綠色化學創意競賽:光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動 / 陳恆毅、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程

星期四 , 9, 七月 2015 Leave a comment

綠色化學創意競賽:
光華高中學生改良電解水實驗方便觀察離子移動

陳恆毅*、陳怡仁、周育柔、陳冠綺、林千程

臺南市立光華高級中學
*yiyi945@gmail.com

n  參賽緣由

自從我(通訊作者)從事教職以來,引導學生將所學知識應用在實驗上,就是我的教學理念之一。為此,即便課務繁忙,我仍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、思源科學創意競賽、科學展覽等。每次學生參與科學競賽,我指導他們親手設計並操作實驗,並針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道,這正是影響學生未來的重要能力,絕非紙筆測驗所能達成!

某次看到綠色化學創意競賽的宣傳海報,對於結合化學和環保的概念感到相當有趣,於是找了幾位高二多元智慧班的學生進行討論,並決定要設定題目來進行研究。學生很有意願接受挑戰,同時我們也覺得這是一個很有意義的活動。從一開始的實驗取材我們就選擇天然材料,並且以可以重複使用的設備作為實驗器材。如此,綠色環保的口號,便能在生活和教學中落實。

n  激發學生潛能

此次參賽的學生來自光華高中的特色班級多元智慧班,在一般的學業課程之外,另有特色課程「自主學習」、「數位學習」、「創意課程」,課程以專題導向式學習為基礎的學習(project-based learning, PBL)方式進行,故能激發學生的學習潛能,使入學成績PR值不如明星高中的學生,仍能在各項競賽與全國好手同台。這次,綠色化學組隊的學生能和全國名校學生一起切磋學習,甚至一起上台領獎,對學生來說是很重要的一次成功經驗。

我在帶領學生過程中有很深的感觸,如果老師能看到學生課業以外的多元能力,並給予學生機會、養分,學生會有自主積極的學習行為,不但在多元智慧班的自主課程時間進行實驗,還願意主動利用自己晚上跟假日時間留校把實驗完成,在這當中也學習到時間管理的重要性。一開始雖然要花以較多時間帶領學生去討論、設計實驗、注意實驗安全等等,不過只要學生學習到這套科學方法,之後就可以自己設計實驗、購買材料、配製藥品、進行實驗、結果分析。看到學生能在動手做科學上獲得成長與成就,常常對自然科學產生更大的興趣,就會對這些學科花更多時間去研讀,另一方面學科成績上也有顯著的進步!看到學生除了在自然學科成績上有所成長,更對動手做實驗有實務的經驗,我覺得這才是完整的科學教育,能讓我有更多的能量與熱情再去帶領學生學習!

n  設計理念與改良

一、  得獎作品

l   作品名稱:觀察離子移動情形以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗。

l   參賽學生:周育柔、陳冠綺、林千程;指導教師:陳恆毅、陳怡仁。

l   得獎名次:高中組綠色化學(減毒減量)創意競賽銅牌獎。

二、  設計理念

高中的化學實驗課程中介紹到電解水實驗,電解時觀察正極產生的氫氣和負極產生的氧氣;之後分別取出兩極附近的液體,再以酸鹼指示劑(石蕊試紙、酚酞指示劑、廣用指示劑)檢驗其酸鹼性。不過此作法只能知道靠近兩極端的酸鹼性,並無法觀察到離子移動的狀況。我們希望設計一種可以觀察電解水時離子移動狀況的實驗!

在實驗器材和藥品方面,我們希望使用的是對環境沒有汙染的紫色高麗菜當作天然酸鹼指示劑,洋菜粉用來當作水溶液瞬間「凍結」起來的材質,導電材質是可反覆使用的惰性電極石墨!本實驗所使用的器材都是日常生活用品在超商中就可以買到,而且操作簡單,試藥用量甚少,不具危險性。本實驗能達到教學的實驗目的,並符合綠色化學原則,落實永續教育的目標

三、  涉及的原理和概念

常見的電解水實驗,如圖一所示:電解的產物在陽極(+)產生氧氣且周圍的液體呈現酸性,如[1]所示;在陰極()產生氫氣且周圍的液體呈現鹼性,如[2]所示。

陽極(+):2H2O(l)→ O2(g) + 4H+(aq) + 4e    [1]

陰極():2H2O(l) + 2e→ H2(g) + 2OH(aq)    [2]

