專題研究方法與化學啟發實例 第一部份：專題研究方法 第二部份：化學實驗引導實例

第一部份：專題研究方法 一、 科學探究過程技能 二、科學探究流程模式 （一）科學探究基本技能 （二）科學探究統整技能 是一種教學設計，統合了科學過程的各種技能，使學習者增強處理問題的能力、思考判斷能力與創造能力等。

（一）科學探究基本過程技能： 將結果以數字、語言、圖表、報告等方式呈現出來，以溝通彼此的科學認知。 觀察 原始意義為「比較」，從比較性的觀察中瞭解事物間的關係。 應用時空關係 分類 進行觀察前，先對現象間的規律性存有一種假設或有根據的推論。 運用五官或各種儀器從現象中獲得資料的過程。 能指出目標的時間、空間為何，並具備一些基本時空變化概念。 根據觀察的結果，建構出的想法及解釋。 應用數字 測量 能將觀察到的事物依其特性或其他原則，辨認事物的異同點，分成不同類屬。 將觀察、分類結果用簡單的數字符號表示出來。 傳達 預測 推理

（二）科學探究統整過程技能： 控制變因 透過可操作的方法或結果等可觀察的特性，為抽象事、物所下的具體的定義。 辨認影響某變化的各種變因。 (控制變因、操縱變因、應變變因) 解釋資料 包括所有基本與統整過程的綜合能力。 將科學過程所蒐集的各種資料整理、分析、研判並加以解釋。 形成假說 利用歸納或總結的方式，對所觀察的事物提出暫時性或建議性的回答。 下操作型定義 實驗

二、科學探究的流程

第二部份：化學引導啟發實例 二氧化碳的製備與檢驗 氯酸鉀製備氧氣 電解飽和食鹽水

實驗步驟：二氧化碳的製備與檢驗 取一試管，裝入 10 mL 的澄清石灰水，通入CO2觀察其變化。待沉澱發生後持續通入CO2 ，觀察其變化。 【提示】 注意觀察澄清石灰水溶液的變化。 比較上圖之裝置及呼氣產生之CO2導入澄清石灰水中，其變化有何不同？ 取 60 g 的大理石，置入錐形瓶。

現象觀察： 【觀察結果】： 以裝置產生之CO2通入澄清石灰水，先變渾濁，渾濁度加重，而後又逐漸變澄清。 以吸管呼氣至澄清石灰水，先變渾濁，渾濁度加重，而後渾濁度減輕，但得不到澄清液。

提出問題： 為何以裝置產生的CO2最後可以得到澄清液，而以呼氣方式無法得到澄清液？ 【提示】 (3)可能有部分HCl氣體，隨著CO2氣體排出？ 呼出氣體時間久一點，觀察現象。 檢視實驗裝置，思考可能問題所在。 設計實驗，檢驗此一可能性。

提出問題： 如何分辨HCl氣體與CO2氣體？ 【提示】 溶於水之酸鹼性。 HCl溶於水含有Cl－。 學生思考後回答： (2)將CO2發生器產生之氣體通入水中，檢驗水溶液是否含有Cl－。 如何檢驗水溶液的酸鹼性。 如何檢驗Cl－存在。

設計實驗呼出氣體的CO2量太少？ 取一試管裝入 25 mL 飽和澄清石灰水，以吸管呼出氣體通入石灰水中。觀察石灰水的變化，並記錄呼出氣體的時間。 呼出氣體時間久一點，觀察現象。 【結果】：持續呼氣約 60 s ，試管溶液呈現最混濁狀態，繼續呼氣約 10 min ，溶液的混濁程度減小，但無法完全澄清。 呼氣約60 s 呼氣約10 min

【結果】：蒸餾水 pH 值6.8，呼氣10 min 後 pH 值5.7。 設計實驗呼出氣體與CO2產生器不同？ 1.取 25 mL 的蒸餾水，檢測其 pH 值。以吸管呼出氣體通入裝有 25 mL 蒸餾水的試管中，持續呼氣約10 min，檢測該試管溶液之 pH 值。 【結果】：蒸餾水 pH 值6.8，呼氣10 min 後 pH 值5.7。

