[段落一] 認識電解現象

1. 先回顧上週教到的伏打電池,講到我們使用溶有電解質(鹽)的水溶液當作導體,並用鹽水布取代裝水容器來減少空間。

2. 展示一小盆裝有硫酸鈉水溶液(26g/ 150 ml水)的容器,說明手上這盆也是能導電的水溶液,但是如果將電極插進水中,會有很特別的現象。

3. 將電池接上迴紋針當做電極,插入水溶液中,並展示給學生看,學生會發現電極兩端都在冒泡。請學生回答為何會有泡泡,學生答因為裡面產生了氣體。

4. 說明這盆水溶液因為受到電的作用,開始起化學反應產生物質,後來有人發現其實它是分解了水溶液中原有的物質,這個反應稱為電解反應。

5. 播放影片<電解大師戴維(上)>,再次介紹電解反應。


[段落二] 電解對科學的幫助

1. 說明因為電解實驗的發明,科學家陸續找到了很多的新元素,請學生回憶以前學過的,當元素越來越多時,出現了哪些問題?學生回答每個人對元素的命名方式不同,所以拉瓦節就提出了元素命名法,而門德列夫設計的元素週期表,讓元素不再混亂。

2. 說明電解實驗還幫助另一個學說修正得更精確,那就是酸鹼理論。

3. 提問回憶以前學過的酸鹼理論,學生還記得酸鹼檢測可使用石蕊試紙、蝶豆花等,當時還無法解決的問題是:「到底酸鹼是如何產生的呢?」

4. (其實之前教酸鹼時有提過,但那時很快就帶過去,學生都沒印象了)拿出兩罐水溶液,分別溶有氧化鈣與氧化鎂,跟學生說當時拉瓦節發現鈣與鎂燃燒過後的氧化物,會呈現酸鹼性,讓學生猜是酸還是鹼。進一步提問,如果是鹼,那麼使用石蕊試紙待會應該會出現什麼現象?學生能回答出紅色石蕊試紙會變藍色,但是藍色石蕊試紙不變色。

5. 測試其中一瓶,先用藍色石蕊試紙,發現不變色,有人很興奮馬上說真的是鹼性,但也有人被我眼神掃過,知道不能馬上下這結論,因為這時只能推論這瓶液體是中性或鹼性。直到用紅色石蕊試紙測試,才確認是鹼性。(這兩瓶測完都是鹼性。)

6. 在白板上整理出氧化鈣與氧化鎂都是鹼性,二氧化碳則是酸性,引導學生注意前兩者都是金屬氧化物,後者是非金屬氧化物。歸納出「金屬氧化物呈現鹼性、非金屬氧化物呈現酸性」的結論。提到拉瓦節想要再找出這些物質會有酸鹼性的原因,發現這些物質都需要有「氧化」的過程,所以提出氧(oxygen,酸素)是造成酸鹼的關鍵。

7. 發下一組一張「物質酸鹼性與成份表」,裡面羅列酸性與鹼性物質的名稱與化學式,先不教化學式撰寫原則,純粹請學生嘗試以「辨識符號」的方式,找出酸性物質共同都擁有的符號,以及鹼性物質共同有的符號。從表中,學生會發現酸性物質裡面都含有H,鹼性物質則都含有OH。(這時可介紹其實H代表的是氫元素。)

8. 藉上述表格的閱讀,發現拉瓦節的酸素理論並不正確,因為酸性物質並非都含有氧,但是一定都含有氫。

9. 播放影片<電解大師戴維(下)>,收斂戴維如何透過電解推翻拉瓦節的酸素理論。

                                     圖、氧化鎂的水溶液為鹼性。

                                      圖、介紹拉瓦節的酸素理論。

            圖、學生正在檢視物質成分表,找出造成酸鹼的重要元素。

                            圖、從影片中整理出氫才是造成酸的關鍵。


[段落三] 電解實驗器具與現象介紹

1. 展示一個正在電解水的電解裝置(這個需要在上課前先裝置好,剛好講到這個階段時,裡面的氣體量也足夠了),讓學生觀察到電極兩側明顯的冒泡現象,以及兩個蒐集氣體用的試管裡面水面高度不同。先介紹原本試管裡是裝滿水溶液的,但是現在水位下降代表氣體把水排開;水位高度不同代表兩管蒐集到的氣體量不同;其中一管水溶液比較黃,是因為裡面進行的化學反應與另一管不同[註1]。

2. 說明待會老師要用打火槍與線香來檢測裡面的氣體,暗示了這兩種氣體都有與燃燒相關的特徵。(學生回想起氧氣可以幫助燃燒、二氧化碳能讓火熄滅。)

