SCIENCE
ake t rue
第二期
2016 05
物理
探究與實作教案－
地科
跨班選修－
生物
培養一個會思考的高中生－
以滲透實驗為例 P1
化學
探究與實作分享－
結晶大賽 P9
Chemistry
前言
教師好比是「廚師」，因為廚師將各種食材 加在一塊兒可以變出一道道佳餚，而教師如果把 相關的教材加以整合與設計，那麼肯定可以吸引 學生，共同完成每一節精彩的課程。這次我將選 修課程中有關「酸鹼指示劑」的實驗，由探究與 實作的觀點出發，從幾個面向，包括：收集與閱 讀資料、主題自生活取材、選擇好用的工具、具 備基本實驗能力、培養邏輯與判斷力等方面進行 說明與分享，老師們可以參酌並設計成適合自己 教學現場的教材。附帶一提，課程名稱為「波以 耳的五彩溶液」，乃是取自化學學科中心2007高 中生「化學創意實驗闖關比賽」複賽題目「五彩 溶液」，化學學科中心總能提供非常多有用的資 源與教材。
波以耳的五彩溶液
主要內容：
一、自製酸鹼指示劑（35分鐘）
二、酸鹼指示劑的顏色變化（25分鐘）
三、簡單任務（40分鐘）
四、終極挑戰（50分鐘）
實驗時間：2∼3節課
相關課程： 基礎化學(二) 第一章 常見的化學反 應「酸鹼反應」
一、採集校園植物自製酸鹼指示劑
原理與概念
一些弱酸性或弱鹼性的有機天然或合成色 素，其結構在不同的pH值範圍內會顯現不同的 顏色，可用來判定溶液的酸鹼性，這一類物質稱 為酸鹼指示劑。例如：酚酞（Phenolphthalein）
在酸中呈無色、在鹼中呈紅色（如圖一）。
探究與實作分享
「波以耳的
五彩溶液」
教師 謝道任
國立科學工業園區實驗高級中學 教育部高中化學學科中心 taotao@nehs.hc.edu.tw
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圖一：「酚酞指示劑」的結構式與變色情形。
Chemistry
欲探究與實作，先收集與閱讀資料
酸鹼指示劑的發現有點偶然，請看下面這則 小故事：
在十七世紀，農人知道泥土的酸鹼性與農作 物的生長有密切的關係，所以常把泥土放進嘴 裡，藉以分辨酸鹼性，但卻因此常常生病，甚至 死亡。
波以耳（1627∼1691，英國）是一位認真的 科學家，他努力地研究，試圖找出辨別土壤酸鹼 性的方法，不過都以失敗告終。
有一天早晨，波以耳收到一束朋友送來的紫 羅蘭花，他順手將花放在實驗室的桌上並準備 繼續研究，卻在傾倒鹽酸時不慎將酸沫濺到紫色 花瓣上，他心疼之餘趕緊用清水沖洗。奇蹟發生 了！他發現紫色花瓣變成了紅色！接著他以其他 酸液測試也得到相同的結果。他想：既然酸液可 以改變紫羅蘭花瓣的顏色，那麼鹼液是否也能使 花的顏色改變呢？實驗結果證明的確如此。
除了紫羅蘭花，他也嘗試其他植物，例如：
玫瑰花瓣、地衣、五倍子等，以萃取汁液的方式 製成各種試劑或將紙浸泡後烘乾製成試紙，用來 分辨酸鹼性。其中至今人們用了三百多年的「石 蕊試劑」便是從「地衣類」萃取而得的。（改寫 自：平常中包含了深奧─生活化學的故事，黃 一敏著，凡異出版社，1999/12/29）
互動式投影片
教師事先做好題目的投影片（如圖二：播 放每個題目時，按一下才會出現答案和相關圖 片），接著讓同學閱讀學習單上的故事，再以搶 答的方式進行活動。規則是必須等待教師唸完題 目並喊出「請搶答」後，知道答案的組別派一人 舉手搶答，萬一無法判斷誰快誰慢，則以猜拳決 定，答對者給予小禮物與積分。其他題目整理如 下，教師們也可以自由發揮：
