綠色化學創意競賽:中和高中學生改良目視比色法測定平衡常數 / 陳欣怡、林聖揚、顏宏宇

星期五 , 10, 七月 2015 Leave a comment

綠色化學創意競賽:
中和高中學生改良目視比色法測定平衡常數

陳欣怡*、林聖揚、顏宏宇

新北市立中和高級中學
*shinekudo@gmail.com

n  教師教學反思

回想我(通訊作者)初任教職之時,總是拿著一本課本,仔細的講解化學的原理、觀念和範例,再搭配學生課堂和課後的練習題,但一段時間後,讓我越來越覺得索然無味,而同學的反應也是越來越無言。我明白這警訊是告訴自己:「需要改變了!」,於是我積極參與教育部高中化學學科中心、思源基金會以及工業技術研究院等舉辦的各種研習活動和競賽活動。在每次的研習活動中,都讓我感動萬分而且收穫滿滿,恨不得立刻能夠把所學用到教學上,讓同學們也能體會我的愉快和興奮。因此,即使課務再繁忙我也會抽空去參與研習,並且嘗試在課堂上使用。另外,我也積極帶領學生組隊參加各項科學競賽,包括遠哲科學趣味競賽、化學創意闖關比賽、旺宏科展、科學展覽、清華盃高中化學學科能力競賽……。不管競賽的結果如何,我相信透過這些活動,可以讓他們擴展視野,並學習克服競賽過程所遇見的各樣困難,這才是學生最重要的能力!

n  擴展學生視野

在食安問題沸騰之際,於學校的網頁上看到綠色化學創意競賽的活動訊息,覺得化學和環保作結合的概念是十分重要的,我不想讓大家覺得化學不但破壞環境、而且爆炸害人。於是找了我任教的高二科學班的學生進行討論,科學班的學生,在一般的學業課程之外,另開設專題課程,其課程內容包含各種實驗、參訪(見圖一)、設計實驗(圖二)見、報告(見圖三)和分享所學給社會大眾(見圖四)。此課程的用意,除了訓練台風、促進思考、擴展視野及服務學習,但最重要的是忠於科學,愛上科學

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圖一專題課程校外參訪雙和醫院

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圖二專題課程設計實驗化學學科中心主辦我是闖關王

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圖三專題課程成果發表化學組

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圖四:專題課程—分享所學科學Live

我在帶領學生的過程中,從找尋主題到設計實驗,學生都能充分發揮他們專題所學的能力(如:蒐集資料、問題探究及分工合作的能力),而最後決定方法和理論結果後,就要開始驗證自己的推論,因此必須經常運用晚上跟假日時間留校實驗,在這期間他們除了課業、科展等事情都要兼顧,也更進一步把有效運用時間的這能力充分實踐。實驗過程雖然部分與預期不同,但是他們能夠利用自己特有的專長,與科學結合並應用在學科中,看到學生能在科學領域上的創意與進步,我備感欣慰以外,也深深的感受到代代都有人才出,自己也需要時時刻刻努力,才能跟得上這些未來的主人!

n  設計理念與改良

一、  得獎作品

l   作品名稱:目視比色法之改良。

l   參賽學生:林聖揚、顏宏宇;指導教師:陳欣怡

l   得獎名次:高中組綠色化學(減毒減量)創意競賽銀牌獎。

二、  設計理念

化學在生活之中處處可見,小至一粒塵埃、沙粒;大至一片叢林、土地,都能發現隱含於其中的化學世界。早在西元前數百年即有鍊金術士、煉丹術,人們開始嘗試控制生活周遭的化學。數千年來,人類對於「化學」這門科學的研究已步上軌道,並試著發展其他分支。但,當人們汲汲營營的探究、摸索化學時,卻也在不知不覺中傷害了地球環境,破壞了我們所擁有的一切。為了能延續整個世界,綠色化學成為近年來最重要的發展之一。

