「大象牙膏」變成「碘沖天泡」

倪行健

臺中市立長億高級中學

nsc100100@gmail.com

n  前言

如果每一個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？

因此，我就將研習自化學學科中心假豐原高中所辦，施建輝老師主持，楊水平教授所演示的「阿拉丁神燈暨大象牙膏」，引進自己的實驗課程，讓各組學生自己自製設備，如圖1~3所示。透過控制變因實驗法，在不同的操縱變因下，進行「大象牙膏」實驗，並觀察、記錄其現象，最後還要討論其因果並發表分享。

  

圖1：學生自製「大象牙膏」裝置的零件

圖2：學生自製「大象牙膏」的裝置

後來，為了節省藥品的消耗，因而改良為「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的微型實驗，如圖2所示，這是一方面為環保，另一方面是碘化鉀（KI）並不便宜。但是，這就少了學生自製設備而且能夠大量噴發牙膏泡的驚艷樂趣，真是兩難呀！

圖3：「小象牙膏」（「碘沖天泡」）設備及其零件，(a)管子的長度不同（左）和(b)管子的長度不同（右）

n  設備與變因說明

「大象牙膏」（圖1）：操縱變因為管子的長度。控制變因為雙氧水濃度（倒入保特瓶）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側管錐形瓶）。

「小象牙膏」（「碘沖天泡」）（圖3）：(a)操縱變因為管徑的粗細。控制變因為管長、雙氧水濃度（吸入針筒並由試管的側支注入）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。(b)操縱變因為管子的長度。控制變因為管徑、雙氧水濃度（吸入針筒）、碘化鉀、碳酸鈉及沙拉脫的量（置入側支試管）。

n  藥品與用途說明

1.      雙氧水（hydrogen peroxide）：30%（本實驗的主角，其分解反應式：2H₂O₂ → 2H₂O + O₂）

2.      碘化鉀（potassium iodide）：白色粉末，當作催化劑（碘離子，I⁻才是本反應的真正催化劑）

3.      碳酸鈉（sodium carbonate）：白色粉末，強鹼物質（在強鹼的條件下，I⁻不會變成I₂，才能維持I⁻的催化反應，並且生成H₂O及O₂。在酸性下，I⁻則會變成I₂，無法生成O₂。），說明如下：

(1)   在酸中（過氧化氫溶液具弱酸性），碘離子被雙氧水氧化產生碘分子（難聞的且有黃色的I₂），不會產生氧氣，如反應式[1]所示。由於酸的量不多且酸的強度不高，本實驗僅產生少量的I_2。

H₂O₂(aq) + 2I^─(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [1]

(2)   為抑制碘分子的生成，本實驗加入強鹼的碳酸鈉。在強鹼中，過氧化氫才能維持I⁻的催化反應，相關反應如反應式[1]～[5]所示。其中反應式[2]中CO₃^2─(aq)來自Na₂CO₃(aq)，反應式[5]在I^─的催化下，生成水或水蒸汽和氧氣。

H₂O₂(aq) + 2I^─(aq) + 2H⁺(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [1]

CO₃^2─(aq) + H₂O → HCO₃^2─(aq) + OH^─(aq)    [2]

H₂O₂(aq) + I^─(aq) + 2H⁺(aq) + OH^─(aq) → I₂(aq) + 2H₂O(l)    [3]

3I₂(aq) + 6OH^─(aq) → 5I^─(aq) + IO₃^─(aq) + 3H₂O(l)    [4]

2H₂O₂(aq) → 2H₂O(l) + O₂(g)    [5]

4.      清潔劑：為了包覆反應所產生的O₂而形成泡泡。

5.      顏料：為了增加視覺效果而添加。

n  分組合作

本次實驗的教案，如附件一所示。

一、合作前期：熟悉控制變因實驗法，以及「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的實驗程序，如圖4所示。

  

1.變因討論（左）、2.添加藥品（中）、3.裝填雙氧水（右）

  

4.注入雙氧水形成小象牙膏（左）、5.測溫（中）、6.用餘燼的線香檢驗O₂的存在（右）

圖4：學生進行「小象牙膏」（「碘沖天泡」）的實驗程序

二、合作中期：(1).課後合作學習：下次上課前，各組討論出要比對的變因有那些？想要操作的項目有那些？並請預測其可能的結果為何？(2).進行實驗：於下次上課時付諸實驗執行，並且紀錄於另一份學習單中，如附件二所示。

