[國高中組] 化學振盪
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壹、活動目標 Goal
Ø 了解氧化還原
Ø 了解可逆反應
Ø 學生能理解氧化還原和可逆反應的作用
Ø 學生能透過實驗,增加操作及觀察的能力
大概念 Big Idea
氧化與還原反應同時存在。
動態平衡是可逆反應的特例，正向、逆向的反應速率相同。
核心問題(探究問題) Essential Question
氧化還原是可逆反應嗎?請舉例說明。
那些因素會影響可逆反應?
教學對象
國中生1-3年級、高中生1年級
教學時間
45分鐘（1節課）
作者(服務單位)
楊悠娟Yu-Chuan Yang 國立東華大學自然資源與環境學系
Leny Novita 國立東華大學教育學院國際博士班
蔡正立 蔡正立科學實驗室主持人
通訊作者e-mail
楊悠娟
ycyang@gms.ndhu.edu.tw
Leny Novita
lenynovita8@gmail.com
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-Ⅱ-1
能知道觀察、記錄所得自然現象的的結果是有其原因的，並依據習得的知識，說明自己的想法。
tc-Ⅱ-1
能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。
po-Ⅱ-1
能從日常經驗、學習活動、自然環境，進行觀察，進而能察覺問題。
pc-Ⅱ-1
能了解一個因素改變可能造成的影響，進而預測活動的大致結果。在教師或教科書的指導或說明下，能了解探究的計畫。
ai-Ⅱ-3
透過動手實作，享受以成品來表現自己構想的樂趣。
【自然科-學習內容】
Jc-Ⅳ-1
氧化與還原的狹義定義為：物質得到氧稱為 氧化反應；失去氧稱為還原反應
Jc-Ⅳ-4
生活中常見的氧化還原反應與應用
【核心素養】
自-E-A2
能運用好奇心及想像能力，從觀察、閱讀、思考所得的資訊或數據中，提出適合科學探究的問題或解釋資料，並能依據已知的科學知識、科學概念及探索科學的方法去想像可能發生的事情，以及理解科學事實會有不同的論點、證據或解釋方式。
自-E-A3
具備透過實地操作探究活動探索科學問題的能力，並能初步根據問題特性、資源的有無等因素，規劃簡單步驟，操作適合學習階段的器材儀器、科技設備及資源，進行自然科學實驗。
參、活動原理 Theory
亞甲藍（Methylene blue，簡稱MB）是一種雜環的芳香族化合物，亞甲藍為氧化還原指示劑，化學式為C16H18ClN3S，為一種有機氯鹽；常溫下為氧化態，溶於水呈深藍色溶液，在還原劑的存在下，得到兩個電子後，還原成無色的狀態（leco form）。
「藍瓶實驗」: 在強鹼溶液中，當還原劑葡萄糖存在時，亞甲藍被還原成無色的狀態（leuco form）；搖晃燒瓶時，瓶中的氧氣溶於溶液中，氧化葡萄糖，反應逆向進行，使溶液呈現藍色（color form）。
Oxidation: MBred + O2 → MBox + 2e- (1a)
Colorless Blue
Reduction: O2 + 2e- → O22- → O2- (1b)
Oxidation:
Equation 2b
3. 氧化還原反應:
(1) 生活中常見的氧化反應，例如:燃燒、呼吸、生鏽…等。常見的還原反應，例如: 光合作用。氧化及還原反應會同時發生。
(2)最初的概念: 物質與氧的結合反應稱作氧化(oxidation)；反之，若從物質移出氧的反應稱為還原(Reduction)。例如: 鎂在空氣中燃燒，就是金屬鎂被氧化。
2Mg(s) + O2(g) → 2MgO(s) (eq 1)
(3) 電子轉移(electron transfer)及氧化態(oxidation state)概念:氧化是一個分子、原子或離子，因電子的失去或氧的獲得而造成其本身的氧化態增加；反之，若因電子的獲得或氧的失去而造成其本身氧化態降低，稱作還原。例如:
(4) 氧化數(oxidation number)概念: A物質失去電子而氧化數增加就是氧化，另一物質B同時也會因得到電子使其氧化數減
少，就是還原。例如:焦碳與氧完全燃燒反應。
4. 可逆反應：
(1) 在同一條件(例如:同溫同壓、同密閉系統)下，正反應方向與逆反應方向均可同時進行的反應。例如:
水⇄水蒸氣、氯化亞鈷晶體 ⇄ 無水氯化亞鈷 + 水
