登入
首頁
網站導覽
科展群傑廳
全國中小學科展
臺灣國際科展
科展回顧
科展學習區
生活科學廳
生活科學問與答
國外參考網站
科學研習月刊
生活科學補給站
教學資源廳
影音資源
優質教案
國外參考網站
趣味動畫學習區
i-show直播
分類查詢
全文檢索
科展群傑廳
科展資料
生活科學廳
問與答及補給站
教學資源廳
影音資源
作品名稱
作品摘要
指導老師
全文
資源名稱
全文
資源名稱
全文
名稱
講者
全文
首頁
生活科學廳
生活科學補給站
化學
分類查詢
全文檢索
科展群傑廳
科展資料
生活科學廳
問與答及補給站
教學資源廳
影音資源
作品名稱
作品摘要
指導老師
全文
資源名稱
全文
資源名稱
全文
名稱
講者
全文
生活科學補給站
化學
生物
健康教育
地球科學
數學
生活科技
物理
專題導言
STEAM
趣味化學實驗與科學思考
瀏覽人次 21424
加入最愛
資料來源
科學研習月刊43-7
文/蕭次融/大學入學考試中心 研究發展處
化學是探討物質的性質及其變化的科學,也是實驗的科學。有些從事化學教育的學者專家認為學生在中等學校的階段,透過實驗來學習化學最有效,而認知還在具體操作期的小學生,更需要實驗來幫助了解化學原理。化學變化的分類方式有多種,一般將其分為四種:(一)化合、(二)分解、(三)置換、(四)複分解;但也可依氧化數的變化以及生成物產生沉澱與否,而將化學反應分為凡人類:(一)氧化還原反應;(二)酸鹼反應;(三)沉澱反應。本篇以「趣味化學實驗與科學思考」為標題,對上述的四種反應各舉簡而有趣的化學( Plain and Attractive Chemistry,簡稱 PAC)實驗提供教師作為演示實驗或學生實驗。這四種反應中,化合、分解與置換都屬於氧化還原反應,而複分解則多屬於酸鹼反應,但也有沉澱反應與氧化還原反應者。
一、化合與分解
(一)目的
1.利用兩種元素,鋅與碘,直接反應,化合成碘化鋅。
2.電解由化合所得的碘化鋅溶液,取回碘與鋅。
3.透過實驗讓學生能親眼目睹化學反應,亦即I2和Zn。的反應與其逆反應。
4.體會化合與分解的定義,被學習推測可能的生成物以及如何書寫化學反應式。
(二)器材
(三)實驗步驟
(甲)鋅與碘的化合
1.取 5 克的鋅粉與 5 克的碘粒,置於研缽研磨數分鐘(此操作,不會有任何明顯反應〉。得混合粉末。
2.次將混合粉末移入大試管,輕蓋一個配有吸管的木塞(吸管內吸有水約 2 毫升),如圖一所示。
3.從滴管滴下水數滴,即見混合物冒出紅紫色氣體,試管底部發熱而有黃褐色液體。此時,再慢慢加水,一邊搖動試管讓昇華後凝華而附著在試管壁的碘繼續反應。加完水數分鐘後,可能還可以見到試管上端有紫黑色固體附著於管壁。
4.取下試管塞,用另一根長吸管吸取溶液,洗下管壁上的顆粒,即見顆粒溶解。黃褐色溶液沿管壁流下,使碘再與鋅粉作用。靜置數分鐘,見試管底部何未反應的金屬粉末沙與無色透明的溶液。
(乙)碘化鋅的分解
5.用吸管吸取試管內的混合物過濾,得無色透明濾液(過濾方法參考附錄中「簡易加壓過濾法」
6.取上述無色透明的濾液數滴於水彩畫用的調色盤上,然後用迥紋針為陽極,銅線(或黃銅釘)為陰極,電解濾液數秒鐘,如圖二所示。即見鋼線上端為亮亮的銀灰色沉澱物所覆蓋,而迥紋針上有褐色固體析出,但會脫落溶解成黃褐色溶液。若在黃褐色溶液上滴下澱粉液,立即呈現藍色。
(四)問題
1.在實驗步驟 3,「從滴管滴下水數滴,即見混合物冒出紅紫色氣體」。試問「水」在此反應中,扮演何種角色?
2.在實驗步驟 6 ,電解碘化鋅溶液時,為什麼陰極用銅線(或黃鋼釘)而不用迴紋針?
