動手動腦學化學:猜猜我是誰—溶液篇 / 施建輝

星期日 , 30, 八月 2015 Leave a comment

動手動腦學化學:猜猜我是誰溶液篇

施建輝

國立新竹科學園區實驗高級中學
教育部高中化學學科中心
schemistry0120@gmail.com

n  以學生為中心的教學活動設計

臺灣的學校教育長久以來是以教師講授、學生聽課為主要的教學方式,隨著時代的變遷,個人獨立思考、分析與解決問題等能力的培養,為諸多專家學者一再強調並呼籲教學現場改變教材教法。預定於107學年度實施的新課綱也訂定減少必修課增加選修課的方向,所有於一線教書的老師們都要有應變的心理準備。

本人於新竹科學園區實驗高級中學任教多年,於校內開設一門頗受學生歡迎的選修課:「化學入門」。近年來,本人另開發一套「動手動腦學化學」的教材,目標是期望老師們能以學生為學習中心,教師則扮演適時引導的角色,讓學生能從「動手」實作進行觀察與學習,進而「動腦」面對挑戰,培養解決問題的能力,最後在有趣、刺激的過程中「學化學」並培養對化學這個學科的喜好。本文要介紹的是「動手動腦學化學」的教材內容之一:「猜猜我是誰溶液篇」,這是一門以學生為學習中心的教學內容,在實際進行教學時,學生的反應都相當熱烈,於教學上得到非常好的成果。本人於教育部的「518研習計畫」擔任「差異化教學」與「有效教學」的講師時,都以「猜猜我是誰」與研習老師們分享,也得到老師們正面的肯定。這次將藉著臺灣化學教育的專欄,詳細介紹這個教案的實施方式供老師們參考。當然,各位老師可根據服務學校的學生基礎更改課程內容或實施方式,「運用之妙,存乎一心」,更期望能有更多老師們提出個人開發的教學方式,供大家做為改變教學方式的參考。若有意願分享教學活動設計的老師,請將稿件寄至本人信箱。

n  猜猜我是誰溶液篇

一、建立基本資料表

學生對各種類型的化學反應並不熟悉,必須先幫助他們建立「溶解度規則」的基本資料表。本文以陰離子與陽離子的反應為例,此基本資料表的實驗結果對學生學習幫「溶解度規則」有甚大的助益,建立此資料表也要求學生寫出化學反應式,藉此增進學生正確寫出化學式和化學反應式的能力。

在實驗進行時,混合溶液的反應所使用的簡易器材如下:

1.        將黑色圖畫紙裁切成適當大小,裝入平口袋中,即可取代玻璃片進行反應,如圖1(左)所示。若生成的沉澱為黑色或深色,則可在一半的黑色與白色的圖畫紙或全部黑紙上進行實驗,如圖1(右)所示。

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1:黑色圖畫紙與平口袋(左),一半黑紙和白紙以及全部黑紙(右)

2.        平口袋是聚丙烯(PP)製成,具疏水性,故溶液在其上呈球狀而不會散開,實驗結果如圖2所示,使用效果比玻璃片更佳。

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2:平口袋上的溶液混合實驗

(一)     碳酸根與陽離子的反應

1.        製作碳酸根與陽離子的反應的表格,如表1所示:

1:碳酸根與陽離子的反應

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2.        實驗結果與討論

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3碳酸根與陽離子的反應結果(左)和碳酸銀沈澱呈淺棕色(

(1)     實驗結果見圖3,教師引導學生如何記錄實驗結果,例如生成氣體者,記錄為「」,生成沉澱者記錄為「」,若前者記錄為「CO2」、後者記錄為「」,則更佳。

(2)     碳酸根與酸的反應會生成CO2,可要求各組學生討論並寫出其化學反應式,加深學生的印象,同時學習如何寫化學反應式,此化學反應如式[1]所示:

CO32(aq) + 2H+(aq) → CO2(g) + H2O(l)    [1]

(3)     碳酸根與其他陽離子(Sr2+Ba2+Pb2+Ag+)反應會生成白色沉澱,同樣地可要求各組學生討論並寫出其化學反應式。以Ag+為例,其化學反應如式[2]所示:

CO32(aq) + 2Ag+(aq) → Ag2CO3(s)    [2]

(4)     CO32Ag+反應時,有時會看到淺棕色的沉澱生成,如圖3(右)所示,此時教師應該告訴學生Ag2CO3是白色沉澱,並請學生討論看到的淺棕色沉澱是何種物質。教師帶領學生討論後,對淺棕色沉澱生成的原因總結如下:

(a)      碳酸根在水中進行水解反應,生成氫氧根使溶液呈鹼性,其化學反應如式[3]所示:

CO32(aq) + H2O(l) → HCO3(aq) + OH(aq)    [3]

(b)     滴入的Ag+有部分會與氫氧根結合,生成白色的氫氧化銀,其化學反應如式[4]所示:

Ag+(aq) + OH(aq) → AgOH(s,白色)    [4]

(c)      氫氧化銀會立即脫水,生成棕色的氧化銀,其化學反應如式[5]所示:

2AgOH(s) → Ag2O(s,棕色) + H2O(l)    [5]

(d)     因為Ag2O的沈澱量極少,所以在白色的碳酸銀沈澱中出現淺棕色。

(二)     碳酸根與陽離子的反應

1.        製作硫酸根與陽離子反應的表格,如表2所示:

2:硫酸根與陽離子的反應

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2.        實驗結果與討論

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4硫酸根與陽離子反應的結果

實驗結果見圖4,硫酸根與陽離子(Sr2+Ba2+Pb2+)反應會生成白色沉澱,其化學反應如式[6]~[8]所示:

SO42(aq) + Sr2+(aq) → SrSO4(s)    [6]

SO42(aq) + Ba2+(aq) → BaSO4(s)    [7]

SO42(aq) + Pb2+(aq) → PbSO4(s)    [8]

(三)     氫氧根與陽離子的反應

1.        製作氫氧根與陽離子反應的表格,如表3所示:

3:氫氧根與陽離子的反應

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2.        實驗結果與討論

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5:氫氧根實驗結果

(1)     實驗結果見圖5,氫氧根與Sr2+Ba2+陽離子混合後,會有些許白色混濁的現象,見圖5左方兩液滴,表示生成極微量的Sr(OH)2Ba(OH)2沈澱,其化學反應如式[9]~[10]所示:

2OH(aq) + Sr2+(aq) → Sr(OH)2(s)    [9]

2OH(aq) + Ba2+(aq) → Ba(OH)2(s)    [10]

(2)     氫氧根與Pb2+陽離子混合後,呈現明顯的白色混濁,表示生成Pb(OH)2沈澱,其化學反應如式[11]所示:

2OH(aq) + Pb2+(aq) → Pb(OH)2(s)    [11]

(3)     氫氧根與Ag+混合後,呈現明顯的棕色混濁,表示生成Ag2O沈澱,其化學反應如式[4][5]

(四)     氯離子與陽離子的反應

1.        製作氯離子與陽離子反應的表格,如表4所示:

4:氯離子與陽離子反應

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2.        實驗結果與討論

這個實驗結果出現意料之外的結果,其結果如圖6所示。

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6:氯離子的實驗結果(左)、左圖左方液滴放大圖(中)及一段時間後生成針狀晶體(右)

(1)     當氯離子(Cl)與鉛離子(Pb2+)混合時,原本預期生成白色沈澱,但是在實作時,將鉛離子(Pb2+)滴到氯離子(Cl)的液滴上方,並未看到生成白色沈澱,如圖6(左)所示,頗令人驚訝。重複實驗數次,結果皆同,不知為何如此。後來,在進行後續實驗時,赫然發現剛剛沒有如預期生成白色沈澱的液滴,竟然生出白色針狀的晶體!如圖6(右)所示。

對於這個實驗現象,本人甚覺有趣,體會到自己也是人云亦云,認為氯離子(Cl)與鉛離子(Pb2+)混合當然是會生成白色的氯化鉛(PbCl2)沈澱,但實際實驗結果卻令自己要重新思考這個現象的原因。我思考之後的解讀如下:氯化鉛的溶度積常數(Ksp)原本就較大(註:氯化鉛(PbCl2)的Ksp = 1.7 × 105 (25)),需要較高濃度的鉛離子(Pb2+)與氯離子(Cl)才會生成沈澱,所以剛混合時沒有生成沈澱,等液滴的水蒸發,離子濃度逐漸提昇後,才生成氯化鉛,又因是緩慢生成,竟然無意間得到「難溶性鹽類」的結晶。此化學反應如式[12]所示:

