀錄。

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6:【思源闖關王】之活動紀錄

n  【綠色化學與永續能源】闖關活動

2014北一女中校慶化學宅急便嘉年華」的重頭戲是「綠色化學與永續能源闖關活動」,以綠色化學及環保概念出發所設計出來的12個化學實作關卡,主要幾點特色說明如下:

l  關卡的主軸有氫能源1關(電解水與氫氧迷你響)、生質能源3關(劃火柴高手、點酒精燈高手、安全酒精凍),化石能源4關(乙炔高效能燃燒、乙炔迷你響砲、奈米碳製程、奈米碳催化反應),綠色化學4關(綠色化學有獎徵答、綠色化學藍印術、綠色化學銀鏡演示、綠色化學彩焰)。

l  大量使用微型裝置,以最少的試劑就可以達到化學實驗的效果。

l  負責關主培訓的老師,將培訓課程融入高二化學實驗課中,包括知識概念的建立、正確操作實驗步驟、實驗安全注意事項、關卡過關規則設計、關主的排班服務乃至於各關海報的設計製作等,老師站在指導與協助的角色,學生不僅學到化學知識,更可學到更多科學能力與帶著走的能力。

7為「關主培訓課程」融入高二化學實驗課程之相關紀錄,圖8為「關主培訓課程」中指導老師的溫馨「安全叮嚀」原稿。

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7:「關主培訓課程」融入高二化學實驗課程之活動紀錄

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8:「關主培訓課程」中指導老師的「安全叮嚀」原稿

綠色化學與永續能源」闖關活動共計12關,這些關卡的科學原理、實驗步驟與安全注意的叮嚀,介紹如下:

1.    電解水與氫氧迷你響炮:關主協助以微量電解裝置電解1 mL氫氧化鈉溶液(3 M),並以盛裝於塑膠小槽內的清潔劑水溶液收集混合氣體,待泡泡溢出小槽容器表面,移走電解裝置,點火於肥皂泡上方,可觀察到氫氣燃燒的爆鳴聲,頗具震撼力。

《實驗叮嚀》

u  微量電解裝置的製作是將2支小銅釘半插入小塑膠滴管的容器,通電時注意兩支電極不可以接觸,會因短路而不發生電解反應。

u  1 mL氫氧化鈉溶液(3 M)為電解液,可連續操作多次的氫氧迷你響炮,電解液中後來會逐漸出現藍色Cu(OH)固體或黑色CuO固體,並不會影響電解水的產物。

u  容器中事先盛裝的溶液水面務必達八分滿,後續操作點燃氫氧混合氣體的泡泡時,才不會造成容器被炸到碎裂,絕對不可用玻璃容器操作本實驗。(感謝大甲高中廖旭茂老師提供建議,使用多孔細胞培養皿取代塑膠小槽。)

2.    劃火柴高手:讓闖關者學會操作劃火柴。闖關者能劃火柴,並讓火柴火焰燃燒維持15秒以上就算過關。

《實驗叮嚀》

u  關主提醒勿吸入火柴頭剛點燃時所產生白煙(磷、硫的氧化物)。

3.    點酒精燈高手:放置一排酒精燈,僅點燃第一個酒精燈,以手指浸潤50%酒精水溶液,立刻接觸第一個已燃的酒精燈火焰,再將手指移動到第二個酒精燈的燈芯,則可點燃第二個酒精燈,再直接將手移動點燃第三個酒精燈。闖關者至少能點燃第二個酒精燈,也歡迎闖關者繼續挑戰點燃數個酒精燈。

