結晶大賽 -

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Chemistry 探究與實作分享

結晶大賽

謝道任 老師

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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前言

國立科園實中開設選修課「生活化學」已行 之有年,在施建輝老師等前輩的經驗傳承與自己 的創意融入,承先啟後維持著優良的傳統,是學 生選課時相當熱門的一門課!我將「生活化學」

的課程內容整理,作品入選102學年度全國高中 學校本位特色選修課程教學計畫及實施(普通 高級中學課務發展工作圈,2013年11月)。之後 微調了部分課程,加入更多不同的元素,再參 加教育部普通高級中學課程化學學科中心104年 度特色課程徵選(2015年6月),亦獲得不錯的 肯定。有鑑於107學年度課綱將有重大改變,選 修課的比例將大幅增加,化學等自然科學學科也 將注重「探究與實作」。但一般教學現場往往因 教師習慣、課程進度的壓力、實驗室管理人員不 足等問題,能讓學生做完課綱選編的實驗已屬可 貴,更遑論選修課,從無到有原本就不是件簡單 的事,所有課程內容必須自行設計安排,教師所 面臨的挑戰就更大了!很開心有此機會與大家分 享,哪怕是一個再簡單不過的小實驗,相信透過 一些巧思與包裝,也會激出不一樣的火花,而讓 學生充分享受到實驗帶來的學習樂趣與成就感。

高一的選修課程規劃,如表一所示,重點在 於培養基礎實驗能力與強調「做中學」的概念,

因此一開始進行「實驗室安全」、「濃度配製」

等課程,像是驗證各種有刻度的玻璃器皿之準確 度、學習利用液體酸(如鹽酸)和固體鹼(如氫 氧化鈉)配製溶液,並透過「酸鹼滴定」的方式 檢驗濃度的正確性。再來接下來幾次則安排簡單 易操作、與課程相關且饒富趣味的實驗,期能讓 學生熟悉各種器材,進而具備良好的實作能力。

再加上做實驗同時也是「競賽」,透過每次實驗 的結果分列名次並累積分數,如此一來會使學生 更加投入各項課程。本文將著重在「結晶」,說 明如何實施相關課程。

圖一:硫酸銅結晶

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結晶大賽

主要實驗內容 學習重點 備註

(一)分組、認識化學實驗室及安全 • 3人一組,填寫分組資料表

• 「找碴活動」介紹實驗室安全 (二)配藥與稀釋 • 介紹各種有刻度的玻璃器皿與如何使

用及清洗

• 透過「酸鹼滴定」檢驗濃度的正確性

確證硫酸的未知濃度

(三)結晶大賽 • 溶解度、過濾法、花形濾紙摺法 結晶重量競賽

(四)疊疊樂大賽 • 過飽和溶液 塔高競賽

(五)煉金術 • 將銅幣變金幣 金幣選美比賽

(六)波以耳的五彩溶液 • 以校園植物自製酸鹼指示劑

比色法 比對未知pH值溶液的正確性

  表一:高一特色選修課程規劃(節錄)

  圖二:學生過濾硫酸銅溶液 註:高一特色選修課程規劃一學期共16週,合計32小時。

結晶大賽開始

一. 硫酸銅結晶

原理與概念

定溫、定壓時,一定量溶劑所能溶解的溶質 達最大量,形成「飽和溶液」。而此溶解的量則 稱為該溶質在該溫、壓下的「溶解度」。於是利 用物質之溶解度對溫度變化的差異,先在較高溫 度下配製成飽和溶液,待溫度降低,溶解度也隨 之降低,多出的溶質便會慢慢析出長成晶體。

步驟說明

1. 取未飽和的硫酸銅溶液100 mL,加熱維持在 40℃,然後再加入一些硫酸銅固體。

這個步驟不是直接秤取定量的硫酸銅固體 溶於定量水配成飽和溶液,上述的方式有幾個 好處,學生可了解到:(1)未飽和溶液可再溶更 多溶質、(2)溶液中一旦有固體殘留則表示已形 成飽和溶液。另外則是可消耗掉實驗室中曾經配 好卻沒用完的硫酸銅溶液,例如:製作化學電池 時,常會配製硫酸銅溶液。至於要再加幾克硫酸 銅固體呢?端看取得之未飽和硫酸銅溶液的濃度 而定。而當最後取出硫酸銅結晶,剩下的溶液亦 可回收,留做將來進行同樣實驗時使用。

2. 徐徐蒸發掉一些水,但不使固體析出,以形 成更高濃度的硫酸銅溶液,接著趁熱過濾以 去除不溶物等雜質(圖二)。

Part 1

結晶種類:硫酸銅、氯化鈉 實驗時間:2節課

相關課程:基礎化學(一) 第一章 物質的組成 「物質的分離與純化」、實驗一 物質的分離「結晶、過濾」

特別亮點:一星期慢慢長,結晶大又漂亮

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4. 週間要求學生務必持續觀察結晶生長的情形 並詳細記錄,2~3天後萬一仍無結晶,則撕 去保鮮膜以利水分蒸發,好讓結晶順利長成

(圖五、六)。

學生常問

1. 繩結可以不塗凡士林嗎?