設計實驗呼出氣體與CO2產生器不同？ 2.於錐形瓶置入約 60 g 的大理石，將CO2產生器產生的氣體直接通入 25 mL 的飽和澄清石灰水中，記錄讓石灰水先變混濁後再變至完全澄清所需要的 12 M 濃鹽酸的 mL 數。 【結果】：約需 5 mL 的 12 M 鹽酸。 3.將CO2產生器產生的氣體通入 25 mL 的蒸餾水中，並以步驟 2 記錄所需之 12 M 鹽酸相同體積加入錐形瓶內，使反應完成後測其 pH 值。 【結果】：測得 pH 值為3.9。

設計實驗是否有HCl氣體伴隨CO2排出 1.於錐形瓶置入約 60 g 的大理石，滴入 5 mL 12M 濃鹽酸，以排水集氣法收集氣體，量測收集到氣體體積。 【結果】：收集到氣體約 700 mL。 2.於另一錐形瓶置入約 60 g 的大理石，將CO2產生器產生的氣體先通過4支水洗試管(內裝 50 mL 的蒸餾水)，再通過裝有25 mL 飽和澄清石灰水的試管中。觀察石灰水先變混濁再變為完全澄清，記錄所使用 12 M 濃鹽酸的 mL 數。 【結果】：加入 12 M 濃鹽酸 5 mL 後，石灰水並未完全變澄清，繼續加入至約 10 mL 才變為澄清。

設計實驗是否有HCl氣體伴隨CO2排出 3.以 pH 計檢驗 4支水洗試管溶液的酸鹼性。 【結果】：以 pH 計檢測 4支水洗試管溶液的 pH 值依序為3.2、4.7、4.9、5.0。 4.取出的 4支水洗試管內的水約 2 mL，以 0.1 M 硝酸銀水溶液檢驗是否產生白色沉澱。 【結果】：第 1支水洗試管內的溶液以硝酸銀水溶液檢驗呈現白色混濁，第 2~4支水洗試管內的溶液則無白色混濁發生。

討論： 1.比較呼氣 10 min 至 25 mL 蒸餾水與滴入 5 mL 12M濃鹽酸於大理石中所產生的氣體通入 25 mL蒸餾水測得的 pH 值。 前者 pH 值為 5.7 與飽和CO2水溶液的 pH 值 5.6 相近；後者 pH 值為 3.9。 顯示產生的氣體中可能含有溶於水後產生較大酸性的氣體。

討論： 2.以硝酸銀檢驗水洗試管中的水溶液，第 1支水洗試管中的水溶液有白色沉澱產生，第 2~4支水洗試管無白色沉澱產生。 推測其可能性如下： (1)測得白色沉澱表示其中可能含有Cl－，可能為HCl氣體溶於水中所產生。 (2)第 1支水洗試管已吸收大部分的HCl氣體，第 2~4支水洗試管只吸收少量，故觀察不到白色沉澱發生。 ※上述推測可由 4支水洗試管水溶液所測得的 pH 值分別為3.2、4.7、4.9、5.0得到證實。 第 1 支測得的 pH 值較第 2~4 支小很多，而 2~4 支試管所測得的 pH 值差異不大，但仍小於飽和CO2水溶液的 pH 值 5.6。

討論： 3.以5 mL 12M 濃鹽酸與大理石反應產生的氣體通過 4支水洗試管水洗後再通入相同量的澄清石灰水中，觀察得到石灰水先變渾濁，而後渾濁度減輕，但得不到澄清液。與直接呼氣到澄清石灰水的現象相同。若要使其變為完全澄清需加入10 mL 左右的濃鹽酸。 推測其可能性如下： 澄清石灰水先變渾濁，而後渾濁度減輕，但得不到澄清液。是因為通入過量的CO2並無法使其完全變澄清，只能使混濁度減輕。若變為完全澄清，可能有一部分的HCl進入澄清石灰水的試管中發生下列反應： Ca(OH)2 ＋ 2 H＋ → Ca2＋ ＋ 2 H2O CaCO3 ＋ 2 H＋ → Ca2＋ ＋ CO2 ＋ H2O 由加入 10 mL 濃鹽酸後，得到完全澄清，並測得 4支水洗試管pH 值分別為3.2、4.7、4.9、5.0，其已小於飽和CO2水溶液的pH 值 5.6 得到證實。

結論： 本實驗中，不經水洗CO2中所含明顯量的HCl，可用廣用試紙或 pH 計檢試其 pH 值。且在水洗試管中的溶液中檢驗出Cl－。 這個事實表明，以化學方法製備氣體，必須注意產生的氣體含有雜質的可能性，並思考如何處理以去除雜質對實驗結果的影響。

