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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
[email protected]
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。
圖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。
圖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:
表1:碳酸根與陽離子的反應
2. 實驗結果與討論
圖3:碳酸根與陽離子的反應結果(左)和碳酸銀沈澱呈淺棕色(右)
(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「⋯色↓」,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) CO32−與Ag+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:
表2:硫酸根與陽離子的反應
2. 實驗結果與討論
圖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:
表3:氫氧根與陽離子的反應
2. 實驗結果與討論
圖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)2與Ba(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]與[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:
表4:氯離子與陽離子反應
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。
圖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 × 10−5 (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:
表5:碘離子與陽離子反應
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。
圖7:碘離子的實驗結果(左)、左圖右方液滴放大圖(中)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A0、B0及C0。
1. 挑戰內容:三種無色溶液A0、B0、C0,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(Na2CO3,0.1 M)、鹽酸(HCl,0.1 M)、氯化鋇(BaCl2,0.1 M),根據已建立之基本資料表,判斷溶液A0、B0、C0分別是何種溶液。
2. 實驗步驟與實驗記錄,如表6所示:
表6:三種無色溶液(A0、B0、C0)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)
3. 實驗結果分析
(1) (A0,C0)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(A0,C0)為(Na2CO3,BaCl2)兩者之其中一種溶液,
(2) (B0,C0)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(B0,C0)為(Na2CO3,HCl)兩者之其中一種溶液。
(3) 由(1)與(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BaCl2,B0必為HCl。
4. 答案:A0、B0、C0分別為BaCl2、HCl、Na2CO3。
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A1、B1及C1,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(OH−,0.1 M)、硝酸鉛(Pb2+,0.1 M)、碘化鉀(I−,0.1 M)
根據已建立之基本資料表,判斷溶液A1、B1、C1分別是何種溶液。
2. 實驗步驟與實驗記錄,如表7所示:
表7:三種無色溶液(A1、B1、C1)的判斷,先製作表格(左)而後實驗記錄(右)
3. 實驗結果分析
(1) (A1,B1)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(A1,B1)為(Pb2+,OH−)其中一種溶液。
(2) (A1,C1)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(A1,C1)為(Pb2+,I−)其中一種溶液。
(3) 由(1)與(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OH−,C1必為I−。
4. 答案:A1、B1、C1分別為Pb2+、OH−、I−。
二、 猜猜我是誰:挑戰五種未知溶液
1. 五種無色溶液A2、B2、C2、D2、E2,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A2、B2、C2、D2、E2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:
表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)
3. 實驗結果分析
(1) (A2,C2)生成氣泡,從五種溶液判斷,一定是硝酸或碳酸鈉。
(2) B2與C2、D2、E2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) D2與B2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E2與B2生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。
4. 答案:A2、B2、C2、D2、E2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A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3,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A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3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:
表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)
3. 實驗結果分析
(1) (B3,F3)、(B3,G3)生成氣泡,從七種溶液判斷,B3一定是碳酸鈉,F3與G3則為硝酸或硫酸。
(2) B3與A3、E3皆生成沉澱,可知A3與E3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,F3與A3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C3與E3生成白色沉澱再度證實其為氫氧化鈉。
4. 答案:A3、B3、C3、D3、E3、F3、G3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。