2. 可以不蓋保鮮膜嗎?

前者的回答是可以,但也可能因此讓硫酸銅 析出在繩子上而失去長成大結晶的機會,塗與不 塗讓學生自行決定;而後者則是提醒萬一小動物 或雜質誤入成了晶種,結晶因此不長在繩結上,

那就得不償失了!

建議硫酸銅溶液剩下70∼80 mL即可,若水 太少則可能一降溫,固體太快析出而無法長成漂 亮結晶。順帶一提,可於學習單中提問討論「花 形濾紙」(圖三)相較於國中所使用的濾紙摺法

(對摺再對摺,撕掉部分 扇形)有何優點。

3. 將製作好的棉線繩結,秤重後放入硫酸銅溶 液中,封上保鮮膜並戳破數個小孔,靜置一 週,等待析出結晶(圖四)。

繩結的製作方式:剪一段棉線,一端綁在牙 籤中心,另一端則視硫酸銅溶液多寡來決定其 長度,原則是放入時恰巧使繩結在溶液中心為最 佳。打上一個結,沾凡士林在兩指間揉開,在除 了繩結外的棉線其他地方均勻塗抹,這是因為競 賽規則是「結晶必須長在繩結上」,若析出於杯 底或其他地方皆不算數。製作好的繩結必須先秤 重,登錄在事先準備好的「增重記錄表」,如表 二所示。而為確保繩結不會掉落燒杯中導致失 敗,放置時兩端建議以膠帶固定之。待最後取出 吸乾水分後再秤重,便可一較高下。

  圖三:濾紙

  圖四:結晶中的硫酸銅溶液

  圖六:美麗的硫酸銅結晶

  圖五:長成的硫酸銅結晶,

(左)一大串、(右)一大塊 組別 結晶前,

繩結重(g)

結晶後,

總重(g) 增重(g)

第1組 第2組

  表二:增重記錄表(硫酸銅)

註:依總組數增加表格列數。

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  表二:增重記錄表(硫酸銅)

二. 氯化鈉結晶

原理與概念

參看圖七:提高溫度對於氯化鈉的溶解度影 響不大,換句話說,要用上述硫酸銅結晶的方 式得到大顆的氯化鈉結晶顯得有些困難,所以可 以採用北一女中周芳妃老師設計之「擴散養晶 法」。其原理是:水是一種極性很大的溶劑,而 乙醇的極性較水來得低,因此氯化鈉易溶於水,

但較不溶於乙醇。在較高溫度下,配製一杯飽和 的氯化鈉水溶液,利用蒸氣擴散的方式,使一些 極性較小的溶劑分子,例如:乙醇,慢慢進入到 飽和的氯化鈉水溶液中,降低整體溶劑的極性,

使得氯化鈉的溶解度也漸漸變小,於是氯化鈉晶 體就慢慢析出。利用這個方法養晶的速度很慢,

但較容易得到晶面大而整齊的離子晶體。

步驟說明

1. 配製一杯50 mL的飽和氯化鈉水溶液。

雖然提高溫度對於氯化鈉的溶解度影響不 大,但仍建議可在高溫下配製,畢竟溫度較高,

氯化鈉還是溶得多。而為避免氯化鈉晶體因降溫 就析出,故可在後面步驟完成後才移除加熱裝 置、趁熱過濾掉不溶的部分。須特別注意的是最 後盛裝飽和氯化鈉水溶液的燒杯要能放進第3步 驟的有蓋塑膠大罐子裡。

  圖七:各種物質的溶解度曲線

2. 製作一個棉線繩結,方法同前,放進飽和氯 化鈉水溶液前一樣先行秤重並登錄重量(同 表二),好進行競賽。

3. 取一有蓋塑膠大罐子,倒入10 mL藥用酒精,

將小燒杯小心地放入大罐子內,蓋緊蓋子,

使之完全密閉。將此裝置靜置至少一週等待 晶體析出(圖八)。

如圖八所示,有蓋塑膠大罐子一個20元,可 在一般雜貨商店買到。先預備好大塑膠盆,當學 生準備好飽和氯化鈉水溶液與繩結後,直接在大 塑膠盆內進行組裝,完成後便不再移動以免其他 不必要的狀況發生。不建議使用丙酮等較低極性 的溶劑,因為塑膠大罐子之材質,一般為聚丙烯