若改用其他的酸與大理石反應，會有什麼結果？ 進一步的問題： 若以未飽和的澄清石灰水來進行CO2的檢驗，會有什麼結果？ 若改用其他的酸與大理石反應，會有什麼結果？ 其他氣體的製備方法？在製備過程中如何操作才能得到較純的氣體？

※不可研磨KClO3、MnO2混合物，以避免產生爆炸。 實驗步驟：氯酸鉀製備氧氣 1.取兩張稱量紙，分別稱取KClO3約 10g及MnO2約3g。混合KClO3、MnO2，以交互提起稱量紙的對角的兩端使藥品混合均勻，倒入乾燥的硬質試管中。 ※不可研磨KClO3、MnO2混合物，以避免產生爆炸。 2.將三個廣口集氣瓶裝滿水，倒置於水槽中。連結硬質試管、橡皮管與集氣瓶，如圖。裝置應注意避免漏氣，欲加熱的硬質試管管須向下傾斜約10°角。 ※試管管口向下傾斜10°，因台灣濕度較高，所取用的化合物含有水分，一加熱水分即揮發冷凝於管壁，若向上傾斜，則水滴流回加熱管，易造成試管爆裂。

實驗步驟：氯酸鉀製備氧氣 3.以酒精燈或本生燈在置有混合KClO3、MnO2的粉末的一端來回移動，均勻加熱。觀察所發生的現象，最初約1/3瓶的氣體捨棄不收集。等氣體滿瓶時，即以玻璃片覆蓋瓶口，自水槽取出放置桌上。收集3瓶氣體，以備檢驗其性質。 ※欲停止加熱時，先將導管由水中移走再移去燈火，以免水倒吸流入試管裡。

現象觀察： 【老師提示】： 聞看看製備出來的氣體有無氣味。 【學生觀察】： 製備出來的氣體有一股異常的氣味。

提出問題： 以MnO2催化KClO3熱分解製備O2，收集到的氣體為什麼會有異常氣味？ 【提示】O2為無色無味的氣體。 學生思考後回答： 所製備的氧氣不純？可能含有帶有異味雜質氣體。 除產生O2外，有其他氣體產生。

提出問題： 如何確認製備的氣體中除了O2還存在其他氣體？ 【提示】O2難溶於水，且為無色無味的氣體。 學生思考後回答： (1)由產生的異味，判斷其可能含有其他氣體。 如何進一步確定？ (2)將產生的氣體通入水中，檢驗其酸鹼性。 設計實驗，檢驗其水溶液酸鹼性。 (3)由氣體的氧化性比較。 設計實驗，比較氣體的氧化性。

設計實驗產生氣體通入水中之酸鹼性檢驗 取 5 g 的KClO3、 1.5 g 的MnO2均勻混合後加熱，將熱分解產生之氣體導入 25 mL 的蒸餾水中，以pH 計檢測其酸鹼性。並取 2 mL 以 0.1 M AgNO3溶液，檢驗是否產生白色沉澱。 【結果】： 測得 pH 值 4.1。以AgNO3溶液，檢驗產生白色沉澱。

設計實驗產生氣體氧化力之檢驗 取 5 g 的KClO3、 1.5 g 的MnO2均勻混合後加熱，將熱分解產生之氣體通過潮濕的KI-澱粉試紙，觀察其變化。 【結果】： 潮濕的KI-澱粉試紙，通入產生氣體後呈藍色。

設計實驗 產生氣體氧化力之檢驗 取5g的KClO3及1.5g的MnO2均勻混合後加熱，將熱分解產生的氣體通過3支裝有50mL KI-澱粉溶液試管後再導入25mL的蒸餾水中。觀察其變化，並嗅聞產生之氣體的氣味。檢測氣體通入蒸餾水後的pH值，並取2mL以0.1M AgNO3溶液，檢驗是否產生白色沉澱。 ※KI-澱粉溶液：取1克KI加入0.5%澱粉水溶液200mL。 【結果】： 第1支KI-澱粉溶液呈深藍色，第2、3支顏色沒有變化。 經KI-澱粉溶液處理後產生的氣體沒有味道。 以pH計檢測氣體通入蒸餾水後的pH值為6.8。 以 AgNO3溶液，無白色沉澱產生。