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圖一:常見的電解水裝置

利用天然的紫色高麗菜汁作為指示劑,高麗菜汁加到煮沸後的洋菜粉溶液,菜汁和洋菜粉溶液混合成果凍狀的固體,在此狀況下,混合的溶液不會再流動;陽極電解時產生的H+會往陰極移動,陰極電解時產生的OH會從往陽極移動,由指示劑的顏色可觀察到兩者會在中間相遇;依果凍狀的菜汁顏色改變,透過紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表(見表一),很容易得知電解水過程中的酸鹼值變化,如此即可觀察水中H+OH移動的狀況。

表一:紫色高麗菜的顏色與酸鹼值對照表

pH

1-2

3

4

5

6

7

8

9-10

10-11

11-13

13↑

顏色

粉紅

粉紫

淡藍紫

藍紫

紫青

青綠

翠綠

草綠

黃綠

深黃

圖示顏色

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四、  實驗過程

(一)製作含紫色高麗菜汁的洋菜果凍

1.        秤取50 g的紫色高麗菜,撕碎並倒入果汁機中,再倒入50 g的水,搖動果汁機以確保每片紫色高麗菜都有切碎,進行榨汁。取出後倒入濾布,擠出其汁液,再使用濾紙二次過濾。

2.        1克的洋菜粉和44克水放入保鮮盒中,微波50秒製作成果凍溶液,如圖二(左)所示;在其凝固前倒入各5 mL的紫色高麗菜汁和1 M硝酸鉀溶液,並使用玻棒攪拌,以減少氣泡的產生,放置常溫待其凝固,再放入冰箱保存,即完成果凍。

3.        為方便事後的電解,裁切相同大小成為長4 cm1.6 cm1.5 cm,如圖二(右)所示

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圖二:濾液到入保鮮盒中(左)和裁切含紫色高麗菜汁的洋菜果凍(右)

(二)電解水反應裝置和操作方法

1.        本實驗所設計的電解水反應裝置,包含鉛蓄電池(12 V)、含紫色高麗菜汁的洋菜果凍等,如圖三所示。

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圖三:電解水反應裝置

2.        用削鉛筆機削尖石墨棒,如圖四(左)所示,以尖端插入含紫色高麗菜汁的洋菜果凍兩端內0.5公分,進行電解,如圖四(右)所示。

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圖四:石墨棒削尖(左),方便插入含紫色高麗菜汁的洋菜果凍內(右)

3.        開始電解並計時,如圖五(左)所示,直到正極和負極電解產生酸和鹼而使得紅色和黃綠色完全交會時才停止電解,並計算電解完成所需時間,如圖五(右)所示。

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圖五:開始電解並計時(左)紅色和黃綠色完全交會時才停止電解的時間(右

4.        每次電解結束後,必須充電鉛蓄電池,並在每次電解前確認鉛蓄電池充飽。

(三)電解實驗影片

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影片網址:以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗,https://www.youtube.com/watch?v=u_yyzaOBGnw, YouTube.

(四)比較不同濃度的電解質對電解的影響

1.        使用定量瓶,配製2 M3 M4 MKNO3溶液。

2.        在三個保鮮盒裡都分別配製含紫色高麗菜汁的2%洋菜粉溶液,然後分別在三個保鮮盒加入5 mL2 M3 M4 MKNO3溶液後均勻攪拌,放置常溫待其結成凍,如圖六所示。

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圖六:含紫色高麗菜汁的洋菜果凍之不同濃度的KNO34 M(左)、3 M(中)、2 M(右)

3.        結成果凍後,從保鮮盒取出,用刀片切成長4 cm1.6 cm1.5 cm

4.        開始電解並計時,電解產生酸和鹼直到正極和負極的紅色和黃綠色完全交會時才停止電解,並計算電解完成所需時間。

5.        觀察變化情形,並比較不同濃度的電解質對電解的影響。

五、  實驗結果與討論

比較不同濃度的電解質對電解的影響,如表二所示

表二:比較不同濃度的電解質對電解的影響

濃度

1 M

2 M

3 M

4 M

碰觸時間

7

646

608

548

對電解影響

時間較長

未產生煙霧

時間稍長

產生煙霧

時間稍長

產生煙霧

時間較短

產生煙霧

實驗結果發現,提高濃度對電解效率只有些微增加,卻造成煙霧的副作用,因此是以1 M KNO3是最佳的實驗條件。1 MKNO3之所以不會產生煙霧是因為KNO3濃度在電解過程中其劇烈程度還不至於會產生煙霧,而2 M3 M4 MKNO3因反應過於劇烈會產生煙霧。再者,在電解時反應太過劇烈而造成碳棒上脫落成為碳粉。