為了要達到綠色化學,許多的實驗必須改良,例如:溶度積常數測定的實驗(以前是用氯化鉛現在改草酸鎂……等)。綠色化學創意競賽的宗旨就是集思廣益讓更多實驗可以改良達到綠色化學的要求,於是我們改良了高中基礎化學(三)第三章化學平衡中常見的實驗平衡常數與勒沙特列原理。我們的設計是原本具有毒性的硫氰化鉀置換成較不具毒性的草酸與鹽酸,而指示劑也是選用無毒性的紫色高麗菜和薑黃,再搭配原始實驗中的目視比色法,融入選修化學第四章水溶液中酸、鹼、鹽的平衡,和孟賽爾顏色系統,從原本計算鐵離子與硫氰化鉀的反應常數更換成草酸的第一解離常數。此一改良設計降低了原本反應物的毒性和具有毒性的產物硫氰化鐵錯離子,大大的降低了整個實驗的毒性。

三、  涉及的原理和概念

(一)朗伯比爾定律

朗伯比爾定律(Lambert-Beer law),又稱作比爾定律。其內容為當光穿透溶液時,光的吸收度(A)與吸收係數(a)、光徑長(b)、濃度(c 三者均呈正比例:A = abc。由於兩溶液在加入指示劑以前皆為透明澄清的溶液,且所加入的指示劑皆相同,故其吸收度可視為定值。在吸收係數方面,因為所使用的光源皆為固定波長,所以可視為定值。進而得知溶液的濃度與其高度成反比。

(二)酸鹼指示劑

酸鹼指示劑本身是一種弱酸或弱鹼的色素,在滴入溶液時色素會與H+OH結合,轉化成相應的酸式或鹼式,從而顯示不同的色澤。本實驗所採用的是天然的指示劑,由紫色高麗菜汁與薑黃混合而成。

紫色高麗菜汁的變色範圍如圖五所示,顏色隨著由酸到鹼變化,從紅色到紫色,再到藍色。然而紫色高麗菜汁在弱酸的環境下靈敏度並不高,因此我們選擇加入變色明顯且單純的薑黃如圖六所示,讓混合後的指示劑在比色的過程中有更好判讀。

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圖五:紫色高麗菜汁的變色範圍

(圖片來源:An Overview of pH, http://www.braukaiser.com/wiki/index.php/An_Overview_of_pH

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圖六:薑黃紙的變色

(圖片來源:化學示範實驗:在薑黃紙上畫圖和寫字,http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=11553

(三)玻璃紙比色法

包覆有色玻璃紙在光桌的燈光上,使在目視比色時的可讀性增加之想法,是從孟塞爾顏色系統衍生出來的如圖七所示,在這個色彩坐標系中,色相、彩度及明度分別等於在比色實驗中的變色範圍、濃度及亮暗。不論任何色相,若彩度為零時,則剩下明度亮暗的差別;亦即在比色實驗中,不論任何顏色,若亮暗為零時,則剩下濃度高低的差別。我們利用玻璃紙濾光的性質,從光源中濾出與溶液顏色互補的色光,例如:紅色溶液使用綠色的玻璃紙,讓溶液顏色的彩度降到最低,如此一來便能依亮暗的差別來進行目視比色了。

