[國高中組] 五色仙女降落
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壹、活動目標 Goal
在人們的節慶與活動中，時常可以看見五光十色的煙火，煙火秀在各地一直都是眾所期待的跨年節目之一，是象徵著迎接新年與邁向新氣象的儀式；此外，也能在春節、中秋節等節慶時，看見民眾一家團圓，一齊施放煙火或舞動著仙女棒的和樂場景；而澎湖縣政府舉辦的國際海上花火節，更是澎湖縣最具代表性的大型觀光活動。在孩子們的生活歷程中，或多或少都有施放或觀賞煙火的經驗，然而煙火色彩絢爛繽紛的色彩背後，也蘊含許多科學原理。
本活動希望能藉由焰色實驗與仙女棒DIY的活動過程，讓學生們能了解原子放射光譜的原理與焰色的關聯，更能連結焰色與觀賞煙火的生活經驗，從美好的生活經驗切入，結合科學原理的學習，促進學生學習科學的樂趣。
大概念 Big Idea
煙火的光源為金屬離子電子受熱激發至高能階
處，而後躍遷回低能階處所放射出來的光線。
核心問題(探究問題) Essential Question
觀賞用煙火中可能具有哪些金屬鹽類？
教學對象
國中生2-3年級
教學時間
90分鐘（2節課）
作者(服務單位)
劉曉倩(國立彰化高中)
謝佶霖(高雄新莊高中)
通訊作者e-mail
國立彰化高中 劉曉倩
torrina01092002@yahoo.com.tw
高雄新莊高中 謝佶霖
even8246@hchs.kh.edu.tw
貳、課程綱要對照 Course Outline
※十二年國教素養導向綱要
【自然科-學習表現 】
tr-Ⅳ-1
能將所習得的知識正確的連結到所觀察到的自然現象及實驗數據，並推論出其中的關聯，進而運用習得的知識來解釋自己論點的正確性。
ai-Ⅳ-1
動手實作解決問題或驗證自己想法，而獲得成就感。
【自然科-學習內容 】
Aa-Ⅳ-1
原子模型的發展。
Me-Ⅳ-3
空氣品質與空氣汙染的種類、來源及一般防治方法
參、活動原理 Theory
一、 原子光譜
1. 光譜即為各種不同頻率的光在底片或感光元件上呈現之譜線。
2. 1859年，德國人克希何夫（Gustav Robert Kirchhoff）和本生（Robert Wilhelm Bunsen）研究各種火焰的光譜。他們發現氣態原子受激發後僅放出特定頻率的光，光譜呈現線狀分布，該譜線各有其特定的波長(如附圖)，因此光譜可用於精密分析物質的組成成分，對於鑑定化合物的化學成分有重大意義。
二、電子躍遷與焰色
1. 原子或離子中的電子吸收特定能量的光後，可以躍遷到其他較高的能階上，而後躍遷回低能階處時，會將兩能階間的能量差以光或熱的形式放出，若以光的形式放出時，則產生光譜。
2. 各種不同的原子或離子間的能階能量差有所不同，因此所釋放出來的光波波長亦不盡相同，進而產生不同顏色的色光，也因此這些不同的色光就如同原子或離子的指紋般，可以協助我們辨別物質的成分，常見的金屬與其對應的焰色如附表。
肆、活動材料 Material
器材
小紙杯（試飲杯）7個 、酒精燈1個、不鏽鋼鑷子1個、糯米糨糊1罐、藥勺1支、藥用棉花（小球狀）2小球、回收報紙2張、咖啡攪拌匙5支、線香1包、滴管1支、紙杯3個、100mL燒杯1個、安全眼鏡1副、抹布1條
藥品
酒精500 mL 2罐、NaCl 一罐 、KCl 一罐、鎂粉一罐 、KClO3 一罐、BaCl2 1罐、SrCl2 1罐、CuSO4 1罐、KNO3 1罐
伍、活動步驟 Step
第一部分
影片引起動機：播放「台北101跨年煙火」影片，約4分21秒，再依學生的生活經驗切入主題並提問：
Q1：在影片中觀賞到的煙火具有哪些顏色？
Q2：與一般生活中常見的火光相比，為什麼煙火能有這麼多的色光？
第二部分
一、實驗一 ：酒精膏製作
1.配製飽和的醋酸鈣水溶液：取3.5克的醋酸鈣放置於燒杯中，再加入10毫升的水，攪拌使醋酸鈣溶解。
2.量取50毫升的酒精，再加入一滴食用色素（顏色不限）將酒精染色，然後將10毫升飽和的醋酸鈣水溶液倒入酒精中，不必攪拌。不到一分鐘就可看到酒精凝結為膠狀，再用刮勺取出，就完成酒精膏的製作了。
3.將酒精膏放在蒸發皿或耐熱容器上，點火燃燒，觀察火焰顏色。