討論： 1.以MnO2催化KClO3熱分解產生之氣體導入水中，使水溶液呈酸性。表示產生的氣體除O2外，尚有會溶於水或與水發生反應使水溶液呈酸性之氣體。 2.取氣體導入水中之水溶液2mL，滴入0.1M AgNO3溶液，產生白色沉澱。表示氣體溶於水中可產生Cl－。 3.將MnO2催化KClO3熱分解產生的氣體通過潮濕的KI-澱粉試紙，試紙變為藍色。表示產生氣體中含有可氧化I－，使其變為I2的氣體。 4.將氣體通過KI-澱粉溶液，使會氧化I－的氣體作用後，所得到的氣體沒有異味。表示可以此方法製得較純的O2。

結論： 以MnO2催化KClO3熱分解產生之氣體除了O2外，尚含有溶於可產生Cl－，使水溶液呈酸性的氣體，該氣體可氧化I－，使KI-澱粉指示劑變為藍色。可藉由氣體通過KI-澱粉溶液去除該異味氣體，得到較純的O2。 ※以MnO2催化KClO3熱分解是極為完全的反應。實驗事實表明，極為完全反應中尚有副反應。副反應是化學反應的一個普遍特點，一般書上給的是某化學作用的主要反應式，而不是全部反應式。

進一步的問題： 有什麼方法可製備較純的氧氣。  改變催化劑 有無其他方法可去除該異味？ 活性碳去除異味 如何確認產生的臭味的氣體？

實驗步驟：電解飽和食鹽水 1.電解裝置如圖，在兩小燒杯中裝入飽和食鹽水約 25 mL。取一小段濾紙作成小紙捲跨置兩燒杯間，以連接兩燒杯溶液如同鹽橋構成通路。 2.以迴紋針當電極，取夾有電極的鱷魚夾(紅色)連接電池的正極，另一電極以鱷魚夾(黑色)夾住，連接電池的負極。接通電源後，將兩支電極輕插於電解溶液中，開始電解。 3.觀察兩電極有何現象發生，將所觀察到的結果記錄下來。將鼻子移近電解液，輕輕嗅聞有何氣味。電解約一分鐘後，卸下電極與電池。電解後，用石蕊試紙檢驗陽極端(正極)溶液與陰極端(負極)溶液，判斷其酸鹼性。 4.改以鉛筆芯為電極，重複實驗步驟。

現象觀察： 【老師提示】： 注意電極附近產生現象。 電解一段時間後燒杯溶液之酸鹼性。 【學生觀察】： 電極附近產生氣泡。  哪些電極產生氣泡？  產生的氣體有無氣味？

現象觀察： 迴紋針當電極： 【陽極】：無氣泡產生。 【陰極】：有氣泡產生，無臭味。 鉛筆芯當電極： 【陽極】：有氣泡產生，有臭味。 【陰極】：有氣泡產生，無臭味。

現象觀察： 電解1分鐘後以石蕊試紙檢驗溶液之酸鹼性： 迴紋針當電極： 【陽極】：藍色石蕊試不變色。 【陰極】：紅色石蕊試紙呈藍色。 鉛筆芯當電極： 【陽極】：藍色石蕊試呈紅色。 【陰極】：紅色石蕊試紙呈藍色。

以石蕊試紙檢驗；以 pH 計檢驗其 pH 值。 提出問題： 為什麼會產生氣泡？產生的氣泡為何種氣體？ 嗅聞產生的氣泡有無氣味。 如何檢驗。 電解一段時間後溶液的酸鹼性為什麼會改變？ 以石蕊試紙檢驗；以 pH 計檢驗其 pH 值。 不同電極的觀察結果有何不同？為什麼？ 電極是否參與反應。 不同濃度的NaCl(aq)電解的結果會一樣嗎？ 以不同濃度重複實驗操作觀察。

設計實驗 以迴紋針及鉛筆芯為電極電解飽和食鹽水所得陽極溶液產物的差異。 以迴紋針及鉛筆芯當電極電解飽和食鹽水約15分鐘後，以 pH 計檢測電解後陽極及陰極水溶液之 pH 值。 迴紋針當電極： 【陽極】：pH 值 5.7。 【陰極】：pH 值 10.1。 鉛筆芯當電極： 【陽極】：pH 值 3.1。 【陰極】：pH 值 9.8。