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孟塞爾顏色系統

(圖片來源:孟塞爾顏色系統,維基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/孟塞爾顏色系統

四、 

實驗過程

實驗的概要過程如圖八所示。

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八:實驗流程

實驗的詳細過程如下所述。

(一)光桌未被包覆玻璃紙

1.        放置紫色高麗菜於水中並煮沸,待煮沸後取出其溶液,置於一旁降溫,備用。

2.        秤量20 g之薑黃,並與200 g之水混合,待其沉澱後取其中段的溶液,備用。

3.        2:1之比例混合薑黃水溶液與紫色高麗菜液成一酸鹼指示劑。

4.        配置適量之0.2 M草酸與0.2 M鹽酸。

5.        取草酸與指示劑各5 mL置於比色管中,並用黑色膠帶包覆之。

6.        取鹽酸與指示劑各5 mL置於比色管中,並用黑色膠帶包覆之。

7.        放置兩比色管於光桌上,比較兩溶液之顏色,並吸出顏色較深之鹽酸溶液,直至兩管之深淺度相同。

8.        拆開膠帶並測量其溶液高度。

(二)光桌被包覆玻璃紙

1.        步驟與(一)光桌未包覆玻璃紙之步驟1.6.相同。

2.        放置兩比色管於包覆綠色玻璃紙之光桌上,並將其置於暗室中,如圖九所示

3.        比較兩溶液之顏色,並吸出顏色較深之鹽酸溶液,直至兩管之深淺度相同。

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:比色管置於綠色玻璃紙上

五、  實驗結果與討論

(2)改良一指示劑改良實驗後的結果,如圖十所示

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十:改良指示劑後的實驗結果

(3)改良二光桌被包覆玻璃紙,圖十一為被綠色玻璃紙包覆的目視比色圖十二為光桌用綠色玻璃紙包覆後的實驗結果。

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圖十一:被綠色玻璃紙包覆的目視比色

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圖十二:光桌用綠色玻璃紙覆蓋後的實驗結果

在本次研究中,0.10 M草酸的Ka1 = 5 × 10–2,理論上[H+]1 = 0.050 M,而0.10 M鹽酸為一強酸,故可視為完全解離,[H+]2 = 0.1 M。利用朗伯比爾定律(C1h1 = C2h2)可得草酸與鹽酸[H+]的比值為0.5。在改良指示劑的實驗中,其溶液高度平均比值為0.57[H+]的比值之誤差為0.074,誤差百分比為15%。在包覆綠色玻璃紙之實驗中,溶液高度平均比值為0.40,與[H+]的比值之誤差為0.098,誤差百分比為20%。二者誤差較高之原因,是利用目視法時,會因肉眼判讀不易,且個人主觀對於色相與明度之認知不同,導致誤差百分比偏高。

六、  設計特點

l   此次改良基礎化學(三)實驗二平衡常數與勒沙特列原理平衡常數測量實驗,更改有毒的硫氰化鉀為低毒性的草酸、無毒的紫色高麗菜汁和薑黃。

l   實驗結果顯示:若只有用紫色高麗菜汁去測量草酸的Ka1會因為色調不同無法比色,因此加入薑黃改善此缺點。

l   在添加薑黃實驗中以紫色高麗菜汁:薑黃的體積比為21的效果較佳,紫色高麗菜汁若太多無法比色,薑黃若太多顏色差異太小。

l   利用玻璃紙濾光的性質,從光源中濾出與溶液顏色互補的色光,讓溶液顏色的彩度降到最低,便能依亮暗的差別來進行目視比色了。這可以補足指示劑顏色不明顯的困擾。

l   本實驗使用的器材和藥品為草酸、紫色高麗菜、薑黃為天然指示劑,實驗中改用管徑較細的比色管用來減少藥品用量,除了讓學生有安全的學習環境,並符合綠色化學減毒和減量的原則!

n  參賽學生心得

一、參與契機

在這在不安全的時候,人們常在不知覺的或有意的情況下傷害了生活環境,為了能延續整個世界和為化學的汙名平反,綠色化學成為最重要的發展。當看到綠色化學創意競賽時,深覺我們(第二盒第三作者)要為環境盡一份心力,因此毅然決然的參加了這競賽。

二、瓶頸難題

我們遇到第一個困難是主題的選定,在翻遍課本上所有的實驗後,與老師討論最後決定改善基礎化學(三)實驗二平衡常數與勒沙特列原理平衡常數測量這實驗,改良高中常見的實驗利用目視比色法測定平衡常數。原本具有毒性的硫氰化鉀置換成具低毒性的草酸和鹽酸,降低了反應物的毒性,而而且原本具有毒性的產物硫氰化鐵錯離子因實驗的改良而消失,也大大的降低了整個實驗的毒性。

在實驗的過程中,我們碰上了許多麻煩,從最一開始指示劑的選擇就花了我們很多時間去做檢驗,除了必須要有較高的準確性去判定實驗結果,還必須符合綠色化學,降低其毒性。除了指示劑之外,實驗結果的判讀也是一大難題。由於目視比色法是利用肉眼判斷兩比色管的顏色差異,而不同人對顏色的敏感度不盡相同,因此誤差也就跟著提高。每當我們做完一組實驗就必須檢測其誤差,並將誤差過大的數據刪除,有時當眼睛狀況不好時,一整天的實驗也就泡湯了。整個實驗的過程到結果,我們從最初的指示劑選擇到最後比色法加上玻璃紙的改良,中間都是我們經過無數次的失敗以及好幾個晚上留在實驗室努力不懈的心血結晶。

