利用壓力感測器調查雙氧水的催化分解 廖旭茂 台中市立大甲高級中等學校 教育部高中化學學科中心 nacl880626@hotmail.com ■簡介     數位感測器的使用在中學的教學使用越來越普遍，剛開始僅用在科展競賽選手的培訓上，在廠商結合大學端多年的合作推廣下，慢慢地拓展開來。筆者第一次接觸數位感測器是多年前參加東吳大學物理系陳秋民教授的研習上；陳教授生活觀察經驗豐富、擅長從回收場中淘寶，實作教具，並以風趣的口吻解說生活科學原理，當然借用感測器進行探究的實務經驗，算是是台灣物理教育的先行者，後來更受邀至北京清華大學講學，有「鵝爸」暱稱（羅佩琪、廖英凱，2013）。 隨後，在2014年參加邱美虹教授帶領的上海兩岸實驗教學交流活動，教學觀摩中看到上海的老師利用無線pH計結合及資料採集器，進行酸鹼解離的實驗教學。基於數年的累積與準備，本校開始於高二的選修課程–探索化學中，開始導入數位化學科學實驗，利用數位溫度計、氣壓感測器、導電度計、酸鹼pH計開發課程。 大象牙膏在中學是經典的演示實驗之一，其中雙氧水在碘化鉀或二氧化錳的催化下，快速分解產生氧氣，並讓已在量筒中事先加入的洗碗精溶液吹脹起大量的泡泡；國中生物學過，大多數生物體的器官內都含有過氧化氫酶（Catalase, 2020），如哺乳內動物的肝臟中含量特別高；植物中的馬鈴薯；甚至微生物，如酵母都含有過有過氧化氫酶，可快速分解雙氧水成為水及氧氣。下圖1為試管中的大象牙膏反應： 圖1：大象牙膏中雙氧水被碘化鉀催化分解（圖片來源：作者攝製） 酵母中的酵素在雙氧水的分解中，扮演何種角色？如何影響雙氧水的分解速率？這是過去演示實驗沒告訴我們的事；本課程將使用市售烘焙用的酵母菌作為催化劑，藉由氣壓感測器來探究雙氧水的酶催化分解（Volz & Smola, 2009），課程實際進行約為4週，每週2節課的時間。雙氧水分解的實驗探究如下：第一週為氣壓感測器的操作介紹，進行初步實驗，以及計畫擬定(提出假設、設計實驗，步驟、蒐集數據方法)，第2~5週為變因探究（濃度、溫度、pH值、重金屬離子），第6週為數據整理與結果發表。希望透過完整的過程，引導同學學習如何探討如何製作專題。     ■器材與藥品 一、 藥品：藥品：1.0M的雙氧水、1%酵母懸浮液（秤取一克烘焙用酵母粉，溶於99毫升的水中，利用電磁攪拌器攪拌10分鐘）、1.0M的碘化鉀溶液、沙拉脫1瓶。 二、 器材：VERNIER資料分析採集器、氣壓力感測計、電磁加熱攪拌器、固定鉛環、50mL錐形瓶1個、試管兩支、10mL量筒兩支。 ■教學歷程 l 第一週：初步實驗 一、 引發動機（Engagement）   大象牙膏示範：取出預備的甲、乙兩個10毫升的量筒，其中各加入濃度為1M的雙氧水3mL與5滴的沙拉脫清潔劑，隨後以試管盛裝1M的碘化鉀溶液2毫升，倒入甲量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。接著以另一支試管盛裝1%的酵母溶液2毫升，倒入乙量筒中，觀察量筒中泡泡上升的速度與泡泡量。比較兩支量筒泡泡上升的快慢。 二、 教師提問： 1.     雙氧水分解產生的氣體是甚麼？ 2.     根據觀察，請說出哪一支量筒的分解反應速率較快？ 3.     除了目視觀察外，根據分解反應式，可以用甚麼方法測量雙氧水的分解速率？測量單位時間反應物雙氧水的減少量？抑或測量產物氧氣的增加量？可能需要甚麼樣的儀器設備？ 4.     請預測若酵母液的濃度若增加時，雙氧水的分解速率將發生何種變化？ 5.     溫度如何影響酵素的活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳溫度？ 6.     pH的不同如何影響酵素的催化活動？請預測酵素催化雙氧水分解的最佳pH值？ 7.     重金屬會影響酵素的活動嗎？請預測若在溶液中加入硫酸銅，酵素催化的速率會發生何種改變？ 三、 氣壓感測器的使用及酵母液催化分解的建議步驟（結構式探究）： 1.     器材分發：分成8組，每組3人，各組依組別拿到相同編號的機器。 2.     機器開機：找到資料分析採集器的左上開關按壓鍵，按壓開關打開採集器，且從檔案【File】選單中選取新增[New]（圖2）。 圖2：資料分析採集器開機設定圖 （圖片來源：作者攝製） 3.     管線連接：將壓力感測器的白色數據接頭接在採集器的channel 1。將塑膠管的一端連接壓力感測器。 4.     數據採集：進行氣壓數據採集設定，在【感應器】的選單下點選〔數據擷取〕選項，進入數據擷取頁面，若設定取樣率為0.2樣本/秒，期間為180秒的話，時間範圍內可採集36個數據；若期間改為300秒的話，時間範圍內可採集60個數據。下圖3為設定畫面。 […]