設計實驗 2.將以迴紋針、鉛筆芯為電極電解後之陽極溶液，分別滴入數滴0.1M的氫氧化鈉溶液，觀察其結果。 【結果】： 左管為以迴紋針為電極的陽極溶液；右管為以鉛筆芯為電極的陽極溶液。 剛加入氫氧化鈉 加入氫氧化鈉後靜置一段時間 以迴紋針為電極電解後的陽極溶液加入0.1M的NaOH產生淡綠色沉澱。靜置一段時間後，呈現褐色沉澱。 以鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液加入0.1M的NaOH無沉澱發生。

設計實驗 3.將以迴紋針、鉛筆芯為電極電解後之陽極溶液，分別加入0.1M黃血鹽溶液，觀察其變化。 【結果】： 【左試管】： 迴紋針為電極電解後的陽極溶液。 【右試管】： 鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液 以迴紋針為電極電解後的陽極溶液加入0.1M黃血鹽溶液，產生藍色沉澱。 以鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液加入0.1M黃血鹽溶液，無沉澱發生。

設計實驗 4.將以迴紋針、鉛筆芯為電極電解後之陽極溶液，分別加入0.1M赤血鹽溶液，觀察其變化。 【結果】： 【左試管】： 迴紋針為電極電解後的陽極溶液。 【右試管】： 鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液 以迴紋針為電極電解後的陽極溶液加入0.1M赤血鹽溶液，產生藍色沉澱。 以鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液加入0.1M赤血鹽溶液，無沉澱發生。

設計實驗 5.將以迴紋針、鉛筆芯為電極電解後之陽極溶液，分別加入0.1M硫氰化鉀溶液，觀察其變化。 【結果】： 【左試管】： 迴紋針為電極電解後的陽極溶液。 【右試管】： 鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液 以迴紋針為電極電解後的陽極溶液加入0.1M硫氰化鉀溶液，溶液未呈血紅色。 以鉛筆芯為電極電解後的陽極溶液加入0.1M硫氰化鉀溶液，溶液未呈血紅色。

迴紋針為電極電解後的陽極溶液依序加入下列溶液的結果： 討論： 迴紋針為電極電解後的陽極溶液依序加入下列溶液的結果： 由左至右依序滴入： (1)黃血鹽溶液 (2)赤血鹽溶液 (3)硫氰化鉀溶液 (4)氫氧化鈉溶液 1.由測量電解後溶液之 pH 值比較，發現以迴紋針及鉛筆芯為電極電解後之陰極溶液的 pH 值差異不大，但陽極溶液的 pH 值差異甚多。且以迴紋針為電極的陽極並無氣體產生。 推測其反應與以鉛筆芯為電極的陽極所發生的反應不同。

討論： 2.取以迴紋針電解一段時間後之陽極溶液，加入氫氧化鈉溶液產生淡綠色沉澱，靜置一段時間後淡綠色沉澱轉為褐色。取陽極溶液加入硫氰化鉀溶液並未產生血紅色溶液。 推測以迴紋針電解一段時間後之陽極溶液內含有亞鐵離子。加入氫氧化鈉溶液，沉澱由淡綠色轉為褐色，推測其先產生氫氧化亞鐵，再轉為氫氧化鐵或氧化鐵的水合物。

討論： 3.取以迴紋針電解一段時間後之陽極溶液，分別加入黃血鹽及赤血鹽溶液，均產生藍色沉澱。比較所產生的量的多寡，加入赤血鹽溶液所產生的藍色沉澱較加入黃血鹽溶液為多。 推測加入黃血鹽溶液產生藍色沉澱的結果可能為部分的亞鐵離子在加入黃血鹽溶液後被氧化成鐵離子而與黃血鹽形成普魯士藍的藍色沉澱。

結論： 電解飽和氯化鈉水溶液，若以迴紋針為電極將無法得到氯氣。取而代之得到的是鐵被氧化成亞鐵離子的反應。

進一步的問題： 電解產生的氣體如何收集檢驗？ 改變電極會有什麼結果？ 例如：Cu、Ag、Pt、Au等。 改變電解質會有什麼結果？ 例如：NaBr、NaI、KCl、HCl、H2SO4等。 電解不同濃度的氯化鈉水溶液會有什麼結果？