綠色化學創意競賽:臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗 / 廖靜宜、王威傑、周秉滽

星期六 , 11, 七月 2015 Leave a comment

綠色化學創意競賽:
臺灣師大附中學生設計微量的沉澱實驗

廖靜宜*、王威傑、周秉滽

國立臺灣師範大學附屬高級中學
*home114113@yahoo.com.tw

n  參加活動緣起

我(通訊作者)從事教職滿20年,希望學生將化學學習當作是一件有趣的事,而化學實驗的進行就是最能夠引起學生興趣的方法之一。尤其是擔任學校數理資優班的化學老師及專題研究老師,除了化學知識的加深加廣,訓練基本的實驗操作和積極安排各項實驗,都是兩年的專研課程中很重要的一環。不管是課本內的實驗,或者是從期刊和網路上所搜尋到的有趣實驗,都是每周四下午在化學實驗室中例行事務,這是學生和我自己最期待的課程。而課程中所學習到的內容,漸漸累積以後,就開始積極參加一連串的科學競賽、科學展覽……。學生參與科學競賽過程之中,必須了解實驗原理並設計實驗,再針對實驗過程所遇見的各樣問題找出解決之道,這樣的訓練,除了培養分工合作的團隊精神,並且能夠影響學生未來的重要能力,絕非紙筆測驗所能達成!

去年參加了北一女中所舉辦的綠色化學研習會,會中介紹了幾個關於綠色化學的重要概念,以及對於高中化學實驗減毒、減量的改良,化學和環保結合的概念感到相當有趣,在主辦單位大力宣導第一屆「綠色化學創意競賽」活動開跑下,於是找了幾位高一數理資優班剛剛分組,選擇了化學專研的學生,開始做這樣的活動。

n  從實驗手冊讀起到喜獲支援

學生一方面從高中的實驗手冊開始讀起,一方面尋找網路上可參考資料,經過討論,組成了五個小組接受了這樣的挑戰。這五個題目居然很幸運地有三件通過了初審,到國立臺灣師範大學化學系進行複審報告,算是在數資班化學專研的第一場正式校外競賽。

最後獲得銀牌獎的這一組學生,其實最要感謝的是臺灣大學化學系,在訓練數理資優班的課程上,我參考了台大的普化課程,並且請益臺灣大學化學系的佘瑞琳老師,佘老師的願意傾囊相授實驗技巧,還願意借用藥品給我們,獲得相當多的支援。學生靈活巧妙地在這個實驗上展現出綠色化學的重要意義,最後還能在頒獎的會場上有條理地介紹這次的作品設計跟大家,讓我真正覺得我是以學生為榮,看到學生能在科學領域上的成長並受到肯定,對我來說是最大的喜悅!

n  設計理念與改良

一、  得獎作品

l   作品名稱:溶解度法則實驗之減量。

l   參賽學生:王威傑、周秉滽;指導教師:廖靜宜

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

在高中的化學實驗課程中,學生需要熟記沉澱表才能夠在「化學尋寶」這類實驗題材解題,這個實驗涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析,有助於刺激學生活用既有的化學知識,並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中,也常將「化學尋寶」和離子鑑定分析列為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的應修內容,103學年度以前,編於《基礎化學(一)》,屬於學科能力測驗自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起,因應課綱微調,編於《基礎化學(二)》,屬於學科能力測驗自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題,「離子沉澱反應」出現的頻率相當高,單題或題組型式都有,測驗的內容不限於基礎知識,透過命題者的巧思,不僅測驗考生基本的科學知識和概念,進而測驗考生分析、應用與推理的能力。

每次上課講到沉澱表,總是希望學生能夠先將它背熟,但學生覺得背這樣的表是一件非常痛苦的事,有些老師會利用口訣來幫助學生記憶,但是還是很容易忘記,不如利用實驗讓學生們能夠眼見為憑,增加印象讓沉澱表更加容易記憶。不過此實驗不僅要耗費大量的藥品,實驗後還需要清洗大量的試管(見圖一),所以我們希望設計微量卻又可以清楚觀察離子沉澱的實驗!