本改良電解水實驗可以利用紫色高麗菜的顏色變化,觀察到水中H+OH移動的狀況!實驗結果顯示紫色高麗菜以榨汁法和2%洋菜粉濃度為電解最佳的條件。在添加電解質實驗中以1 MKNO3效果最佳,在改變電壓實驗中以12 V電解效果最好;電解時間從18→7分,大幅提升電解效率,解決耗能疑慮。

本實驗使用的器材和藥品為紫色高麗菜、洋菜粉和石墨,實驗操作時間短,而且試藥用量少危險性低,不僅能讓學生有安全的學習環境,並符合綠色化學原則,落實永續教育的目標!

n  參賽學生心得

一、參與契機

剛接觸到綠色化學創意競賽時,我們(第三~五作者)都想不到原來這次的經驗遠比我們想像的還要寶貴。與老師討論研究題目時,還不是很熟悉電解的我們,對於許多概念和想法通常是一知半解,不過我們非常感謝指導老師的耐心引導,帶領我們慢慢步入正軌,開啟這段研究之路,並且讓我們解開許多未知的謎題。

二、瓶頸難題

從一開始進入實驗步驟時,對於實驗室和器材使用上都還不是很熟悉,連基本的設計實驗都是老師按部就班的教導,才讓我們有所進步,過程中花費了許多的時間留校做實驗、經歷了無數次的失敗,我們才漸入佳境;慢慢的我們對這些實驗也有所想法,自己用心投入,設計實驗、操作實驗器材和藥品、完成實驗,並試著對實驗結果和數據提出說明解釋。

三、成功喜悅

在實驗室裡實行了數十次的實驗,第一次成功的時候,那種成就感是無法形容的,一瞬間感覺所有的辛苦和努力都有了回報,不過好結果總是匆匆消逝,接下來的實驗並沒有想像中的順遂,那次的成功如夢一般,與往後數次的實驗呈現強烈的對比,實驗結果都沒達到預期的好,進度變得很慢;但我們嘗試找出問題所在,然後進行改良之後,抓出一套成果最好的比例,將製成果凍的方法訂定一套標準作業程序(standard operation procedure,常縮寫並簡稱為SOP),才使我們的實驗有了大幅度的前進。

至實驗尾聲,我們如所願的達成了我們訂定的目標,而在過程中我們也意外的獲得其他的實驗結果。我們能從一個看似簡單的實驗,延伸出許多料想不到的成果,那是當初我們無法預料到的,也可能是另一個科學研究的新主題,我們也很樂見這樣的小插曲,這是完全不一樣的學習經驗。

四、競賽報告

在聽到競賽初審通過後,我們和老師都是極其興奮,但我們的憂慮也悄悄在心中上升,尤其對於上台簡報都會心生畏懼,經過好幾次的演練、計時,矯正許多咬字和說法,還有老師們給予我們的提點與指導,感覺自己的狀態越來越好,才漸漸放下心中的那顆大石頭,對上台簡報也越來越有信心,等到決賽那天,我們也能勇敢的打開了背後坐滿評審教授的那扇門。

五、得獎心情

銅牌!這是偌大的喜悅啊!感覺之前所做的努力都苦盡甘來,這是我們和老師一起贏得的榮耀,在領到獎狀和獎牌的那一刻更是令人富滿成就感,不禁感謝這些研究歷程中幫助過我們的人,還有學校的支持;也就是因為有老師和同學們的共同努力,才讓我們嚐到這顆勝利的果實。

n  結語

本實驗設計的電解水實驗,的確可以觀察電解水時離子移動情形的實驗方法!而且本實驗所使用的藥品與器材都是很安全且試藥用量甚少,並符合綠色化學原則,能達到教學目的,進而往綠色化學邁進!落實永續教育的目標!

n  參考資料

1.        蔬果變色-天然酸鹼指示劑,http://www.shs.edu.tw/works/essay/2012/02/2012022314332957.pdf

2.        以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗之研究,http://www.shs.edu.tw/works/essay/2009/04/2009040223250241.pdf

3.        硝酸鉀,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/硝酸鉀

4.        電解,維基百科,http://zh.wikipedia.org/wiki/硝酸鉀

5.        下世代能源材料石墨烯,物理雙月刊,332卷,20114月,頁178

6.        石墨烯於超級電容之應用研究,新新季刊,第42卷第1期,業3521

 

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