2010年4月21日 星期三

碰撞學說與PhET

PhET裡面,有針對反應速率的模擬。該程式很適合用來講解濃度和溫度如何影響反應速率。以下是課程的片段:


在這個模擬器中,學生可以看到分子必須經過碰撞,才能發生化學反應。並且必須要是「有效碰撞」才行。

反應式是一個置換反應:AB+C -> A+BC

一開始,只放了一個AB分子和一個C分子。在空間中,花了很久的時間才撞到(還不一定發生反應)

接著把溫度提高,學生發現分子運動的速率變快了。於是這裡就可以問學生:

「運動速率變快,對反應速率增加的幫助是什麼?」

學生通常會先回答:「碰撞的頻率會增加」

然後也可能會想到「碰撞時的力量會增加」,用行話說起來,就是有效碰撞的機會增加了。

接著,在空間中各放5個AB和5個C,讓反應物的濃度都變成5倍。學生很容易可以發現碰撞的機會增加很多。另外學生還發現了在反應產生的時候,溫度會上升。於是在這邊也可以討論放熱反應與吸熱反應。

2010年4月17日 星期六

反應速率還能怎麼上?

其實上反應速率的時候,不是只能交代影響反應速率的五項因素,然後把因素分析一下就完畢了這樣。老師也可以視情況把某些部分的課程轉成科學探究課程。例如,我有一次就請學生針對某些反應速率的因素,自行設計實驗來驗證(不准用課本現成的),然後提出實驗設計、所需的器材,還有想法。

核准之後,就讓學生開始進行實驗,時間為一週。一週後,驗收實驗,寫成簡單的報告,然後上台present。我還記得有個學生,居然想要做可樂腐蝕牙齒的實驗,他拿起了自己的牙齒...那個他小時候的乳牙,把其中一顆敲碎磨一磨,分別秤重,然後丟到可樂裡面。一個禮拜之後,把溶液過濾,烤乾之後,再秤重這樣。

當然這個實驗不算是很嚴謹的,也只能得到兩組數據來做比較。嚴格來說,並不能算是什麼科學報告。不過可以讓學生去思考、設計、執行,是課程的目的。

另外一次,是利用一次營隊的時間來做進階的、關於反應速率的科學探究。主題是拿鹽酸和硫代硫酸鈉的反應,產生硫的沈澱來判讀反應速率。這在國中是一個很標準的測量反應速率的實驗,設計很精巧。因為這個反應的時間洽當,調整不同濃度的話,短可以在1秒內完成反應,長的話可以到兩三分鐘。

判讀反應速率的方式更精巧。要拿一張紙,畫一個記號,放在燒杯底下,只要水溶液的深度相同的情況下,當硫的沈澱太多,將記號遮住,就是得到差不多一樣多的硫沈澱的標記。這時候只要測量時間,則時間的倒數,就是反應速率了。


說實在,這太精巧了!精巧到我覺得裡面有很多可以讓學生學習的地方。只是從這裡學會反應速率,太可惜了。所以我就把實驗的後半段全部抽掉,讓學生去進行探究。課程的設計是這樣的:按這裡可以看到上課用的講義(這份講義的最後面是另一個實驗,和第一個課程較不相關)

一、準備適當濃度的鹽酸和硫代硫酸鈉水溶液,然後讓學生取回,在燒杯中進行反應,觀察變化。

二、觀察到變化後(沈澱、氣味等等)就開始討論,如何用這個化學反應來進行濃度與溫度對反應速率的影響。

這部份非常的難,也是這堂課的重頭戲。

三、討論出一個方法後,就實際執行看看可不可行。若不可行,回到步驟二,繼續討論。若可行則進行步驟四。

四、將實驗流程詳細寫出,並且取得適當的器材、藥品開始進行實驗。

五、蒐集數據,分析數據,討論實驗結果,寫報告。

最有趣也最有價值的部份在於第二步和第三步。有人因為察覺到實驗會產生二氧化硫,所以認為可以用集氣法蒐集氣體來看反應速率,有人認為可以測量重量的減少(因為二氧化硫產生)來看反應速率,有人想蒐集硫的沈澱(但是不知道怎樣固定時間),我們大概花了四十分鐘的時間,終於有人提到可以看燒杯的透明度,來決定反應速率。

接著就是讓他們實際依照這個辦法試做一次之後,就來設計實驗並實際執行。

執行完之後,將各組的數據蒐集起來,畫在黑板上,就可以看出一些趨勢了。

再來就是學生回家要努力把作業寫好,然後老師就可以努力的改了。作業批改的方式在這裡

以上就是把反應速率課程轉換為科學探究課程的一個方式。

反應速率基本課程

反應速率這一個小節,很適合用問問題的方式來進行。因為學生大致上對反應速率的認知是正確的,只是要將這些觀念彙整起來就可以。所以這邊可以用一個一個的問題,來把整個小節串起來。搭配上一些實驗和影片,就很完整了。

上課的講義在這裡

首先問學生,反應速率是什麼?

這部份蠻容易的,就是反應的速度。我自己的班級和我一個代課的班級,大概都容易有學生回答出來,而且其他學生也很容易就理解了。

接著就是列出一些反應速率的現象,讓學生去判讀反應速率。接著要學生寫出他判讀的理由...

例如說:在其他條件相同的情況下比較鐵、鎂和銅的氧化速率。不過在這邊,通常「其他條件相同」這件事情會先忽略不講,或者是講籠統一點。不然就破梗了。

影響反應速率的原因中,活性、催化劑、濃度都不難,反應面積的部份,學生認知程度會比較差。雖然知道砂糖和冰糖比起來,砂糖溶解速度較快,但是一般的認知會說:砂糖較細,倒不會提到反應面積的問題。所以這部份可以有多一點引導。然後在介紹反應面積的時候,可以再解釋多一點。

進行到反應面積時,就可以進行一個趣味的實驗:教具的製作看這裡



做完實驗後,來看個更離譜的實驗,由流言終結者製作的Coffee cream cannon...超變態的


接觸面積的主題結束後,就進行最後一個主題:溫度。不過這次我不舉例子,而是由學生去想想還有什麼因素會影響反應速率。有學生講出來後,再來討論有什麼例子能說明溫度的影響,也讓學生去想例子。

最後把剛剛提到的五個因素再歸納一次--結束這堂課。


相關資料連結:

碰撞學說的部份,要看下一堂課囉...

氧化還原教材

氧化還原是化學上極重要的反應類型。事實上,廣義來說,所有的化學反應可說都是氧化還原的一種。但在國中階段,比較強調狹義的氧化還原,也就是氧原子的交換。這部份的課程主要是讓學生認識這個反應,並且知道日常生活中有哪些氧化還原反應。





狹義與廣義的氧化還原反應投影片,前段是狹義的氧化還原反應,後段是廣義的...



跟氧化還原有關,很酷的影片:

1.mythbuster..鋁熱劑


2.鎂粉在乾冰裡面也可以燃燒


3.某次營隊課程,示範甘油和過錳酸鉀混合時,就會發生劇烈的氧化還原反應,甚至引起燃燒。產生紫色的火焰(鉀的燄色)
http://jjplab.blogspot.com/2008/03/blog-post_5519.html

4.硫酸、酒精和過錳酸鉀的反應

http://jjplab.blogspot.com/2008/04/blog-post_593.html

相關連結:
維基百科裡面的說法