問題3、農夫為什麼要吃泥土？
問題4、 波以耳偶然間發現什麼花的花瓣沾到鹽 酸而變色？
問題5、 紫羅蘭花瓣沾到鹽酸會從紫色變成什麼 色？
問題6、石蕊試劑是從什麼萃取得到的？
如此不僅能提升學生的專注力，也比平鋪直 敘更容易炒熱氣氛，讓學習更有效率。再來就可 以開始讓學生動手做實驗。
步驟說明
1
在校園中，採集一種非綠色的植物（花或果 實）。2
將適量的有色植物用手撕碎，放入研缽中以 杵搗爛，再加入3 mL酒精，使色素溶出。3
以滴管將色素溶出液傾析吸出，放在試管 中，貼上標籤便完成了自製的酸鹼指示劑。圖二：有獎搶答的題目投影片示例。
Chemistry
科學探究 MIT - 化學
進行探究與實作，可以自生活取材
其實人人都可以是波以耳。最初我請各組自 行準備一種花或果實來做實驗（除了紫甘藍菜、
紅鳳菜以外，因為太常見），但是學生往往不是 忘記帶，就是要上課了才急急忙忙在學校中採 集。後來我乾脆順勢而為，在搶答活動結束後，
請各組派一人5∼10分鐘內至校園內安全地採集 一種或數種非綠色的植物。這樣一來學生會仔細 地在校園內蒐尋，比起由教師提供素材，學生會 更想嘗試各種有顏色的花或果實，同時也會抱怨 說其實校園的花很少，而最常用的是大花咸豐 草、朱槿、牽牛花等。學生都愛搗爛植物這個步 驟（圖三），可能是平時不太用到研缽和杵吧！
而用乙醇溶出色素（圖四），省去加熱萃取的步 驟，快又有效率，而且順便也讓同學知道實驗室 常用的酸鹼指示劑都是以酒精加水稀釋配成的。
在實驗記錄方面，「指示劑最微妙的是顏色 判讀，資料上寫的「青藍」、「藍綠」，我根 本無法從字面上區別。」學生常常對於要寫「紅 色」還是「粉紅色」而傷腦筋，於是準備色鉛 筆，讓學生以最接近的顏色或疊色塗在框框裡，
精準又方便（圖五）！「原本以為地瓜葉容易受 葉綠素影響，沒想到過濾後得到美麗的酒紅色，
而將『地瓜葉指示劑』滴入酸、鹼後，那瞬間 的顏色變化帶給我們驚喜以及永恆的愉悅。」、
「自製的酸鹼指示劑有種神秘感，因加入酸鹼後 可能出現意想不到的顏色。」學生們興奮說著。
圖三：學生以研缽和杵將植物搗爛。
圖四：各種自製的酸鹼指示劑。
圖五：自製酸鹼指示劑的實驗記錄。
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二、酸鹼指示劑的顏色變化
原理與概念
如圖六列出實驗室常用的酸鹼指示劑及其變 色情形，以甲基紅為例，其變色pH範圍為4.2∼
6.3，表示在pH＝4.2以下呈現紅色、在pH＝6.3 以上呈現黃色；在此範圍內則為紅、黃兩色之混 合色（橙色），而常用的「廣用指示劑」則是由 多種酸鹼指示劑混合而成的。
步驟說明
1
在調色盤中，分別滴上鹽酸、水、氫氧化鈉 水溶液各2滴。2
在上述三種液體中，分別再滴加1∼2滴甲基 紅指示劑，觀察並記錄各呈現什麼顏色。3
重複步驟1、2，改滴加酚酞、溴瑞香草酚 藍指示劑及自製的酸鹼指示劑，觀察並記錄 各呈現什麼顏色。選擇好用的工具進行探究與實作