2Cl(aq) + Pb2+(aq) → PbCl2(s)    [12]

(2)     氯離子(Cl)與銀離子(Ag+)混合時,如預期生成AgCl白色沈澱。其化學反應式如下:

Cl(aq) + Ag+(aq) → AgCl(s)    [13]

(五)     碘離子與陽離子的反應

1.        製作碘離子與陽離子反應的表格,如表5所示:

5:碘離子與陽離子反應

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2.        實驗結果與討論

這個實驗結果也出現令人困惑的結果,其結果如圖6所示。

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7:碘離子的實驗結果(左)左圖右方液滴放大圖()及沈澱凝聚(右)

(1)     碘離子(I)與鉛離子(Pb2+)混合時,如預期的生成鮮黃色沈澱,如圖7(左)之左方液滴,此化學反應如式[14]所示:

2I(aq) + Pb2+(aq) → PbI2(s)   [14]

(2)     碘離子(I)與銀離子(Ag+)混合時,預期會生成AgI淡黃色沈澱,此化學反應如式[15]所示:

I(aq) + Ag+(aq) → AgI(s)    [15]

(3)     在觀察碘離子(I)與銀離子(Ag+)混合時生成沈澱的顏色時,常會看到液滴中的混濁物質呈現綠色或藍色而非黃色,如圖12(中)所示,應該是此液滴為膠態溶液,讓入射光發生色散現象,若以玻璃棒攪拌液滴,則見沈澱凝聚並呈現預期的黃色沈澱,如圖7(右)所示。

二、示範實驗

現在各組學生手邊已經有一份基本資料表,他們要利用這份資料接受挑戰,找出各種外觀透明無色的未知溶液。在開始讓學生挑戰之前,教師應該先進行一次示範實驗,告訴學生分析的要領。以下即為「猜猜我是誰:溶液篇」的示範實驗,由於是示範實驗,因此將未知溶液的編號從0開始,分別是A0B0C0

1.        挑戰內容:三種無色溶液A0B0C0,從外觀上無法區別它們,只知它們屬於以下三種溶液:碳酸鈉(Na2CO30.1 M)、鹽酸(HCl0.1 M)、氯化鋇(BaCl20.1 M),根據已建立之基本資料表,判斷溶液A0B0C0分別是何種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄,如表6所示:

6:三種無色溶液(A0B0C0)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)

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3.        實驗結果分析

(1)     A0C0)生成白色沉澱,其化學反應如式[16]所示:

CO32(aq) + Ba2+(aq) → BaCO3(s)    [16]

根據已建立之基本資料表,可知(A0C0)為(Na2CO3BaCl2)兩者之其中一種溶液,

(2)     B0C0)生成氣體,其化學反應同式[1]所示:

CO32(aq) + 2H+(aq) → CO2(g) + H2O(l)    [1]

根據已建立之基本資料,可知(B0C0)為(Na2CO3HCl)兩者之其中一種溶液。

(3)     (1)(2)的交叉分析,發現重複出現的編號為C0,而重複出現的溶液為Na2CO3,可見C0必為Na2CO3,當然A0必為BaCl2B0必為HCl

4.        答案:A0B0C0分別為BaCl2HClNa2CO3

n  挑戰—未知溶液

一、  猜猜我是誰:挑戰三種未知溶液

1.        三種無色溶液A1B1C1,從外觀上無法區別它們,只知它們屬於以下三種溶液:氫氧化鈉(OH0.1 M)、硝酸鉛(Pb2+0.1 M)、碘化鉀(I0.1 M

根據已建立之基本資料表,判斷溶液A1B1C1分別是何種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄,如表7所示:

7:三種無色溶液(A1B1C1)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)

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3.        實驗結果分析

(1)     A1B1)生成白色沉澱,其化學反應式同[11]所示:

Pb2+(aq) + 2OH(aq) → Pb(OH)2(s)    [11]