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圖一:常見的沉澱物(取自照片)

(圖片來源:翰林版基礎化學()課本第一章p. 14

三、  設計的目的和過程

(一)設計目的

本實驗的設計目的:(1)減少實驗產生廢液,(2)減少需要清洗容器之數量,(3)減少實驗所需空間。

(二)研究方法(見圖二)

(1) 配製各類的金屬陽離子硝酸鹽溶液(例如硝酸鉀、硝酸銀等)

(2) 配製各類的陰離子鈉鹽溶液(例如氯化鈉、硫酸鈉等)

(3) 舊方法與新方法的觀察與比較。

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圖二:研究方法概念圖

(三)研究過程

A.        原課本實驗步驟

1.        配製各種陰陽離子的溶液,濃度皆為1 M,分別如圖三和圖四所示。

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圖三:陰離子溶液

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圖四:陽離子溶液

2.        在試管內,混合各類的陰離子溶液與陽離子溶液,觀察沉澱並記錄,如圖五和圖六所示。

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圖五:先使用原方法並測定廢液的產生量。

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圖六:觀察並記錄產生沉澱的結果

3.        實驗完成後整理、清洗器材。

B.         新設計實驗步驟

1.        事前繪製備表格沈澱表格並影印,放在透明投影片上。

2.        配製各種陰離子和陽離子的溶液,濃度皆為1 M

3.        以滴管吸取各種陰離子和陽離子溶液。

4.        按順序,每空格分別滴加一滴的陰離子和陽離子溶液在透明投影片上,如圖七所示。

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圖七:以滴管吸取溶液滴於繪有表格的投影片上

5.        觀察沉澱反應的情形,並記錄,如圖八所示。

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圖八:沉澱反應的情形(左圖用白底,右圖用黑底)

6.        實驗完成後整理、清洗器材。

(四)研究結果

沈澱法則實驗採用傳統方式以試管作為反應容器,其總廢液量為357.0 mL。採用創新的方法以投影片作為反應場所,總廢液量僅為3.0 mL。綜合以上,廢液量減少99%,如圖九所示。

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圖九:傳統方式的廢液量(357.0 mL,圖左四量筒);創新方法的廢液(3.0 mL,圖右的量筒)

n  參賽學生心得

我是溶解度法則改良實驗的作者之一,周秉滽。一開始,我們(第二和三作者)做這個實驗只是因為段考的範圍就是溶解度法則固體物質置入水中,有些會溶解,有一些則會沉澱,而溶解與沉澱並沒有像週期表一樣那麼有規則性,對初學者的我們而言,要把沉澱表規則背熟,真的是非常困難。為了幫助記憶,老師會有一些有趣的口訣,我們學校自然科老師團隊也開發並完成手機App、電腦遊戲、音樂MV,然而就算我們知道這些東西會沉澱,而且知道是什麼顏色的,在記憶時仍然會混淆。所以化學老師決定要把學生帶進實驗室讓他們親眼觀察,他們認真的做出紀錄實驗的表格,讓學生理解整個實驗。可是進到實驗室前的大量不同種類的陰陽離子藥品的配製,還有實驗結束後更嚴重的問題,就是廢棄藥品的處理,這些困難點都是讓學校老師不想進行這個實驗的考慮因素。

我們做了實驗後,清洗實驗時使用的大量試管以及處理實驗後產生的大量廢液,才讓我們真正體會到為何這個實驗化學老師通常不會帶學生到實驗室親自體會。以我們從實驗室找到的藥品來說,九種陽離子、七種陰離子組合的結果總共有63種,另外還需要加上陽離子以及陰離子的對照組,因此所使用的試管總數為63 + 9 + 7= 79支,以一支滴管大約可吸取3 mL液體來計算,產生的廢液大約是[63 × (3 + 3)] mL + [9 × 3] mL + [7 × 3] mL = 426 mL,一個高中的化學實驗室,一桌可坐4人,每桌一組實驗器材,一個班大約40人,所以這樣產生的廢液量大約4260 mL,已經超越4公升。

既然問題的根源來自於這大量的廢液,那就從廢液減少做起。想起高一時的專題研究課程中,化學老師曾經參考台大化學系普通化學實驗中的一個簡易實驗(詳見台大普通化學實驗課本沉澱規則及酸鹼指示劑),用滴管吸取過量的溶液會造成大量的廢液,如果沉澱反應明顯的就算只有一滴也能清楚觀測,那就只用一滴就好,所以我們特製以有實驗表格的透明片作為反應場所,只要A4大小的一片就能夠取代大約80支試管的功能,而且清洗也相對簡單許多。

以上就是我們作品的完整理念,很慶幸能夠以這樣的改良實驗得到銀牌獎的殊榮,我想從這個實驗我們可以得到一個重的啟示,就是其實綠色化學的願景並沒有想像中的困難,只要多花一點腦筋,就可以把原本製造的大量廢液壓縮到只剩下1/119,期待未來可以利用這類的實驗低成本的微量實驗讓學生融會貫通課綱所要表達的觀念。

n  結語

綠色化學競賽能夠給學生一個發揮創意以及學習團隊合作的機會,對指導老師而言,則多了一次學習以及觀摩的機會,看到其他得獎隊伍的發表,能夠激勵自己更加努力去尋找實驗的創新與改良,在比賽之前的綠色化學研習會,更是提供了許多老師集體努力研發的成果,這些都是讓我在化學領域上不斷成長的機會。

 

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