「調色盤」真的很方便，白色為底顯色一目 瞭然，容易清洗且易擦乾。此時當學生滴加甲基 紅、酚酞這類常用的酸鹼指示劑時，並不覺得特 別，但看到自製的酸鹼指示劑也會變色就覺得很 神奇（圖七）。除了酸、鹼外，代表中性的水加 到酸鹼指示劑中的顏色亦須記錄下來，這樣便能 了解在pH值變色範圍內「混色」的概念了（圖 八、九）。透過這個實驗，以真實化學藥品與自 製的酸鹼指示劑相比，前者單純而靈敏，學生自 然就能體會科學帶來的便利性與準確性，「原本 不熟悉的變色情況，在親自動手做實驗後，變得 較容易記得，且更能熟悉實驗技巧。」酸鹼指示 劑的顏色變化不再只是冷冰冰的書上圖片，印象 也就更深刻了。
圖六：實驗室常用的酸鹼指示劑及其變色情形。
圖八：學生有系 統地記錄實驗結 果。
圖七：學生使用 調色盤做實驗。
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三、簡單任務：利用「比色法」判斷 溶液的pH值
步驟說明
1
取0.1 M氫氧化鈉水溶液中5 mL加入1 mL紫甘 藍菜汁。2
以10 mL量筒取0.1 M氫氧化鈉水溶液1 mL，加水稀釋成10 mL，取其中5 mL加入1 mL紫甘 藍菜汁。
3
承上，取剩餘的氫氧化鈉水溶液1 mL，加水 稀釋成10 mL，取其中5 mL加入1 mL紫甘藍菜 汁。4
抽籤領取「任務溶液」，加入1 mL紫甘藍菜 汁後比對顏色，確認「任務溶液」pH值。進行探究與實作時，須具備基本實驗能力
這個實驗的設計類似化學學科中心2007高中 生「化學創意實驗闖關比賽」複賽題目「五彩 溶液」，只是酸鹼指示劑直接選用生活中易取 的「紫甘藍菜汁」。紫甘藍菜汁在酸性下顏色 大致為紅色系，並不容易分辨，因此在配製酸性 的任務溶液時，以pH＝1或2較佳；鹼性溶液顏色如圖十所示，有黃、綠、藍綠等鮮明的顏色，
因此將0.1 M氫氧化鈉水溶液（pH＝13）稀釋10 倍，重複此動作，即可得pH＝12、11的標準溶 液，這個過程可訓練學生稀釋溶液的技巧以及計 算pH和pOH間的關係。教師事先煮好紫甘藍菜 汁：取適量紫甘藍菜撕碎，加適量熱水煮沸或至 菜葉變白，冷卻後先傾析再過濾，密封冷藏保 存，但不宜過久，以免發霉變質。再配好數管不 同pH值溶液（pH＝1∼2或11∼13）裝在試管內 封口，可避免空氣中的二氧化碳破壞極稀薄的鹼 性溶液。各組在未知溶液中加入紫甘藍菜汁，在 溶液背後襯一張白紙比對（圖十一、十二），判 斷其pH值寫在學習單上，待全部組別完成後立 即公布答案，答對者獲得積分。學生說：「按照 老師的方法配出很美的彩虹漸層，但靠近中性的 顏色都差不多……我們成功地比對出未知溶液的 pH值哦！非常繽紛色彩的實驗∼」藉由這個實 驗傳授「比色」的概念，也作為之後終極挑戰的 暖身賽。
圖九：學生針對酸鹼指示劑的顏色變化所做的色鉛筆記錄。
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四、終極挑戰：化學尋寶─酸鹼篇
步驟說明
如圖十三：有七支試管裝有未知溶液，分 別貼有A∼G等標籤（如下表）。其中A、B為紅 色，C、D為黃色，E、F、G為無色。已知試管 內溶液體積約有2 mL，各溶液可能是0.1 M的鹽 酸或0.1 M的氫氧化鈉，若有顏色則表示另加了 數滴指示劑（均只有一種指示劑），試辨別試 管A∼G中的成分及其酸鹼性。溶液用完恕不補 充。（參考：蕭次融（2000）。化學反應─實 作試卷。科學教育月刊第231期p.19。）