根據已建立之基本資料,可知(A1B1)為(Pb2+OH)其中一種溶液。

(2)     A1C1)生成黃色沉澱,其化學反應式同[14]所示:

Pb2+(aq) + 2I(aq) → PbI2(s)    [14]

根據已建立之基本資料,可知(A1C1)為(Pb2+I)其中一種溶液。

(3)     (1)(2)的分析,發現重複出現的編號為A1,而重複出現的溶液為Pb2+,可見A1必為Pb2+,當然B1必為OHC1必為I

4.        答案:A1B1C1分別為Pb2+OHI

二、  猜猜我是誰:挑戰五種未知溶液

1.        五種無色溶液A2B2C2D2E2,從外觀上無法區別它們,只知它們屬於以下五種溶液:氫氧化鈉、硝酸鉛、碘化鉀、硝酸、碳酸鈉,根據已建立之基本資料,判斷溶液A2B2C2D2E2分別是何種溶液。註:新增硝酸和碳酸鈉兩種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄,如表8所示:

8:五種無色溶液(A2~E2)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)

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3.        實驗結果分析

(1)     A2C2)生成氣泡,從五種溶液判斷,一定是硝酸或碳酸鈉。

(2)     B2C2D2E2皆生成沉澱,從建立之基本資料表,可判斷出其必為硝酸鉛。

(3)     C2為(硝酸、碳酸鈉)其中之一,又與B2生成白色沉澱,從建立之基本資料表,可判斷出其必為碳酸鈉。因此,A2必為硝酸。

(4)     D2B2生成黃色沉澱,從建立之基本資表料,可判斷出其必為碘化鉀。

(5)     剩下E2,比對剩餘溶液可知其必為氫氧化鈉,也可從E2B2生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。

4.        答案:A2B2C2D2E2分別為硝酸、硝酸鉛、碳酸鈉、碘化鉀、氫氧化鈉。

三、  猜猜我是誰:挑戰七種未知溶液

1.        七種無色溶液A3B3C3D3E3F3G3,從外觀上無法區別它們,只知它們屬於以下七種溶液(濃度皆為0.1 M):氫氧化鈉、硝酸鉛、碘化鉀、硝酸、碳酸鈉、硫酸、硝酸鋇,根據已建立之基本資料,判斷溶液A3B3C3D3E3F3G3分別是何種溶液。註:新增硫酸、硝酸鋇兩種溶液。

2.        實驗步驟與實驗記錄,如表9所示:

9:七種無色溶液(A3~G3)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)

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3.        實驗結果分析

(1)     B3F3)、(B3G3)生成氣泡,從七種溶液判斷,B3一定是碳酸鈉,F3G3則為硝酸或硫酸。

(2)     B3A3E3皆生成沉澱,可知A3E3為硝酸鉛或硝酸鋇,其中E3又與D3生成黃色沈澱,可判斷出E3必為硝酸鉛,故A3必為硝酸鋇。當然,D3必為碘化鉀。

(3)     既已確認A3為硝酸鋇,F3A3生成白色沉澱,可判斷出F3必為硫酸。因此(a)中的G3必為硝酸。

(4)     剩下C2,比對剩餘溶液可知其必為氫氧化鈉,也可從C3E3生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。

4.        答案:A3B3C3D3E3F3G3分別為硝酸鋇、碳酸鈉、氫氧化鈉、碘化鉀、硝酸鉛、硫酸、硝酸。

n  結語

此教學活動是循序漸進的設計,學生先會分析三種未知溶液,再進而分析五種、七種未知溶液,教師應依學生程度,設計不同的進度。此活動可與基礎化學(二)之「常見的化學反應」結合,讓學生實際觀察到多種陰陽離子混合時的反應。活動完成後,再回頭學習課本的「溶解度規則表」,教學效果會更好。本人撰寫此文的用意為拋磚引玉,期望能有更多的實作教材能開發出來,讓學生能從「做中學」,進行有趣、有效的教學。

n  參考資料

1.        Daniel C. Harris, Quantitative Chemical Analysis, 3rd ed., New York: M. H. Freeman and Company, 1991.

2.        林洪志,分析化學,三民書局,1996

 

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