有氧無氧誰知道?
壹、活動目標 Goal
1.帶領學習者認識燃燒所需要的要素。
2.認識簡易的製氧方式與二氧化碳的製作方式。
3.觀察空氣受熱與冷卻時體積發生的變化。
大概念 Big Idea
燃燒需要那些要素?
無助燃性的氣體如何能熄滅火源?
核心問題(探究問題) Essential Question
氧氣如何影響燃燒?
教學對象
國小生5~6年級
教學時間
40分鐘/1節課
作者(服務單位)
廖啟岑(國立東華大學附設小學教師)
通訊作者e-mail
a093754@gmail.com
貳、課程綱要對照 Course Outline
tc-II-1 能簡單分辨或分類所觀察到的自然科學現象。
tm-II-1 能經由觀察自然界現象之間的關係,理解簡單的概念模型,進而與其生活經驗連結。
INe-III-2 物質的形態與性質可因燃燒、生鏽、發酵、酸鹼作用等而改變或形成新物質,這些改變有些會和溫度、水、空氣、光等有關。改變要能發生,常需要具備一些條件。
INe-III-3 燃燒是物質與氧劇烈作用的現象,燃燒必須同時具備可燃物、助燃物,並達到燃點等三個要素。
參、活動原理 Theory
1.在燒杯中燃燒的蠟燭將氧氣燃燒殆盡而熄滅時,因為火源與燒杯中的空氣冷卻,燒杯中的壓力減小,外部的大氣壓力就會將水擠壓至燒杯中。
2.因金針菇含有過氧化氫的分解酶 (Enzyme of Decomposition),可以做為催化劑將雙氧水中的氧加速釋出,可取代二氧化錳(MnO2)與碘化鉀(KI)。因金針菇較為容易取得,且二氧化錳製氧在反應過程中會產生高溫、過程較為繁複,故使用金針菇作為催化劑。
3.小蘇打與檸檬酸反應化學式如下:
3NaHCO3 + C6H8O7 → C6H5Na3O7 + 3CO2 + 3H2O
反應生成大量二氧化碳將燒杯內的空氣擠出,使線香沒有氧氣作為助燃物後熄滅。
肆、活動材料 Material
器材
燒杯、大燒杯、線香、剪刀、蠟燭、水盆、打火機、顏料、寶特瓶、塑膠管、熱熔膠槍、熱熔膠
藥品
金針菇(或其他含過氧化氫分解脢的材料)、小蘇打、檸檬酸
伍、活動步驟 Step
第一部分
將蠟燭固定於水盆底部,點燃後將燒杯蓋上,並在水盆中加入水,觀察蠟燭燃燒的情形。
發現蠟燭無法持續燃燒,蠟燭熄滅後外部的水會進入燒杯中,提問:為何會發生這種狀況。
*可在水中加入顏料便於觀察。
---
第二部分
將適量(200ml即可)金針菇剪碎置入大燒杯中(可加入些許肥皂水或沙拉脫觀察氣體產生情形),再加入雙氧水(依需求調整用量),反應發生後將點燃的線香移至燒杯口可觀察其燃燒情形。
【圖一】
【圖二】
*可請學生觸摸燒杯底部觀察催化氧氣的放熱反應。
---
第三部分
在大燒杯中置入檸檬酸飽和水溶液200ml,後加入小蘇打粉飽和水溶液(至多與檸檬酸水溶液等量即可),反應發生後將點燃的線香移至燒杯口可觀察其熄滅情形。
*可在溶液中加入酸鹼指示劑增加效果
*可請學生觸摸燒杯觀察其吸熱反應
【圖三】
【圖四】
小小救火員:使用特製的寶特瓶製作簡易滅火器,說明如下:
1.將寶特瓶側身鑽挖出一個較塑膠軟管直徑大一些的小洞,再將塑膠管插入後以熱熔膠固定與封住孔洞縫隙。(請注意瓶內塑膠管的高度避免做得太低,以防溶液反應時從管內噴出)
2.加入適量飽和檸檬酸溶液後再加入小蘇打粉,隨後將瓶口蓋上,待反應發生1、2秒後將塑膠管口對準蠟燭並輕壓寶特瓶,利用瓶內的二氧化碳將火熄滅。
【圖五】