三、成功喜悅

在實驗室裡進行了數十次的實驗,第一次成功的時候,那種喜悅是言語無法形容的,但又擔心這只是偶然的結果,因此我們每次都會把藥品用量精準地記錄,這樣方便我們下次可以重複。而實驗數據的處理也是一大考驗,當我們試著整理那些數據時,發現和草酸實際的Ka1差距很大時,心中莫名的失落,我們一直檢討和老師討論都找不到問題所在,最後發現是我們計算方式有誤。把這問題解決後,發現我們辛苦的實驗數據精準度大大提高,這結果讓我們開心不已。

四、競賽報告

在得知競賽初審通過後,我們和老師都非常開心,雖然在專題課上我們有多次上台簡報的經驗,但面對專業的大學教授們卻是頭一遭,所以我們經過好幾次的演練、計時,還有老師、同學們給予我們的提點與指導。最後在比賽當天,我們在專業的評審教授們提問後,走出那扇門後我們心中的大石才算落下。

這次比賽讓我學習到的不只是課堂上的計算或實驗的操作,我認為第二階段的面試與最後頒獎典禮上的發表都讓我從中獲取不少寶貴的經驗,畢竟一個普通高中生能有這樣一個機會把自己的成果呈現在大學教授面前並接受批評與提問,不僅訓練自己的膽識與臺風,更是磨練我們在科學知識上的表達能力。

五、得獎心情

在最後公佈得獎名單時,得知我們獲得銀牌(見圖十三),心情非常愉快,但更開心的是藉著這次的比賽,我們體認到綠色化學的發展對整體人類的重要性與必要性,試想如果各個高中都能進行改良過後的實驗,相信這將會大大的降低造成的污染,也更具有教學意義。

感謝主辦單位舉辦這次的比賽,設立一個平台讓我們有機會了解綠色化學,並將自己所發想的內容展現出來,也謝謝所有參與其中的評審教師,讓我們能在眾多參賽者中脫穎而出!而主辦單位特別的頒獎典禮,讓我們除了擁有榮耀之外,還可以有機會學習,真是收穫無窮。也相信我們大家的付出不會白費,在未來每位參賽者的心血結晶都將成為一顆種子,不久會成為一棵大樹為我們的子孫提供一個乾淨的環境。

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圖十三頒獎典禮獲獎

n  結語

從改量的實驗結果和討論中,我們發現,當硫氰化鉀被置換為草酸時,其氫離子濃度愈高度關係之誤差皆位於可接受之範圍內。當所欲比較之兩溶液有色相上之差異時,則可在光源上覆蓋玻璃紙,以降低其彩度,使其僅有明度上之差異。

改良後之實驗符合Paul Anastas博士和John C. Warner博士所提出綠色化學十二項原則之五項,如下所示:

一、 防止廢物(產物只有鹽酸與草酸)

二、 設計更安全的化合物和產物(全程使用無毒藥品)

三、 避免化合物的衍生物(無額外廢物)

四、 使事故的可能性降到最低(降低誤食時的危險性)

五、 減少藥品的用量(使用較細的比色管增加溶液的高度)

在得獎之後,指導教師看到學生在眾人面前能夠落落大方對自己的實驗侃侃而談,沒有絲毫愜場與扭捏,在參加發表會時也對其他組的作品抱持讚嘆和學習的態度,在在都表現出他們良好台風、欣賞別人的精神和分享所學的態度,這讓我除了為了他們得獎而喜悅之外,更加的以他們表現出來的態度為榮。

n  參考資料

1.        高中基礎化學(三)第三章可逆反應與化學平衡。

2.        明度,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/明度

3.        HSLHSV色彩空間,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/HSLHSV色彩空間

 

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