利用手機及App開發化學探究與實作課程—高中奈米硫粒實驗反應速率的測定   劉燕孝、廖家榮 臺北市立建國高級中學yhliu2@gl.ck.tp.edu.tw n  設計緣起 高中課綱中的奈米硫粒實驗，屬於選修化學溶液一章的範疇，主要是將清潔劑添加到硫代硫酸鈉 ( Na2S2O3 ) 酸性溶液的反應系統中，以雷射筆照射系統中的溶液，藉由廷得耳效應來觀測水溶液中奈米硫粒成長的過程。另外，一般高中課本實驗手冊也提及，可調整反應試劑與清潔劑的濃度，來控制反應速率，在規定的時間內利用反應產生硫固體沉澱來遮住桌面上的記號來設計趣味實驗。此實驗除了印證膠體溶液的性質，也利用添加清潔劑對反應速率的影響，介紹奈米科技中操控奈米粒子形成速率之基本技術(葉名倉等)。 過去的科展，曾對於這個實驗有諸多深入的探討(李浩維等；李祐慈)，其主題主要是探討此實驗的奈米硫粒形成機制，於不同反應物濃度下測量反應速率，進而求得反應級數等。由於此實驗藥品單純且反應效果明顯，非常適合結合基礎化學三的反應速率一章，印證及探討其中相關理論，朝科展及專題方向發展。然而朝科展及專題方向發展的關鍵，主要受限於測定反應速率的方法與設備。檢視過去本實驗相關的研究，受限於當時一般高中多無偵測的設備，多採用大學端的設備或組裝精密但昂貴的工作站器材，雖然效果良好，但不易普及到學生人人都能簡便地使用。 在課本奈米硫粒實驗中的第一部分，主要在觀察硫膠體形成過程與廷得耳效應的部分，僅請學生以定性方式記錄溶液出現明顯廷得耳效應，光束很亮就記錄「明顯」；若光束沒有很亮，記錄「不明顯」。課本實驗中的第二部分清潔劑濃度對反應速率的影響部分，則涉及反應速率定義的概念，其測定方法為請學生記錄完全遮住記號所需的反應時間。上述光源為紅或綠光的雷射筆，而判定反應結束的方法，不論實驗第一部分雷射光束變得「不明顯」，或第二部分奈米硫「完全遮住」記號所需反應時間的測定，兩者均請學生以碼表計時，容易因人為主觀判斷造成誤差。於是，每學期我們帶學生在實驗室進行本實驗時，最常聽到的話就是：老師！這樣算不算「不明顯」，或是，老師！這樣算不算「完全遮住」啊？ 這樣的教學現象困擾了我們許多年，直到智慧型手機與各種Apps軟體逐漸普及與成熟，於是我們重新思考調整既有的教學模式，轉而構思善用手機的資訊化及帶著走的優勢，此舉不但不須額外添購實驗器材，可提升實驗數據測量的精確性與再現性，更引導學生開啟另一扇窗，讓他們了解到原來手機也可以用來做化學實驗啊！   ¾ 課程開發目標 一、以手機及App代替雷射筆與肉眼觀察(傳統方法)，提高測量數據的精確性及再現性。 二、設計實驗測定反應速率與反應級數。 三、設計實驗探討清潔劑對反應速率的影響。   ¾ 實驗課程內的反應原理與文獻探討 硫代硫酸鈉溶液與鹽酸會反應產生奈米硫微粒， H+(aq) + S2O32-(aq) → S2(s) (膠體粒子) + HSO3–(aq)   (式1) 1946~1948年間，La Mer等提出其反應機制為： H+ + S2O32-⇌HS2O3–                                                                       (式2) HSO3– + S2O32-→[HSO3．S2O3]3-                                            (式3) [HSO3．S2O3]3-→ S2 + HSO3– + SO32-                                    (式4) 整體反應包含第一階段的S2與S8的生成，第二階段的成核，以及第三階段的團聚等三步驟。團聚後的奈米大小的膠體粒子，可散射光線產生一條明亮的光徑，此現象為廷得耳效應；爾後硫粒漸漸長大，使水溶液漸漸混濁而擋住光線使廷得耳效應消失，最後硫粒會凝聚沉澱。 如圖1所示，若將清潔劑添加在此反應中時，清潔劑分子中的親油基吸引硫粒、親水基與水互溶，而形成微胞(micelle)結構，將硫微粒包覆在微胞結構中而減緩硫粒子的長大，造成硫沉澱反應速率變慢，廷得耳效應存在的時間拉長，因此也可以測量硫粒沉澱物完全遮住反應燒杯下的號記所需花費的時間，探討清潔劑添加物對反應速率的影響(建中化學實驗手冊)。 圖1、奈米硫粒圖及與清潔劑分子形成微胞圖   ¾ 實驗課程的教材內容 一、實驗目的： (一)   […]