臺灣化學教育

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
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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, 3^rd ed., New York: M. H. Freeman and Company, 1991.

2.        林洪志，分析化學，三民書局，1996。