3. 要求學生仔細看老師接下來的操作,耳朵也要注意聽。

4. 先拿起氫氣管(因為這管蒐集最快),管口朝下,學生因此知道裡面搜集到的氣體比空氣輕,所以會卡在試管內。接著在試管口點火,會聽到「啵」的一聲,且有瞬間燃燒的現象,說明這種氣體是可燃的。跟學生介紹裡面蒐集的氣體其實是氫氣。

5. 接著拿起氧氣管,管口朝上,讓學生知道這代表裡面的氣體比空氣重。接著將燃燒的線香插入試管內,會發現線香燃燒得更旺盛,說明裡面的氣體能夠幫助燃燒更劇烈,這裡面搜集的是氧氣。

6. 帶著學生將整個電解槽的結構、搜集的氣體的特性等整理起來。額外教學生有關化學式命名的小知識:學生已經注意到氫氣的量比氧氣還要多,說明理想上會發現氫氣管的量會是氧氣管的兩倍,也就是氫氣與氧氣的體積比為2:1,氫的化學符號是H,氧的化學符號是O,因為大家都有聽過CO2、O2這些化學名稱,讓學生思考那麼水的化學式該怎麼寫?有足夠生活經驗的學生其實會馬上知道要命名為H2O。

7. 再介紹以前實驗用到的雙氧水,讓學生猜化學式可能怎麼寫,有學生馬上領悟要寫成H2O2。

8. 有人提問「為什麼數字要寫在英文字母的後面,可以寫在前面嗎?」所以我又簡單介紹一下數字寫在前面與寫在字母後面代表的意思是什麼,好在這觀念很簡單,學生能舉一反三。

                       圖、介紹電解槽的結構以及冒泡現象的原因。

                                 圖、線香在氧氣管中復燃的現象。

                                 圖、電解實驗的架構、產物等整理。


[段落四] 氫氧槍的製作

1. 說明了解了電解水的科學原理,現在要來帶大家製作「氫氧槍」了。

2. 播放影片<自製噴射手槍>,可按照需求全部播放,或只選需要的段落。我這次主要是讓學生看氫氧槍發射的狀況,以及後面的科學原理介紹。

3. 接著按照影片中的步驟,帶著學生把氫氧槍製作完畢,每個學生希望至少成功發射兩次[註2]。

4. 收拾環境,下課。

                                    圖、介紹氫氧槍的設計原理。

                    圖、學生正在將滴管頭裝滿水,用來蒐集氣體。

                                圖、氫氧槍子彈的氣體蒐集過程。

                     圖、迴紋針生鏽後再導電產生化學反應的慘狀。

                                     圖、做好的槍可以準備發射!


#大反思

1. 這堂課是這學期倒數最後一堂課,也是最後一堂會上新知識的課(下次要做期末檢測),我覺得用這個單元做這學期的收尾很好,這整個過程中,我們不斷地運用到以前學過的所有知識,包含拉瓦節的酸鹼、元素、週期表、電學、燃燒理論等。沒有這些基礎,學生沒辦法在這節課中真正領悟氫氧槍的科學原理。其實還有一堂課在這學期上不到,那就是「電離說」。電離說除了將這學期學到的所有知識統合以外,也能將學生對酸鹼的觀念帶到更正確的「離子」上,不過能帶到今天的電解單元,已經是非常理想的狀況了。

2. 這次的課程可能也是節奏最快、知識密度最高的一堂課,雖然讓學生自己探索的時間變少,老師講述的比例提高,但我覺得今天的節奏反而更符合教學現況吧?總之,我自己非常推薦在前面介紹燃燒、酸鹼、元素、電學之後,以氫氧槍當做所有知識是否學到了的檢測。或許更理想的方式,是事後請學生做個小報告,詳述氫氧槍的科學原理,以及這些科學原理對科學界的幫助是什麼。

3. 有關LIS電解反應會出現的問題已經整理在註解中,我覺得如果可以,老師們也能直接用更標準的電解槽與電解液來教學,畢竟我們改成這樣的用意,是減少可能的危險性,但必須承擔一些不完美性。


[註1] 本次電解實驗使用的電解液是硫酸鈉水溶液,而非一般會使用的氫氧化鈉水溶液。使用該溶液的原因是希望學生能在避免危險發生的狀況下,從水溶液調配就可以自己動手做。氫氧化鈉為強鹼,雖在電解時的濃度不用很高,調配水溶液時還是有安全疑慮。此外,我們的電極選用生活中常見的迴紋針取代碳棒,希望所有的裝置都是身邊容易取得的素材。麻煩之處就在於這些物質會起些微化學反應,尤其是迴紋針生鏽後如果再被電解,容易使水溶液變黃、甚至產生墨綠色沈澱物。正式教學時,老師可考慮上述優劣勢,看是否選擇標準的電解槽進行活動。

[註2] 在我們的教學中,電解槽會是最難做的實驗器具,為避免佔用太多教學時間,我們事先製作了多個電解槽供學生使用,下課後會再回收,並更換新的迴紋針電極。