臺灣化學教育

雙氧水製氧實驗中替換催化劑的評估

王進賢

國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班

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n   前言

    氧氣是地球上許許多多生物維持生命現象不可缺乏的物質，國民小學自然課在「空氣與燃燒」(翰林版5上自然與生活科技，2015)這類單元中，有詳細的介紹與實驗。在前階段「空氣對燃燒的影響」實驗中，學童已觀察到造成兩支蠟燭是否能繼續維持燃燒現象的原因(如圖1所示)，是由於空氣供給的量足不足夠。而在空氣的成分之中，除了已知的氮氣和二氧化碳不能幫助燃燒之外，到底哪一種物質是燃燒的關鍵因素呢?答案當然就是學生最熟悉的氣體―氧氣了!

    在國民小學階段的自然實驗課中，製造氧氣常用的方法是將雙氧水加入紅蘿蔔當作催化劑的方式(翰林版5上自然與生活科技，2015)，比起以二氧化錳來得安全、方便與生活化。但經過中小學科展的實驗證明，幾種常見蔬果在雙氧水製氧時當作催化劑的效果頗佳，有的甚至比紅蘿蔔好(王小芩、高睿辰、李品君、徐晢尹等，2014)，所以我們此次的實驗就增加一項，採用其中效果很好的金針菇來當催化劑。在此實驗中，並搭配與教科書稍微不一樣的燃燒實驗，看看效果如何?

圖1 蠟燭燃燒與空氣的關係

 

n  實驗器材和藥品

1. 紅蘿蔔 2. 金針菇 3. 雙氧水(市售消毒用約5%) 4. 廣口瓶  5. 線香  6. 捲紙條 (A4大小廢紙)       7.  50ml量筒

圖2實驗器材與藥品

 

n  實驗原理

1.      雙氧水製造氧氣的化學反應式 :  2 H₂O₂    2 H₂O + O₂

2.      此反應式中的催化劑在國民小學的實驗室常用二氧化錳或其他含有過氧化氫酶的植物(例如胡蘿蔔等)。

3.      燃燒實驗的反應式: C + O₂ à  CO₂

4.      線香(或捲紙條)點燃數秒後將火焰吹滅，由於此時殘餘溫度仍高，因為空氣中約僅含21%的氧氣，雖然沒有產生肉眼可觀察到的火焰，但當即刻插入廣口瓶中，遇到氧氣濃度很高助燃效果佳的情形下，火焰突然變得很大，就會產生類似俗稱「死灰復燃」的現象。

 

n   實驗目的

1.      透過化學觀點―氧氣的助燃性，來證明空氣中氧氣的存在。

2.      讓比較以紅蘿蔔與金針菇當催化劑，以雙氧水製氧時的效果之差異在本實驗中，嘗試以捲紙條取代線香驗證氧氣助燃性的可行性。

當學童已有燃燒時需要空氣與空氣中含有氣體的組成成分之概念後，此時引導學生製造與檢驗氧氣，讓學生了解實驗室中氧氣的製造方法與氧氣在物質燃燒時的助燃性質 

 

n  實驗步驟流程與結果

一、製造氧氣的實驗步驟:

(一)使用紅蘿蔔當催化劑製造氧氣: (翰林版5上自然與生活科技教科書，2015)

1.      量筒量取50ml的雙氧水(5%)，倒入廣口瓶中觀察有無氣泡與此時氣泡的大小，如圖3.1與圖3.2。

          

        圖3.1量取50ml雙氧水倒入廣口瓶中       圖3.2觀察瓶中雙氧水有無氣泡產生

2.      將切成小塊(小條)狀的紅蘿蔔倒入廣口瓶中，再使用玻璃片蓋住廣口瓶瓶口，如圖4.1 所示。

  圖4.1紅蘿蔔加入雙氧水中後起泡

3.      檢驗氧氣對燃燒的影響:取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的線香，將線香插進廣口瓶中，觀察線香插入前後線香的燃燒情形，如圖4.2所示。 

   圖4.2插入線香驗證氧氣的助燃性 

(二)使用金針菇當催化劑製造氧氣，以線香燃燒實驗，驗證氧氣的助燃性:

1.      將切成小段狀的金針菇倒入以裝有50ml雙氧水之廣口瓶中，並用玻璃片蓋住廣口瓶瓶口，如圖5.1和圖5.2所示。

圖5.1金針菇倒入廣口瓶中                 圖5.2雙氧水產生氧氣

2.      使用線香檢驗氧氣對燃燒的影響:

取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的線香，將線香插進廣口瓶中觀察線香插入前後線香的燃燒情形，如圖6.1和圖6.2示。

圖6.1 線香插入前                        圖6.2線香插入後驗證氧氣的助燃性

(三)使用金針菇當催化劑製造氧氣，以捲紙條燃燒實驗，驗證氧氣的助燃性:

1.      重複步驟(二)之1.