【圖一】反應前。資料來源:自行拍攝
【圖二】反應後放入線香。資料來源:自行拍攝
【圖三】反應前。資料來源:自行拍攝
【圖四】反應後放入燃燒線香隨即熄滅。資料來源:自行拍攝
【圖五】示意圖 資料來源:自行繪製
教案學習單
(待調整)
1. 為何在燒杯中的蠟燭無法長時間燃燒? A:缺乏空氣中的助燃物-氧氣
2. 蠟燭熄滅後為何杯中水位會上升? A:空氣的熱漲冷縮導致杯外壓力大於杯中壓力
3. 為何線香置入加了金針菇與雙氧水的杯子會重新燃燒? A:金針菇中的分解脢可加速雙氧水中的氧氣釋出,提供了線香助燃物而使線香加速燃燒
4. 小蘇打與檸檬酸反應生成何種氣體? A:二氧化碳
5. 二氧化碳可以幫助撲滅火源的原理為何? A:二氧化碳不具助燃性,其濃度達到一定後可以阻隔燃燒物與氧氣的接觸
實作注意事項
實驗安全事項
有關燃燒的實驗必須提醒需在有老師或家長的指導下才可進行操作。
金針菇製氧須注意用量,可能發生線香燃燒過於劇烈的狀況。
實驗廢棄物處理
本實驗的生成物或材料皆可以大量清水稀釋後倒入水槽。
教學心得
本實驗可探討多個科學原理,例如實驗一的蠟燭燒杯實驗可延伸大氣壓力與熱脹冷縮的原理,金針菇製氧實驗可探究其他含過氧化氫酶食物與金針菇催化速率的差異,加入肥皂水或沙拉脫後產生泡泡也可延伸表面張力、氣體體積改變等主題,第三部分的二氧化碳實驗亦可加入酸鹼值的概念與其他課程做結合。
參考資料
蠟燭燃燒實驗
https://www.youtube.com/watch?v=InJAQ47-jMk
3D有趣實驗:有氧運動-氧化還原反應
http://highscope.ch.ntu.edu.tw/wordpress/?p=66736
闖關活動(十分鐘)
壹、準備活動
★教師準備:
1.大燒杯、蠟燭、水盆、顏料
2.大燒杯、金針菇、雙氧水、線香、濕毛巾。
3.檸檬酸溶液、小蘇打、寶特瓶用熱溶膠接上塑膠管、線香、濕毛巾。
以上各四組
★學生準備:
5-6人一組,並事先分配好裝填材料的同學
貳、闖關之前
設置關主5-6人一組,分為製氧組、滅火組與支援組,製氧組負責金針菇製氧實驗,滅火組負責二氧化碳滅火實驗,支援組負責替換材料,提醒小關主雙氧水一次50毫升左右即可,並預備濕毛巾。
滅火活動的寶特瓶會事先用熱溶膠接上塑膠管。
参、進入關卡
(5分鐘)1.小關主先介紹燃燒所需要的要素,並演示第一項吸水蠟燭的實驗,
以及說明注意事項
(2.5分鐘)2.製氧組:由小關主準備好200ml金針菇置於燒杯中,請闖關者加入
50c.c.雙氧水,將點燃線香移至燒杯上方觀察。
(2.5分鐘)3.滅火組:小關主將檸檬酸溶液200ml裝入寶特瓶中,請闖關
者加入200ml小蘇打,反應發生後將寶特瓶蓋緊,將塑膠管對準燃燒
中的線香輕壓寶特瓶,觀察線香熄滅情形,兩項操作完成後即可通關。
伍、闖關結束
預算表
每人次/每組的材料及預算(*以一組為單位)
項目.材料 / 數量/金額 (元)
1.金針菇/0.25台斤/$7.5
2.蠟燭/1 個/$2
3.檸檬酸(清潔用)/100g/$15
4.小蘇打(清潔用)/100g/$8
5.線香/0.5支/$0.5
6.熱熔膠/1/$3
7.空寶特瓶/1/$4
8.塑膠軟管一分半/0.5台尺/$1
9.熱熔膠槍/$0
10.大燒杯(1000毫升)/$0
11.水盆或托盤/$0
12.剪刀/$0
13.顏料/$0
總計 / 每人次(或每組)/$41
*以一組為單位