三、合作末期：各組將實驗結果呈現、分享與討論，並將資料統整後繳交。

n  結緣

因為有認真研習，所以能與楊水平教授的「大象牙膏」示範實驗結緣。因為有把一項項研習來的內容，落實在學生的操作中，並且允許他們將所操作的過程與結果拍攝、紀錄下來，所以才有學生將其所錄後製，並將其上傳至youtube。因為點閱率高，所以被公視流言追追追製作小組找上，合作了一集—「大象牙膏」。可見任何事情的形成與完成，處處都需要貴人、推手的成全。

感謝楊水平教授、化學學科中心、施建輝老師以及過程中的學生們、公視流言追追追的製作群與主持人…你們都是促成此事，我的貴人，讓我在這一連串的蝴蝶效應下，學習成長，有機會體會螢光幕後，辛苦的準備與拍攝過程。

n  拍攝簡述

詳細內容可參考公視流言追追追第五輯DVD中的「大象牙膏」完整版，影片一是流言追追追61集–放屁蟲與大象牙膏。

影片一：https://www.youtube.com/watch?v=Hf_5LDY9dcE。

一、動機：來自大自然界的放屁甲蟲（昆蟲的一種，台灣的野外也找得到），體內也有雙氧水的噴發高熱機制，如圖5所示。

  

圖5：放屁甲蟲標本（筆者自拍，左）、操縱放屁甲蟲（中）以及操縱放屁甲蟲噴發原理（右）

（資料來源：http://www.apologeticspress.org/apcontent.aspx?category=9&article=1113）

二、演示：雙氧水的噴發並測量其溫度，檢驗O₂的存在，以及製作「大象牙膏」。

1.          雙氧水的噴發並測其溫度

影片二：https://www.youtube.com/watch?v=rlt2jgFoWNM。

2.          大象牙膏的製作

影片三：https://www.youtube.com/watch?v=W-BhW3XzIpU。

三、控制變因實驗法：比對各項變因的改變對實驗結果的影響，及其原因的說明。

1.          比較長短管的噴發

影片四：https://www.youtube.com/watch?v=Bpua9-qx34U。

2.          比較粗細管的噴發

影片五：https://www.youtube.com/watch?v=3WvZAxaxfmA。

3.          比較碳酸鈉的不同使用量

影片六：https://www.youtube.com/watch?v=_5R_fje5ukw。

4.          碘化鉀的不同使用量

影片七：https://www.youtube.com/watch?v=qTeiKJq9ub0。

n  結語

本文「碘沖天泡」的標題取材自我的學生，現在是新北市新埔國中的理化老師陳瑩芳的點子和創意。「碘沖天泡」表達出所用的催化劑，反應出沖出泡泡的效果，但不及「大象牙膏」的顯現，也不如「阿拉丁神燈」的神秘。「小象牙膏」則完全因於縮小版、環保的「大象牙膏」而起名。然而，不論名稱為何，吸引人的標題後面，更重要的則是從實驗中啟發了什麼？

戲法人人會變，各有巧妙不同，有的實驗重在知識本身的獲得或建立，有的則在實驗方法的熟練，有的則是實驗設計的巧思與運用，有的實驗是為了證明自己的想法或理論是否正確，…其目地不盡相同。「碘沖天泡」本身的知識性並不深不難，但在有趣的過程中，可以讓學生學到很廣的科學內容，例如：

1.      原來雙氧水的催化劑可以不必是二氧化錳，也可以是碘離子，或其它的物質。

2.      如何證明反應後氧氣的存在？

3.      此種反應是放熱反應，並且測測看其溫度是多少？

4.      為什麼要加碳酸鈉？

5.      為什麼要加清潔劑？

6.      加顏料的目地為何？

7.      如何用控制變因實驗法進行此實驗？

8.      管子的長短、粗細不同，對泡泡噴發的高矮，有何不同，為什麼？（這是物理問題）

回到本文「前言」的第一段，亦可作為本文的結語：如果每個實驗都發展成為一個小型的科展，會不會更有趣？每位學生都像是一位小科學家，他們會不會更有成就感？。是不是呢？與大家分享此想法。