2.      使用捲紙條(A4廢紙一張)檢驗氧氣對燃燒的影響:

取一枝已將火焰吹滅但繼續焚燒的捲紙條，將捲紙條插入廣口瓶中，觀察捲紙條插入廣口瓶前後的燃燒情形，如圖7.1、圖7.2和圖7.3所示。

 

圖7.1點燃捲紙條                圖7.2將捲紙條的火焰吹滅

                    

圖7.3將捲紙條插入廣口瓶中的燃燒情形

 

 

n  實驗注意事項

1.  若身體部位直接碰到雙氧水，請學童就近以實驗室中乾淨的自來水沖洗，必要時就醫。

2.  線香和本實驗中使用紙條的長度要適當(因燃燒時火焰會瞬間變大)，燃燒的時間不宜過久(由於氧氣濃度很高)，以免燙傷。

3.  學童的臉部(最好配戴護目鏡)及其他身體部位不宜靠近火源或瓶口，以免發生危險。 

 

n  學生回饋與反應 (參與實驗與填寫學習單的人數:五年級三個班，共79人)

氧氣製造:分別以金針菇和紅蘿蔔當催化劑

一、覺得金針菇當催化劑比較有趣的學生有92.4% ，學生理由如下:1:產生的氣泡(氧氣)比較多，占44.3%、2:火燒得比較旺，占17.7%、3:金針菇的效果比較好，占12.7%、4:產生的氧氣(氣泡)比較快，12.7占%、5:其他(金針菇很可愛、清楚、復燃效果、使線香燒得比較好)占5% 。

二、覺得紅蘿蔔當催化劑比較有趣的學生(6.3%)，學生理由如下:1、因為燃燒的火焰較小或火很大不好玩(怕燙傷)，占2.5%、2:因為氣泡產生很多，占1.3%、3:因未讓火變大、很好看，占1.3 %”4:把線香放進去燒得更旺盛，占1.2%、5:未填寫(1.3%)。  

 

n  教學困境、學生學習與教學建議

1.  氮氣是無助燃性之氣體，在本實驗中學童沒有實驗體會(或教師示範實驗)，是因受限於國民小學的設備、經費在此次實驗中無法提供實驗。

2.  國小五年級學童並無原子或分子的課程(知識與概念)，更遑論化學式與化學反應了，所以在雙氧水加入催化劑後，對於如何產生氧氣的?由於觀念較為抽象，許多學童並不了解。

3.  幾乎所有的學生都觀察到，在雙氧水製氧的實驗中，金針菇當催化劑的效果比紅蘿蔔好很多。

在新北市某國小五年級79位學童的學習單中，在雙氧水製氧時，表達以金針菇當催化劑時比較有興趣的學童約占92.4%。而國內教科書版本南一、康軒、翰林，在104學年度以「雙氧水製氧實驗」的教科書中，都是使用胡蘿蔔當催化劑。但由於先前科展得獎作品「誰是製氧小高手?」(王小芩等人，2014)，再加上本實驗的評估，建議於雙氧水製氧實驗中，可以使用金針菇取代紅蘿蔔當催化劑(請注意！金針菇與雙氧水的量不要太多，以免液體衝出瓶中而發生危險)。

4.  以捲紙條代替線香的燃燒實驗，覺得使用捲紙條有趣的學童約占75.9%，相對於線香來說是比較有興趣的。但由於捲紙條燃燒迅速、火焰大，做實驗時，教師應全程注意或斟酌要不要使用。

 

n  致謝    

感謝國立臺北教育大學自然科學教育學系碩士在職專班一年級化學特論(一)全體同學協助訂正與周金城老師的指導。 

 

n  參考資料

1.      過氧化氫酶，維基百科，取自https://zh.wikipedia.org/zh-tw/過氧化氫酶 ， 105.01.10。

2.      王小芩、高睿辰、李品君、徐晢尹等(2014)，誰是製氧小高手? 取自http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/54/pdf/080211.pdf ， 105.01.10。