(五)教師手冊
本實驗包含兩部分:(一)化合與(二)分解。兩部分的實驗因相關,宜連續做,但也可分開單獨做。若分開單獨做時,第二部分的 「(乙)碘化鋅的分解」,教師最好在很短的時問內演示第一部分的「(甲)鋅與碘的化合」,然後直接給學生已過濾好的碘化鉀澄清溶液約1mL ,學生則做步驟6,在調色盤操作電解。
( A )教師演示實驗
1.取約 10 克的鋅粉與約 10 克的碘粒,置於研缽研廢數分鐘,不見有任何反應。(給學生看)
2.先準備一個無色透明的塑膠袋(約 25cm × 35cm ),並將其充滿空氣,袋口向下倒置於桌上後,用吸管吸取清水約2mL,滴入研缽即見冒出紫色氣體,相當壯觀,但因碘蒸氣有毒,應立即以塑膠袋蓋住,以免碘蒸氣擴散。
3.俟研缽不再冒碘蒸氣後,移去塑膠袋。在研缽壁上未反應的碘粒,用滴竹吸一些溶液將其沖入溶液中,即見碘又反應,但不再冒濃煙。
4.依前述學生實驗的步驟 5 的方式過濾碘化鉀溶液。
(B)補充說明
1.步驟 1 表示鋅與碘即使混合磨成粉末,也不起化學反應,但一加水,即見其放熱反應,留出紅紫色碘蒸氣。水在此反應中,扮演了重要的催化角色,可用下列反應式表示:
這是很典型的化合反應,由二種元素變成一種化合物。若將混合後的粉末移置於蒸發皿上,然後加水,即刻冒出紅紫色煙,著實相當狀觀。( 但為了避免吸入碘蒸氣.還是用步驟 2 與 3 的方法比較妥當)
2.步驟 6 是電解,也是很典型的分解反應之一,由一種化合物分解成兩種物質 ,可以用反應式表示如下:
3.電解時,陰極起還原反應,產生鋅。因金屬鋅的顏色與迥紋針的顏色相近,不易分辨,但鋅沉澱在銅線或銅釘上,則容易觀察到。
(C)廢棄物的處理
1.碘化鋅溶液沖稀後可以放流(因鋅過量,不會有未反應的碘留下來,而且量很少)。
2.鋅應回收。收集全班的鋅粉,用清水洗滌數次後,置於錶玻璃或研缽曬乾,絕不可置於舉塑膠製器皿或可燃的物體上晾乾(即將乾的鋅粉,有自行起火燃燒塑膠的可能性)。
(六)附錄:簡易加壓過濾法
在實驗室雖然有很多過濾的方法,但若試樣的量非常少,例如只有1毫升,則一般的過濾方法均因太少而不適用。這時可採用滴管過濾,方法如下 : 1.取下玻璃滴管的橡膠乳頭。
2.取脫脂棉花一小塊.溼潤後以玻璃捧將其壓進玻璃滴管內,如圖(a)所示(鬆緊視需要調整),即得一支過濾滴管。
3.以另一支滴管吸取需要過濾的混合物溶液後,將其滴入於過濾用的滴管內。
4.若混合物不易過濾,在過濾用滴管 上套回橡膠乳頭後,輕壓橡膠,即見混合物滴管被加壓而濾過棉花,而得澄清的濾液。
二、置換反應
(甲)銅幣變銀幣
(一)目的
以簡單的實驗讓學生了解金屬活性的不同所引起的置換反應,被藉由鋼幣變銀幣的趣味實驗 ,以提高學生學習化學的興趣。
(二)器材
註:硝酸汞耍使用飽和溶液,並裝於點眼滴瓶。
(三)實驗步驟
1.取一元銅幣一個(新舊銅幣均可),用鑷子夾住後在銅幣上面滴下一滴硝酸汞飽和溶液,然後用棉花棒擦塗銅幣的一半(同一面的一半留供比較),即見擦塗過的銅幣表面呈現銀色。
2.將上一步驟的一元銅幣放入杯中水洗後用面紙擦乾,則得光亮的銀色,與沒擦塗硝酸汞的一半相比較,有何不同?
3.仔細觀察棉棒塗擦前後有何不同?
注意;硝酸汞有毒(管制品),必須小心使用,最好戴上外科醫生用的手套,用後要洗乾淨兩手。用過的棉花棒要聽從教師指示,回收集中處理。
(乙)鐵釘變銅釘
(一)目的
利用日常生活中容易取得的鐵釘與食醋,讓學生了解置換反應。
(二)器材
(三)實驗步驟
1.用透明塑膠杯取食醋約10毫升,放進 6 個舊硬幣(一元的銅幣),偶而用竹筷子翻動銅幣,仔細觀察銅幣表面有何變化。
2.約五分鐘後,用竹筷子取出銅幣(變亮了)三個,二正一反直接放在面紙上,其他三個用水清洗後,用面紙擦乾,也是二正一反放在面紙上,供作比較。
3.將浸泡過銅幣的食醋倒入底片盒中,放入兩之鐵釘或迴紋針(表面沒沾油,而且沒生鏽的,長度要夠長,要有一部份露出液面以便對照),不久即見有氣泡附在鐵釘上。
4.數十分鐘後,即見浸泡在溶液中的鐵釘表面,為一層紅銅色所覆蓋。
5.取出鐵釘後用水清洗乾淨。放置一段時間後,再看看銅色是否改變。
6.比較步驟 2 ,面紙上的銅幣,沒用水清洗的銅幣與清洗過的銅幣上有何不同?綠色的表面是什麼?
注意:廢液要聽從教師指示,集中後處理。
(四)問題
1.試問在(甲)實驗的步驟 3,塗擦銅幣後的棉花捧上是否還殘留有硝酸汞?要如何檢驗?