4.以「異丙醇」取代酒精，依上述步驟製作成「異丙醇膏」，觀察燃燒的火焰顏色。
5.以「甲醇」取代酒精，依上述步驟製作成「甲醇膏」，觀察燃燒的火焰顏色。
【想想看】
1.是否能以形成膏狀的結果來推論這些溶劑的極性（氫鍵）的強弱？
2.改變酒精與醋酸鈣的體積比例，或是試驗醋酸鈣的濃度（非飽和水溶液），實驗能否製作出酒精膏？
3.純酒精燃燒的火焰顏色是淡藍色，酒精膏的火焰顏色為淡黃色的主要原因為何？
二、實驗二：焰色實驗
邀請一位同學上台，協助教師示範示範其中一種鹽類如何燃燒。
2. 分組發放材料(小試飲紙杯6個、甲醇與水混合液50mL（甲醇與水體積比＝7：3）、滴管1支、咖啡攪拌匙5支、藥匙1支、酒精燈1個、藥用棉花2小球。
3. 小組操作焰色實驗，觀察各金屬鹽類色光並記錄於學習單上。
(1) 各組於桌面放置5個試飲小紙杯分別盛裝五種不同鹽類（金屬離子用量為3個咖啡攪拌匙份量）。
(2) 將每個藥用棉花球撕開搓成3小球，共有6個小球放在試飲紙杯內備用。
(3) 以不鏽鋼鑷子夾起一個小棉花球沾取甲醇混合液。
(4) 再將沾有酒精的棉球放在酒精燈上燃燒，觀察甲醇燃燒的焰色。
(5) 觀察焰色完後，將燃燒的棉球放入裝水的燒杯中，火即迅速熄滅。
(6) 以不鏽鋼鑷子夾起一個小棉花球，沾取甲醇混合液後再沾取金屬鹽類，放在酒精燈上燃燒，觀察燃燒的焰色。
(7) 觀察焰色完後，將燃燒的棉球放入裝水的燒杯中，火即迅速熄滅。
(8) 重複步驟（6）、（7），將所得的結果紀錄於學習單中。
三、光譜與焰色原理介紹
以投影片介紹原子光譜的簡要發展。
連結實驗一的焰色與原子光譜的概念。
四、實驗三：仙女棒DIY
分組發放材料
小組進行仙女棒DIY
(1) 將硝酸鉀2.5克、氯酸鉀1.2克與鎂粉0.3克置於紙杯中均勻混合，當做燃燒的基底材料。
(2) 準備5杯不同的焰色鹽類粉末各4克，分別加入4克的基底材料，並小心地將各杯攪拌均勻。
(3) 將糯米糨糊塗覆在線香上，各取少許上述的5種金屬鹽類粉末撒在線香上，並用藥勺壓實。
(4) 將自製的仙女棒置於陰涼處風乾。
3. 待各組自製仙女棒完成後，由教師帶領至合適場地引燃。
若是因為實驗時間限制則以市售煙火或仙女棒取代，讓學生點燃觀察煙火原料的主要成份為何？
第三部分
原理回顧與討論：以投影片回顧今日實驗與相關原理概念，深化學生經驗與知識的連結，並以以下提問引導同學思考與關注環境議題：
Q1：觀賞用煙火中可能具有哪些金屬鹽類？
Q2：煙火施放的過程中環保嗎？
教師歸納相關議題與討論，介紹環保煙火在配方中盡可能不採用硫元素等物質，進而減少硫化物的生成。其次是減少了金屬粉的用量，使用其他替代的有機物作為可燃物，減少金屬粉燃燒後產生的懸浮微粒。再者，透過改變氧化劑和可燃物的量來控制燃燒溫度，盡可量將低高溫燃燒對環境的危害。總結在滿足觀賞美感的同時，也應重視環境保護與永續發展。
教案學習單
（待調整）
1. 將實驗一中所觀察到的現象記錄於下表中。
2. 將實驗二中所觀察到的金屬鹽類焰色記錄於下表中
3. ( )跨年時，小鎂與小鍶一同去台北101觀賞煙火秀，以下是小鎂與小鍶的對話：
小鎂：哇，今年的101跨年煙火秀實在是太美了，五光十色的煙火絢爛奪目，其中緋紅的色光象徵著新年的喜氣洋洋、明亮的黃色也帶給人充滿活力的感受而那鮮明的亮綠色也給人新鮮舒適的協調感，實在是不虛此行。
小鍶：對呀，除了這些繽紛的色光外，最單純的白光也和黑夜形成鮮明的對比，好不漂亮呀！
試根據上述兩人的對話判斷下列何者可能是該次煙火秀中所使用的著色劑？(應選4項)
(A) BaCl2 (B) SrCl2 (C) NaCl (D) KCl (E) Mg
4. ( )現今環保意識的抬頭，傳統煙火對於環境的危害不可忽視，因此環保煙火的產業亦有所發展，下列有關於環保煙火的敘述，何者錯誤？
(A)環保煙火在配方中盡可能不採用硫元素等物質，進而減少硫化物的生成。
(B)使用其他替代的有機物作為可燃物，降低燃燒後的懸浮微粒含量。
(C)現已完全不添加金屬鹽類粉末，以杜絕燃燒後所產生的微粒。
(D)透過改變氧化劑和可燃物的量來控制燃燒溫度，盡可量將低高溫燃燒對環境的危害。
參考答案
1.