圖十：紫甘藍菜汁作為酸鹼指示劑。 圖十一：學生進行比色實驗。
圖十二：學生的色鉛筆記錄用以比對未知溶液的pH值。
圖十三：教師配製每組七支未知溶液。
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進行探究與實作時，還需要邏輯與判斷力
這個實驗是第二部分「酸鹼指示劑的顏色變 化」的應用，只要運用酸鹼中和的概念與原理 即可判斷，意即：某一試管若盛裝0.1 M鹽酸與2 滴酚酞指示劑，溶液呈無色；取上述溶液1滴，再加2滴0.1 M氫氧化鈉水溶液，則溶液將變為紅 色。建議做法如下：先以透明的E、F、G三管溶 液2滴分別滴入取自四管紅、黃色的溶液1滴，觀 察由黃變藍者（C）即可知該管為溴瑞香草酚藍
（BTB）的酸性溶液，同時也確認透明三管溶液 中F為氫氧化鈉水溶液。接著再用E、G二管溶液 2滴分別滴入取自剩下三管紅、黃色的溶液1滴，
完全無顏色變化者（E）可判斷為水，則G為鹽 酸，更可依顏色變化判斷A、B、D三管盛裝的 指示劑與酸鹼性。
學生這樣說：「將七種溶液辨別出來的比賽 真是折磨人，到時間快結束前開始瘋狂亂混，並 在公布答案後才發現一開始的方向根本錯了！總 之，這次的實驗很充實也很家政風（煮菜）。」
若覺得七支未知溶液的難度太高，教師可稍 作提示，或以增加試管溶液量、拿掉盛裝水的 試管來使挑戰變簡單；若覺得難度應該更高，則 可以再增加紅、黃色試管溶液（各二支變成各三 支）或限制更少時間因應之。
學習單問題與討論示例
1
就好比波以耳無意間發現酸鹼指示劑，是否 曾聽過科學上因巧合、誤打誤撞等而發現科 學原理的故事？試舉例說明之。2
請問萃取紫甘藍菜汁或其他彩色植物的色素 時，除了搗爛外，還可以怎麼做快速得到色 素溶液？3
若以濾紙「過濾」出紫甘藍菜汁或其他彩色 植物的色素時，相對於傾析法而言，優、缺 點分別是什麼？4
在「化學尋寶─酸鹼篇」中，你（妳）們 解出試管內含了什麼溶液，所運用的策略和 方法為何？結語
以上為「酸鹼指示劑」相關的教學設計與實 施，約為2∼3節課的時間，這裡建議的時間僅供 參考，可依教師安排的內容增減。學生們非常喜 愛這個課程，總是沉浸在多彩的趣味中，過程中 也充分展現了科學態度與精神。
這項課程還可以和「生物科」合作呢！類似 選修生物上冊探討活動中「光合作用：光合色素 的層析分離」之設計，利用丙酮及石油醚作為展 開液，將菠菜葉萃取液經濾紙層析而分離出胡蘿 蔔素、葉黃素等光合色素。以下提出幾個想法與 淺見，若能進一步「小題大作」，也許可以符合 107課綱中強調跨科的概念：
1 相近顏色的花或果實之色素萃取物經分離後
的結果是否類似？2
除了丙酮及石油醚外，其他溶劑的組合及比 例之分離效果如何？3
還有其他合適的材質可作為色層分析術之固 定相嗎？4
能否進而知道化合物結構與顏色的關聯性？另外，本實驗所使用的藥品，除了酸鹼指示 劑（少量）外，主要是0.1 M的鹽酸和氫氧化鈉 溶液，大都取自實驗室用剩的藥品，準備上應該 不會增加太多負擔，老師們不用等到107課綱，
現在不妨就試試看，運用在目前的教學上，戲法 人人會變，巧妙各有不同，相信透過大家集思廣 益，教材內容必定能更完備。
圖片來源：
圖二∼圖五、圖七∼圖十三：謝道任老師提供
（圖二波以耳 http://web.csulb.edu/~percept/rboyle.html）