(PP),可能會溶於丙酮。

  圖八:結晶中的氯化鈉溶液

  圖九:利用擴散養晶法長出氯化鈉結晶

  圖十:美麗的氯化鈉結晶,

(左)一大串、 (右)大顆粒

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三. 硝酸鉀結晶

目的

透過這個實驗,學生自行操作可在30分鐘內 快速長出針狀的硝酸鉀結晶,並且逐漸加長變 粗,驚呼之餘,也能歸納出離子晶體之特性。

步驟說明

1. 取15 mL純水倒入100 mL燒杯中,加入6.0克 硝酸鉀固體,攪拌使其溶解,若未能完全溶 解,則加熱至40℃使其完全溶解。

參看表三:以在20℃為例,100克水可溶 31.6克硝酸鉀,因此15 mL純水應可溶4.74克,

故加入6.0克硝酸鉀固體加熱使其完全溶解,再 冷卻靜置必定能長出硝酸鉀結晶。

2. 摺一花形濾紙,趁熱過濾上述硝酸鉀溶液以 去除雜質,濾液收集至另一個乾淨的100 mL 燒杯中。

3. 靜置冷卻等待硝酸鉀結晶析出。

此需要耐心等待,學生往往因為心急而拿起 燒杯觀察,卻因此晃動整個結晶系統,提醒學生

「只可遠觀,不可褻玩焉!」若真的等不及要更快 看到結晶,可以在燒杯下墊濕紙巾或直接冰浴,但 如此一來就無法目睹慢慢析出的針狀結晶了。

注重實驗紀錄學習

設計2個實驗記錄,並節錄了一些成果,特 別是繪製硝酸鉀結晶的部分,生動而真實。學生 眼見為憑,做過就知道,對於離子晶體自然而然 就有了更深一層的體會與認識。

一. 實驗紀錄

描述硝酸鉀結晶析出的情形

(圖十一)

繪製硝酸鉀結晶

(圖十二) Part 2

結晶種類:硝酸鉀 實驗時間:1節課

相關課程:基礎化學(二) 第二章 物質的構造 與特性「離子鍵與離子晶體」

特別亮點:挑戰30分鐘內親眼目睹長出結晶

  表三:硝酸鉀對水的溶解度

註:數據來自維基百科,溶解度單位為克/100克水。

溫度(℃) 0 10 20 30 40 溶解度 13.9 21.9 31.6 45.3 61.3 溫度(℃) 60 80 90 100 –

溶解度 106 167 203 245 –

  圖十一:學生們的描述

  圖十二:學生們的畫作

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二. 學習單問題與討論示例

Part 1 學習單問題與討論

Part 2 學習單問題與討論

結語

以上是針對「結晶」這個主題,在探究與實 作上所做的教學實施與安排,感謝許多前輩的經 驗累積,整理提供給各位老師參酌運用,歡迎交 流指教。當您看到學生們的回饋:「雖然處理過 程複雜,但能得到較完整、晶面較整齊的晶體,

就如同俗諺『慢工出細活』之道理,惟有付出心 力和時間用心完成一件事,才有好的成果」、

「透過不難的實驗過程,可以清楚地看見硝酸鉀 的晶形,也可以觀察到離子晶體的一些特性,

是此次實驗最大的收穫」、「看到硝酸鉀從原 本不起眼的白色顆粒,在溶液中變成美麗的針狀 結晶,覺得很多事情都要經過一定的淬鍊才能成 功,而且化學的世界真神祕」……,就會覺得不 管課綱如何改變,相信只要教師做好準備,勇於 嘗試,教學必定能更愉快,成果更豐碩。期待下 次再來分享其他有趣的主題吧!

1 . 在上述實驗中,析出硫酸銅結晶、氯化 鈉結晶的原因分別為何?

2 . 棉線上除了繩結以外的地方,為什麼要 塗上凡士林?

3.「花形濾紙」在過濾時有何優點?

4 .欲養出更大的晶體,應注意哪些條件?

1 . 慢慢析出的硝酸鉀結晶之外觀形狀為 何?與小顆粒的硝酸鉀相比,有無異同 之處?

2 . 透過長成硝酸鉀結晶的實驗,整理歸納 離子晶體有哪些特性?

圖片來源

圖一 :shutterstock

圖二、四∼六、八∼十二 :謝道任老師提供

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