《實驗叮嚀》

u  需放置一盆冷水在酒精燈陣列的末端,關主提醒參加者最後要將手指頭泡入這盆冷水,使手指頭上的火焰熄滅。

u  闖關的酒精燈需放置在塑膠盆內,避免打翻。

u  隨時注意酒精燈內酒精的體積,至少約佔總體積1/3以上,補充燈瓶內的酒精時,必須再沒有火焰的空曠地方。

4.    安全酒精凍:將醋酸鈣飽和溶液1 mL與工業酒精5 mL混合,兩個塑膠杯互倒溶液幾次,可觀察到液態酒精結成果凍狀。實驗步驟細節可閱讀「參考資料1」。

《實驗叮嚀》

u  為了降低實驗成本至少50%,本案採價格較低的工業酒精(紅色),由於含水量不確定,事先務必測試,並酌量加入一些95%無色酒精。

u  利用酸鹼中和反應準備醋酸鈣飽和溶液的配方如下,Ca(OH)2粉末、水、99% CH3COOH三者質量比為5 : 40 : 8,恰可中和並達到飽和。使用前先將此溶液及微量殘留粉末搖一搖即可。(化學計量說明:1 mol Ca(OH)274克,2 mol CH3COOH120克,兩者質量比為74 : 120 = 1.0 : 1.6

9為「氫能源關」與「生質能源關」活動紀錄。

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9:【綠色化學與永續能源】闖關活動「氫能源關」與「生質能源關」之活動紀錄

5.    乙炔高效能燃燒:準備排水集氣裝置,集氣用的試管內先裝八分之一體積的水,蓋上塞子,倒立在水盆中。另以250 mL點滴瓶(蓋子接導管)做為乙炔製造瓶,乙炔製造瓶內先裝八分滿水,再放入花生粒大的電石一顆,馬上旋好反應瓶蓋子並將導管末端導入水盆中,排掉一些泡泡之後,就開始在試管中收集乙炔氣體。試管內原有八分之一體積的水被乙炔氣體排出試管後,馬上將試管加蓋,移出試管。將試管正立,將點燃的火柴移到試管口,打開試管塞子,馬上將火焰移到試管口,可觀察到乙炔高效能燃燒(無黑煙,有爆鳴聲)。實驗步驟細節可閱讀「參考資料2」及「參考資料3」。

《實驗叮嚀》

u  闖關者須先配戴護目鏡,始可依關主指導進行實驗操作。

6.    乙炔迷你響砲:將綠豆量的KI粉末加到盛裝於塑膠小槽內約八分滿的混合溶液中,此混合溶液包含雙氧水(5-10%)、NaOH溶液(0.05 M)及清潔劑(1 : 4)。觀察氧氣泡泡溢出小槽容器表面,形成牙膏擠出狀。另外,在乙炔製造瓶中以電石與水反應產生乙炔,再將乙炔氣體導入氧氣泡泡中,移走氣體導管,點火於肥皂泡上方,可觀察到乙炔燃燒的爆鳴聲,以及液滴濺散,頗具震撼力。實驗步驟細節可閱讀「參考資料2」及「參考資料3」。

《實驗叮嚀》

u  關主務必穿著實驗衣,被噴出液滴弄髒的衣服只要用肥皂清洗即可乾淨。

7.    奈米碳製程:操作流程與上述關卡「高效能燃燒」相同,但是準備排水集氣裝置中,集氣用的試管內改為先裝二分之一體積的水。將乙炔與空氣的混合物點火後,可觀察到大量黑煙出現(黑煙微粒中含有奈米碳)。實驗步驟細節可閱讀「參考資料2」及「參考資料3」。

《實驗叮嚀》

u  關主提醒,當火柴點火立刻產生大量黑煙時,立刻以塞子將試管蓋住,避免碳微粒飄出。

8.    奈米碳催化反應:將上述關卡實驗產生的黑碳微粒或粉末收集,或是以香菸取出的乾菸草磨碎取代使用。酒精燈放在舖有鋁箔保護的實驗桌上,進行對照組與實驗組兩個實驗:

對照組:將方糖放置在酒精燈上燃燒數秒,再移到鋁箔上方,觀察方糖燃燒情形。

實驗組:將方糖沾一些黑碳微粒或菸草微粒,將方糖放置在酒精燈上燃燒數秒,再移到鋁箔上方,觀察方糖燃燒情形。

《實驗叮嚀》

u  小心不要被熱糖漿燙到。

u  事後關主要以熱水清洗酒精燈瓶外的焦糖,恢復酒精燈乾淨。

10為「化石能源關」的活動紀錄。

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10:【綠色化學與永續能源】闖關活動「化石能源關」之活動紀錄

9.    綠色化學有獎徵答:關主準備好綠色化學的十二個原則,請闖關者熟記。由於綠色化學十二原則內容有些複雜,以十二個中文字來代表:

廢物低    保降能    再簡化    可監危

與此十二字相對應名詞的是:

防廢物盡低毒保安降輔節能再生簡潔催化可解監測思危

闖關者需背出綠色化學的十二個原則中的五個才算過關。相關知識可詳閱「參考資料4」。

10.      綠色化學藍印術:關主示範「小綠綠」草酸鐵鉀(K3[Fe(C2O4)3])晶體的合成與養晶,取養晶後的0.5 mL「廢液」(草酸鐵鉀飽和溶液)0.5 mL赤血鹽溶液(1.0 M)、0.5 mL稀硫酸(0.1 M),暗室中將三者在塑膠袋中混合均勻(塑膠袋表面先用油性黑色簽字筆設計圖案),再將濾紙放入塑膠袋內,平推塑膠袋使袋內濾紙均勻吸收液體。將袋子放到室外,經照光出現藍黑色,最後將濾紙上殘留液清洗掉,就創作出獨一無二的藍印術紀念品。闖關者可依關主指導進行實驗操作,從養晶廢液取材,創作出具紀念價值的藍印術紀念品。合成草酸鐵鉀的實驗步驟細節可閱讀「參考資料5」。

《實驗叮嚀》

u  潮濕濾紙易破損,清洗掉濾紙上殘留液時,要先在塑膠袋中裝水,小心取出濾紙放在塑膠袋表面上(塑膠袋作為保護墊),輕扶著塑膠袋和濾紙,再做清洗。

11.      綠色化學銀鏡演示:5~7 mL小試管,加入0.5 mL硝酸銀溶液(5%),加入大約2 mL氨水(2 M),配成澄清的多侖試劑,再加大約2 mL果糖溶液(5%),以杯子和試管互倒方式將溶液混合均勻後,儘快浸入100熱水浴中,大約30秒後即可製得銀鏡。

《實驗叮嚀》

u  關主須提醒要戴手套及護目鏡進行實驗操作,廢液要回收。

u  儘量利用學校正課實驗留剩的硝酸銀溶液進行銀鏡反應,其濃度與劑量可重新調整。

12.      綠色化學彩焰:取關卡(4)的酒精凍一小塊放於鋁瓶凹槽處,酒精凍上方鋪上沾有5~10滴氯化銅溶液,以及幾小片衛生紙細片,點火使衛生紙與酒精凍燃燒,就可觀察到各種不同顏色之焰色反應,七色色光全部出現時,火焰會出現白光。實驗步驟細節可閱讀「參考資料6」。

《實驗叮嚀》

u  在火焰中燃燒的氯化銅,其揮發性高於硫酸銅,因此較容易改變焰色。

u  氯化銅的配方來自實驗室剩餘試劑硫酸銅溶液0.5~1.0 M),逐滴加入一些濃鹽酸,產生藍綠色液體,即為含有氯化銅溶液(0.5~1.0 M)成份的水溶液。

u  衛生紙燒成碳黑之後,碳是還原劑,可將銅離子從+2價還原到+10價,因此陸續產生綠、藍、紫等色光,再搭配酒精與紙張燃燒產生紅橙到橙黃色光,就有了繽紛七彩色光。

11為「綠色化學關」的活動紀錄。

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11:【綠色化學與永續能源】闖關活動「綠色化學關」之活動紀錄

〔續《北一女中校慶化學宅急便嘉年華(下)》

 

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One Comment
  • Delia 說:

    A wonderful job. Super helpful inoaimftron.

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