 

n  附錄

附錄一：教學教案

3-4化學反應的熱量變化單元教學教案設計(適用於99課綱)

附錄二：學生學習單

小象牙膏學習單  班級：     日期：¡月¡日~ ¡月¡日

說明

1.        ¡¡版教材：高一基礎化學（一） 第三章第四節 3-4化學反應的熱量變化

2.        學生先備知識：國中對雙氧水（H₂O₂(aq)）的認識

(1) 製氧氣，以排水集氣法收集

(2) 加熱可加速

(3) 催化劑為黑色的二氧化錳（MnO₂(s)）

3.        以雙氧水為實例，探討放熱反應及其現象的實驗設計，教學策略如下：

(1) 小組合作學習

(2) 重視思考及預測

(3) 配合問、思、答、辨、辯 的方法

4.        教與學歷程：（地點：專科大樓4F理化三實驗室）

(1) ¡月¡日：介紹實驗方法，小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(2) ¡月¡日：以雙氧水為實例，探討放熱反應及其現象，小組合作學習配合問、思、答、辨、辯

(3) ¡月¡日：課後學習—小組合作學習

(4) ¡月¡日：將課後學習、預測及其設計驗證於實驗中

一.     組員名字及座號：                                                   

二.     填寫所需器材及藥品：                                               

三.     組員事前分工表：（例如：記錄、報告、美編、攝影、後製、keyin……）

負責同學	內  容	注意事項

四.     實驗方法：控制變因實驗法

觀察 + 思考 + 預測 + 實驗 + 收集資料 + 分析 + 統整：小組合作學習

〔老師問1〕

例如：(1)高一各班派2位男同學參加100公尺賽跑。

例如：(2)加入顆粒大小不同的大理石到同溫同壓同濃度的鹽酸中。

1.      控制變因：操作不可變的變因。

例如：(1)控制變因為：_______________________________________

例如：(2)控制變因為：_______________________________________

2.      操縱變因：操作唯一可變的變因。

例如：(1)各班派2位男同學參賽

例如：(2)大理石顆粒大小不同

3.      應變因：_______________________________________

例如：(1)結果：誰跑的最快？（名次順序）

例如：(2)結果：顆粒大的反應較快，還是顆粒小的反應較快？

實例1：自走船的實驗中，何者為控制變因？何者為操縱變因？何者為應變因？（討論後，寫在壁報紙上）

實例2：鋅銅水果電池實驗中，何者為控制變因？何者為操縱變因？何者為應變因？（討論後，寫在壁報紙上）

五.     觀察，思考，並將討論的想法（預測）寫下（討論後，寫在壁報紙上）

〔老師問2〕：細聽老師所問

六.     進行實驗：步驟及現象描述（可用畫的，課後補在文字檔中即可）

實驗 + 收集資料（記錄、報告、美編、攝影、後製、keyin……） + 分析 + 統整：控制變因實驗法 + 小組學習

(一)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來）

〔老師問3〕：(1)___________________________（討論後，寫在壁報紙上）

(2)___________________________？小組自行試試。

(二)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 1 mL 洗碗精 + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來)

〔老師問4〕：(1)____________________________

(2)____________________________（討論後，寫在壁報紙上）

(三)      依照黑板上的步驟：1匙KI + 1匙Na₂CO₃ + 1 mL 洗碗精 + 顏料 + 5 mL H₂O₂(aq)

（將所發現的資料儘量記錄下來）

(四)      課後小組學習活動說明：

l   自行設計：例如改變什麼，就可以比較出怎樣…（請將小組討論內容以A4大小打印一份，於下次實驗課時繳交，設計與預測內容越多，分數越高第一項設計：30分，之後每項10分。）

l   小組討論內容如下：1.你想證明什麼？2.怎麼做才能證明？3.預測：可能會發生什麼？

l   說明：1.學習單（文字檔）於¡月¡日繳交。2.影音 + 後製檔Email給倪佬或以隨身碟繳交。3.分數（共300分）。

l   評分：(1)A4設計內容第一項設計：30分，之後每項10分。（最多100分），(2)小組討論 + 發表（壁報、PPT內容及態度）100分，(3)文字檔40分，(4)照片、影音 + 後製檔60分。

附錄三、實驗設計及其記錄

l   實例一

l   實例二