2. (A)、(B)、(C)、(E)
3. (C)
實作注意事項
實驗安全事項
一 、酒精膏製作
在製作酒精膏的過程，危險性不高，但是製作完成後點火燃燒時，請注意不要引燃其他可燃物（例如桌上殘留的酒精），而且務必準備滅火器與濕抹布備用。
二、焰色實驗
焰色實驗避免學生使用金屬離子過量，造成藥品浪費。
焰色實驗時，須注意學生用火情形最好戴上安全眼鏡。
二、仙女棒DIY
自製仙女棒中，硝酸鉀與氯酸鉀粉末有燃燒的危險，故盡量以攪拌方式混合。
為防吸入粉末藥品，製作時應全程配戴口罩。
3. 自製仙女棒應於陰涼處風乾，避免放置於高溫處。
4. 點燃自製仙女棒時可以戴工地手套避免太燙。
實驗廢棄物處理
1. 燃燒後的金屬粉末屬無機廢棄物，應集中於廢棄物收集瓶處理。
教學心得
化學無所不在，在生活中隨處可見，也正因為可見，若能從這些眼見為憑的生活經驗中，讓孩子能將科學原理概念與其連結，本次透過煙火的施放連結原子光譜的概念，深入了解煙火成色的原理，並藉由焰色與DIY仙女棒的活動，讓孩子從做中學，最後再引導孩子了解傳統煙火對環境的危害，同時也能更進一步認識環保煙火盡可能兼顧環保與美觀的巧思，希望能讓孩子藉由這樣的課程設計更自發地深入研究生活中的現象，同時也在這個過程中更主動地關注生活議題。
參考資料
1. 賴亭伶、陳斾玎(2016)。微量化學實驗：製作五彩焰色試驗棒。《臺灣化學教育》，第十四期。
2. @zfang(2019)。仙女棒教學篇。http://n.sfs.tw/content/index/10992 (Jun. 6, 2022)
3. 葉名倉、劉如熹、邱智宏、周芳妃、吳明禧、陳昭錦、陳偉民(2022)。選修化學II。南一出版社。
4. 蔡明格（1999）。酒精固體燃料的製作與研究。全國中小學科展作品，高中組化學科。http://science.ntsec.edu.tw/FileAtt.ashx?id=4384
5. 中學化學示範實驗：http://blog.ncue.edu.tw/yangsp/doc/26872
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
教師準備：
闖關地點預先準備工作桌。
張貼說明海報。
準備以下材料
(1) 金屬鹽類(貼A~E標籤)
(2) 培養皿10個
(3) 酒精500 mL一罐
(4) 點火槍
(5) 闖關板數張
(6) 藥匙5支
(7) 廢棄物收集瓶1個
(8) 過關印章組1組
學生準備：
預先分組，每組4至5人。
選出小隊長，視需要時協助關主。
貳、闖關之前
闖關負責關主及學生就位。約需兩人，關主負責解說指導，副關主負責指導與通過與不通過判定。
預先集合參加同學，以小組隊伍排列。
說明關卡配置與發下小組闖關卡。
安全宣導，請學生於活動中注意安全。
叁、進入活動
關主利用說明板複習金屬焰色原理概念。
關主提醒學生本關關卡規則以及注意事項。
(1) 桌面上會有五罐未知的金屬鹽類，提供學生培養皿、酒精與點火槍等器材，在時間內，請學生辨別出這五種金屬鹽類分別為何。
(2) 闖關板上註有各金屬鹽類焰色對照表。
學生實作。關主要適時掌握時間和隨時給予指導、提醒。
實作完成後，向關主回報答案，並說明為什麼，以及觀察到的現象。
(1) A：BaCl2(焰色是淺綠色)
(2) B：SrCl2(焰色是緋紅色)
(3) C：NaCl(焰色是黃色)
(4) D：KCl(焰色是紫色)
(5) E：CuSO4(焰色是綠色)
當學生答對答案後， 關主在闖關卡上簽名或蓋通過章。
肆、活動結束
收回闖關集點卡。
請小朋友說明參加闖關的心得感想與各關卡的相關科學原理。
鼓勵學生探索更多生活中的化學知識。
預算表
預算表
每人次／每組的材料及預算（*以一組為單位）
- 小紙杯（試飲杯）1包 / $50
- 酒精燈1個 / $100
咖啡攪拌匙1包 / $50
抹布1條 / $30
藥用棉花1包 / $30
不鏽鋼鑷子1支 / $30
回收報紙 / $0
NaCl 一罐 / $150
KCl 一罐 / $250
SrCl2 1罐 / $350
CaCl2 1罐 / $200
CuSO4 1罐 / $250
打火槍 2支 / $200
闖關海報 1張 / $150
廢棄物收集瓶 / $60
總計 / 每人次(或每組) / $1900 (材料可供多組共用)
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