2.試問在(乙)實驗的步驟 2,銅幣為何變亮了?若改用硝酸以替代食醋來洗銅幣,試推測結果會怎樣?
(五〉教師手冊
(甲)鋼幣變銀幣
1.金屬活性次序在貴金屬的部份是銅、汞、銀、鉑、金.因此銅可以取代汞,用反應式表示如下:
由上式可見汞離子,
,被取代而析出金屬(Hg)。汞在常溫是液態,但因其容易與其他金屬構成合金成汞齊(銅汞齊是固態),可用反應式表示:
2.在棉花棒上:可以看出式(1)所析出的藍色銅離子,但若用來塗擦的銅幣表面不很乾淨 。
3.汞的化合物有毒,實驗後必須要求學生洗乾淨兩手,而且廢棄物要聽從教師指示處理。
4.汞化合物的廢棄物(溶液)收集後,加碘化鉀溶液或硫化鈉溶液使其成為碘化汞或硫化汞沉澱、過濾後沉澱貯存,交業者處理。
5.要檢驗棉花棒上是否有硝酸汞殘留,最好以碘化鉀溶液檢驗,因碘化汞的沉澱呈朱紅色易見,而且其K
sp
很小。
(乙)鐵釘變銅釘
1.以上實驗說明了食醋洗淨了銅幣上的氧化銅或其他銅的化合物,但不傷及金屬銅本身,反應式如下:
2.步驟3與4,說明了留在食醋中的銅離子,被鐵釘的鐵所置換,反應式如下:
3.一般的銅綠是鹼式碳酸銅,但是銅幣表面上的成份相當複雜。
4.若沒有鐵釘,可用迴紋針(沒有塑膠皮包的)替代。
5.若用硝酸替代食醋以洗銅幣,結果會因稀硝酸仍具有氧化性,不僅與銅幣表面的銅化合物反應,而且會與銅幣本身(亦即銅)反應,產生有毒的氧化氮,反應式如下:
三、複分解(酸鹼中和反應)
固體食鹽的直接製法
(一)目的
使用濃鹽酸與氫氣化鈉顆粒直接作用,以演示酸鹼中和產生固體的「鹽」,以肉眼即可看到的食鹽顆粒,並演示簡易減壓抽濾法。
(二)器材
注意:本實驗使用濃酸濃鹼,需要特別注意安全,沒有教師的允許與監督,學生不可動手操作,尤其下列實驗步驟2。
(三)實驗步驟
1.用硬試管取氫氧化鈉顆粒 2~4 克(約 6~10 粒,不可太多)。
2.用滴管吸取濃鹽酸後,一滴一滴慢慢地滴入試管。每滴一滴濃鹽酸即有相當劇烈的反應,產生大量的熱,甚至發煙並發出嘶嘶聲。
3.用玻璃棒攪拌,即見有白色的小顆粒沉澱,若鹽酸與氫氣化鈉的作用太劇烈,則用冷水浴冷卻試管,作用完畢還要多加濃鹽酸,再攪拌確保沒有氫氧化鈉殘留。
4.用簡易減壓過濾裝置(如圖四,取自蕭次融,科學教育月刊, 208 期 40 頁, 87 年 3 月)過濾,抽乾後用清水數滴清洗固體數次,至濾液呈現中性為止,即得 NaCl晶體。
(四)問題
1.實驗步驟 2 ,為何產生大量的熱?
2.簡易減壓過濾裝置中的注射筒為何可打一個小孔,有何作用?若注射筒上不打孔,要如何才能達到減壓過濾的目的?
(五)教師手冊
1.教師在複分解的單元,教學時最常引用的例子是稀鹽酸與硝酸銀的作用,或鹽酸與氫氣化鈉的中和反應。後者也是酸鹼中和產生鹽的一個例子,雖然可以用反應式表示:
並說中和後的水溶液蒸乾即得固形的食鹽,但是蒸乾費時而艮所得固形食鹽的量很少,且外觀不像通常我們所見到的食鹽。本實驗則直接用濃鹽酸與固體的氫氣化鈉反應以得固體的食鹽。此反應產生大量的中和熱,因反應中的「水份」很少,使得反應混合物升高溫度甚多。此反應可用反應式表示:
式中(conc)表示濃的溶液,亦即使用濃鹽酸之意。演示本實驗時,教師必須帶護目鏡與塑膠手套,以策安全。
2.做科展或從事特別研究的高中生,得允許其親自操作實驗,但必需交代清楚有關強酸強鹼與其反應、應特別注意的事項,並接受教師的指導,尤其操作步驟 2 與步驟 3 時,濃鹽酸必須一滴一滴地慢慢加,抓時時攪拌。
3.所製作的食鹽成品必須檢驗其酸鹼值、確保中性,否則不可試嚐。
4.若注射筒上沒有打一小孔,則注射筒的活塞抽了後就難於壓回原狀。若筒上沒打孔,在軟管間要裝一個三向閥才可以完成減壓過濾。