3.      陳秋民等(2015再版)，國小自然與生活科技，第5冊，翰林出版社。

4.      王美芬等(2015)，國小自然與生活科技，第5冊，康軒出版社。

5.      黃鴻博等(2015)，國小自然與生活科技，第5冊，南一出版社。

 

n   附件

附件一: 教學活動設計

教學活動名    稱	製造氧氣與氧氣的助燃性
教學年級	國小5年級	教學時間	兩節80分鐘
教學目標	1.認識國民小學自然實驗室中氧氣的製造方法。 2.了解空氣中氧氣的存在與氧氣的助燃性。 3.以雙氧水製氧，嘗試以金針菇取代紅蘿蔔當催化劑。 4.嘗試以捲紙條取代線香驗證氧氣助燃性的可行性。
教學活動		教學時間	教學資源	評量方式
一.準備活動: 由前一階段實驗了解「物質燃燒時需要空氣」，再配合介紹空氣的組成，了解空氣中氧氣對燃燒的影響，在本實驗製造氧氣並驗證氧氣的助燃效果。 二.實驗步驟: (一)講解氧氣的製造和驗證方法，並說明實驗     安全注意事項。 (二)氧氣的製造與驗證: 使用雙氧水製氧，以紅蘿蔔當催化劑，並以線香來驗證氧氣的存在與助燃性。 使用雙氧水製氧，以金針菇當催化劑，並以線香來驗證氧氣的存在與助燃性。 使用雙氧水製氧，以金針菇當催化劑，並以捲紙條來驗證氧氣的存在與助燃性。 一.  完成學習單與討論		5分鐘         10分鐘     25分鐘       15分鐘     25分鐘	1.教學ppt 2.如本實驗藥品及器材	1.實做評量 2.學習單評量

 

 

附件二: 學習單

學          習          單

製造氧氣與氧氣的助燃性

                    班級:               座號:         姓名:                  

1.  做完實驗後，請參考下列兩個圖形，你認為兩個廣口瓶中的雙氧水，分別加入金針菇和紅蘿蔔，產生的氣泡應該充滿著什麼氣體?

 

答:                   。

2.  紅蘿蔔或金針菇在這個實驗中的作用是當作催化劑，會使得產生氣體的速度變快或變慢?

答:                   。

3.  做完這次實驗後，依照這次實驗結果，由你來判斷下列的情況: 甲廣口瓶只裝有50ml的雙氧水﹔乙廣口瓶裝有50ml的雙氧水,並倒入紅蘿蔔丁﹔丙廣口瓶也裝有50ml的雙氧水,而且倒入切細的金針菇。請按照順序寫出實驗中三個廣口瓶產生氣泡的量與速度!

答:(    ) ＞ (     ) ＞ (      )

4.  實驗中分別使用紅蘿蔔和金針菇兩種催化劑，你認為使用哪一種催化劑比較有趣，為什麼?

答:                                   

                                      

                                     。

 

5.  在氧氣的製造實驗中，雙氧水中加入紅蘿蔔(或是金針菇)開始產生很多的氧氣，請問氧氣是從哪裡來的?為什麼?

A.金針菇  B.紅蘿蔔  C. 雙氧水 D. 金針菇或是紅蘿蔔吸收空氣中的氧氣。

答:(   )                                                                                                         。

6.  空氣的成分當中，氧氣約占21%，請問在加入雙氧水與金針菇的廣口瓶之中，當氣泡產生後，這個廣口瓶中氧氣所占的百分比應該比21%多?還是比21%少? 為什麼?

答:                                                                                                              。

 

 

7.  在這個實驗中，捲紙條(或線香)插入有雙氧水與金針菇的廣口瓶之中後，是完全熄滅或是燒得更旺呢?說一說為什麼會這樣?  答:                                                                                                              。

 

 

8.  實驗中以線香或是捲紙條來做燃燒實驗，你認為哪一個比較有趣?為什麼?

答:                                                                                                              。

 

 

9.  除了紅蘿蔔與金針菇可以加快雙氧水產生氧氣的速度之外，還有哪些蔬果或物質也可以產生相同的作用?(請寫出兩種)  答:                                                                                                              。