(2) 可逆反應中，正反應速率等於逆反應的速率，且正、逆反應仍持續進行，也就是動態平衡。
(3) 改變平衡狀態的因素：包括濃度、溫度、壓力、pH值…等。
肆、活動材料 Material
器材
玻璃瓶(約20m L) 3個
塑膠吸管(3m L) 3支
燒杯(50或100mL) 1個
手機計時器 1個
比色表 1張
藥品
1. 蒸餾水
2. 葡萄糖溶液(2%) Glucose
3. 氫氧化鉀或氫氧化鈉溶液(2%) KOH or NaOH
4. 亞甲藍溶液(0.2%) Methylene Blue
伍、活動步驟 Step
1. 配置溶液。2% 溶液： 取2g溶質，加水溶解後，至100 mL。0.2% 溶液: 取0.2g溶質，加水溶解後，至100 mL。甲基藍溶液可溶於水或溶於酒精溶液(0.1%)。
2. 學生分組，2人1組。
3. 混合等量的葡萄糖溶液 (2%) 7.5 mL與氫氣化鉀(或氫氧化鈉)溶液7.5 mL至燒杯內，用 3mL 的吸管一吸放溶液數次，使其混合均勻。
4. 以吸管吸取混合液各5 mL，置入於3個玻璃瓶，標示1、2、3。
*步驟2-4：亦可改為下圖方式，將葡萄糖溶液 (2%) 2.5 mL與氫氣化鉀或氫氧化鈉溶液2.5 mL至玻璃瓶內，用 3mL 的吸管吸放溶液數次來混合。重複製作3瓶，標示1、2、3。
5. 在瓶 1內加 2.5 mL 葡萄糖溶液，在瓶2內加2.5 mL氫氣化鈉溶液，在瓶3內加2.5 mL 的蒸餾水。
6. 滴入亞甲藍溶液約1滴(0.05 mL)於各瓶內，溶液呈現適當的藍色。
7. 蓋緊瓶蓋後，分別搖動瓶子10次使溶液混合均勻。靜置數分鐘，觀察藍色褪去。記錄各溶液顏色由藍色逐漸褪成無色的時間、顏色變化於實驗記錄表。使用顏色表來協助終點的判讀。
8. 再用力搖動塑膠瓶10次，至溶液呈現藍色後，靜置數分鐘，記錄溶液又變成無色的時間、顏色變化於實驗記錄表。使用顏色表來協助終點的判讀。
9. 重複步驟8數次。
10.討論實驗紀錄表的數據及成因。
教案學習單
（待調整）
1. 觀察三瓶1、2、3之藍色褪去的時間，說明何者是反應物?
2. 各瓶褪色的時間是否有規律?
3. 為何溶液會變色?
4. 為何搖動溶液能讓反應再次發生?
5. 本實驗的氧化還原反應是1組反應或2組反應?
Answer:
1. 瓶1與瓶2的反應時間大於瓶3，代表反應物。因反應物增加後，反應會朝向生成物的方向進行，反應速率變快，反應時間變短。
反應物包含葡萄糖、氫氧化鉀或氫氧化鈉、亞甲藍。
2. 各瓶褪色時間遞增，因葡萄糖可能會變成酯類，為不可逆反應。當葡萄糖濃度減少時，反應時間變長。
3. 在強鹼溶液中，當還原劑葡萄糖存在時，亞甲藍被還原成無色的狀態。
4. 搖晃燒瓶時，瓶中的氧氣溶於溶液中，氧化葡萄糖，反應逆向進行，使溶液呈現藍色。
5. 本實驗的氧化還原反應是2組反應。
實作注意事項
實驗安全事項
氫氧化鈉與氫氧化鉀有腐蝕性，使用時須戴手套。實驗前先確認瓶蓋可蓋緊。搖晃前需蓋緊瓶蓋，不可太用力避免溶液噴濺。
實驗廢棄物處理
實驗後溶液回收至廢液桶。
參考資料
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
教師準備：
器材及藥品(如上述)
學習單(實驗紀錄表、想一想)
學生準備：
紙筆、手機或計時器
分組
貳、闖關之前
教師事先完成步驟1-6，準備3瓶1、2、3。
叁、進入活動
1. 學生向教師問好，教師說明規則及建立默契。
2. 教師介紹活動內容、實驗方式及安全事項(使用ppt或海報)
3. 教師事先完成步驟1-6，準備3瓶1、2、3。
4. 引導學生實作步驟7-8數次，並填寫實驗紀錄單。教師行間巡視並從旁引導。
5. 學生完成實驗後，教師請學生分享結果。
6. 教師說明實驗反應機制及總結。
肆、活動結束
教師鼓勵學生思考實驗現象與反應機制的關係，完成學習單。
預算表
預算表
每人次／每組的材料及預算（*以一組為單位）
- 玻璃瓶3個 / $33
- 塑膠吸管3支 / $5.5
藥品(氫氧化鉀或氫氧化鈉、葡萄糖、亞甲藍) / $1
無水葡萄糖500g (可實驗約2500組) / $834
亞甲藍25g (可實驗約12500組) / $695
燒杯或塑膠瓶數個 /自備
- 比色表 /自備
總計 / 每人次(或每組) / $40
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