課綱實驗與綠色化學

104 年綠色化學教育種子教師培訓課程研習營 課綱實驗與綠色化學 國立臺灣師範大學 葉名倉教授 2015 年 9 月 24 日

三 物質的構造與功能 1. 物質的分離與鑑定 CCa-Ⅴc-1 混合物的分離過程與純化方法, 包括蒸餾 萃取 色層分析 硬水軟化 海水純化等 CCa- Ⅴ c-2 化合物特性的鑑定 1.1 墨水蒸餾可分離墨水中的色素與水 1.2 以丙酮可以萃取花或葉中的色素 1.3 以色層分析分離花或葉萃取液中的色 素 1.4 硬水及影響 軟化硬水的方法 1.5 實驗 : 墨水的色層分析 2.1 利用化合物的熔或沸點 揮發性和導電性等特性, 可以鑑別化合物的種類 2.2 分子化合物 ( 有機化合物 ) 與離子化合物 ( 無機化合物 ) 的性質差異 主題次主題實驗參考資料 一 物質的構造與功能 物質的分離與鑑定 墨水的色層分析 現行版本

2. 水溶液 中的變 化 CJb-Ⅴc-1 溶液的種類與特性 CJb-Ⅴc-2 物質在水中溶解的程度會受到水溫的影響 ( 定量 ) CJb-Ⅴc-3 體積莫耳濃度的表示法 1.1 溶液依溶質大小分為真溶液 膠體溶液和懸浮液 1.2 膠體溶液的特性 ( 僅說明廷得耳效應 ) 2.1 說明溶解度與溫度的定量關係 2.2 實驗 : 溶解度的測定 圖形與數據 結晶 2.3 不涉及再結晶及實驗 2.4 不涉及含結晶水的溶質 3. 體積莫耳濃度的表示法包含溶液的配製 稀釋與混合 1. 水溶液中的變化 溶解度的測定 教育部替代實驗 : 氯化鉀的溶解與結晶 Beyond benign: 硫酸鎂水合物的溶解實驗

9. 物質的溶解與結晶 減量減廢 : 測量溶解度實驗, 一組實驗原需使用硝酸鉀約 20g, 經實驗設計一組實驗需使用氯化鉀約 17g 危害物質替代 : 原使用強氧化劑硝酸鉀, 現改用氯化鉀 實驗安全 : 測量溶解度實驗, 隔水加熱需操作至約 80, 經藥品替換後, 隔水加熱需操作至約 60,

3. 氧化與 還原反應 CJc-Ⅴc-1 氧化還原的廣義定義為 : 物質失去電子稱為氧化反應 ; 得到電子稱為還原反應 CJc-Ⅴc-2 氧化劑與還原劑的定義及常見氧化劑與還原劑 CJc-Ⅴc-3 乾電池 鹼性電池 鋰電池 鉛蓄電池和燃料電池為生活中重要的電池 1.1 以日常生活實例介紹氧化還原反應的定義 1.2 不涉及包含氧化數的計算及氧化還原反應的平衡 2.1 可還原其他物質, 本身發生氧化反應的物質稱為還原劑 ; 反之則為稱為氧化劑 2.2 常見的氧化劑 : 如氧氣 臭氧 雙氧水 次氯酸和氯氣等 2.3 常見的還原劑 : 焦煤和二氧化硫 2.4 食品或藥物中常見的還原劑 ( 抗氧化劑 ): 胡蘿蔔素 維生素 C 和維生素 E 3.1 以常見電池說明電池中的氧化還原反應及其應用 3.2 實驗 : 簡易化學電池組 2. 氧化與還原反應 簡易化學電池組 教育部替代實驗 : 化學電池 鋅銅電池 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 微型電化學電池與電 解實驗可行性評估

大甲高中林宸緯 孫妤瑄廖旭茂 微型電化學電池與電 解實驗可行性評估 2. 化學電池減量減廢 : 所有試劑體積減少為原實驗的 0.1 倍, 且此試劑可以保存重覆使用 作品名稱 : 微型電 化學電池與電解實驗可行性評估 3. 鋅銅電池減量減廢 : 所有試劑體積減少為原實驗的 0.1 倍, 且此試劑可以保存重覆使用 ( 替代實驗 )

Mg-Cu 1.88 V 現行課綱中電化學電池

酸鹼反 應 CJd-Ⅴc-1 水可自解離產生 H + 與 OH -, 且定溫下, [H + ] 和 [OH - ] 的乘積為一定值, 稱為離子積常數 CJd-Ⅴc-2 根據阿瑞尼斯的酸鹼學說, 物質溶於水中, 可解離出 H + 為酸 ; 可解離出 OH - 為鹼 CJd-Ⅴc-3 ph=-log[h + ], 此數值可代表水溶液的酸鹼程度 CJd-Ⅴc-4 在水溶液中可幾乎 100% 解離的酸 ( 或鹼 ), 稱為強酸 ( 或強鹼 ); 反之則稱為弱酸 ( 或弱鹼 ) 1. 水的解離反應 25 時,[H + ] 和 [OH - ] 的乘積為一定值, 稱為離子積常數 (K w ), 且 K w =1.00 x 10-14 2. 阿瑞尼斯的酸鹼學說 3.1 簡介 ph 值的定義, 不涉及複雜計算 3.2 實驗 : 酸鹼指示劑 4. 電解質依解離程度大小, 可分為強電解質與弱電解質, 並以常見的強酸 弱酸及強鹼 弱鹼各數例, 說明其解離程度之差異 3. 酸鹼反應 酸鹼指示劑 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 觀察離子移動情 形 --- 以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗

蘭陽女中張又方 吳心文簡森乙 探討果膠最佳製作方法與 對重金屬除汙能力 高中職綠色化學 ( 減毒減量 ) 創意競賽 觀察離子移動情形 - 以紫色高麗菜為指示劑改良電解水實驗

研究過程與方法 - - - 原本實驗作法 5. 將其放置常溫待其凝固 6. 用刮勺將果凍從試管取出 7. 將碳棒插入兩端 8. 進行電解, 待其顏色變化即完成

實驗一 2. 滴 5 滴紫色高麗菜汁到各酸鹼溶液中 ph 值 製成方法 ph=1 ph=4 ph=10 ph=13 加熱萃取法 榨汁法

本實驗可替代與改良的實驗 可改良實驗原本藥品替代藥品優勢 電解水 NaOH 酸鹼指示劑 KNO3 紫色高麗菜 可以觀察離子移動情形 電解碘化鉀 U 型管酸鹼指示劑 直線果凍紫色高麗菜 將 U 型管改成直線果凍, 在負極可觀察到顏色變化

化學反應 速率與平 衡 CJe-Ⅴc-1 定溫時, 飽和溶液的溶質溶解度為定值, 其溶質溶解和結晶達到平衡 CJe-Ⅴc-2 定溫時, 水的游離速率會等於結合速率, 稱為游離平衡 CJe-Ⅴc-3 不同尺度的物質對反應速率之影響 1. 溶解平衡與 溶液的種類與特性 部分合併說明 2. 水的游離平衡與 水的自解離 部分合併說明 3.1 不同尺度的物質對反應速率之影響與 化學在先進科技發展的應用 部分合併說明 3.2 不同尺度物質對反應速率之影響的教學策略, 可參考自然科學核心素養教學與評量示例 : 化學反應速率與平衡 操作探究 - 量化篇 秒錶反應 平衡的移動 ( 勒沙特列原理 ) 教育部替代實驗 : 平衡常數與勒沙特列原理 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 利用氯化亞鈷取代二氧化 氮與鉻酸根的化學平衡實驗 勒沙特列原理與平衡移動

明道中學賴景泓 鄭如芳蔡玟錦 利用氯化亞鈷取代二氧化氮與鉻酸根的化學平衡實驗 陳志文興國高中 http://203.68.27.10/channels/296/episodes/395?l ocale=zh_cn&video=original

CAb-Ⅴa-1 化學鍵的特性會影響物質的性質 CAb-Ⅴa-2 不同的官能基會影響有機化合物的性質 CAb-Ⅴa-3 液晶的形態與性質 CAb-Ⅴa-4 週期表中的分類 CAb-Ⅴa-5 從物質的組成與性質將其作適當分類, 並建立各種物質的分類規則 1. 舉例說明離子晶體 金屬晶體及分子化合物其化學鍵分別為離子鍵 金屬鍵及共價鍵, 因為鍵結方式不同, 這三類物質的性質也不同 2. 介紹網狀固體及其性質 2.1 介紹各種烴 醇 醚 醛 酮 酸 酯 胺與醯胺的官能基, 及其特性, 不涉及化學反應 2.2 實驗 : 以電腦模擬或實體模型觀察有機分子的結構 2.3 演示實驗 : 有機化合物的一般性質 ( 揮發性 溶解度等 ) 3. 介紹液晶的特性及其應用, 僅說明三相以外的型態, 不涉及複雜結構及原理 4. 由元素在週期表中之位置, 加以分類 5.1 純物質 ( 元素與化合物 ) 混合物 5.2 金屬 非金屬和類金屬 5.3 有機化合物與無機化合物 一 物質的組成與特性 物質的形態 性質與分類 有機化合物的一般性質 教育部替代實驗 : 有機物質的一般物性

10. 有機物質的一般 物性 減量減廢 : 部分實驗操作須使用有機化合物 1 ml, 設計實驗觀察方法, 可降低使用有機化合物以 滴 數 操作 實驗安全 : 建議選用低毒性有機化合物乙醇 丙酮 乙酸乙酯 正己烷, 省略使用丙醛 乙酸 甲苯藥品, 且不影響學生實驗結果的觀察與歸納

1. 能量 的形態 與轉換 CBa-Ⅴa-1 化學能與其它形式能量之間的轉換, 例如 : 電池是化學能轉 變成電能 CBa-Ⅴa-2 影響反應熱的因素包括 : 溫度 壓力 反應物的量和狀態 CBa-Ⅴa-3 反應熱的加成性遵守赫斯定律 CBa-Ⅴa-4 常見的反應熱種類包括莫耳燃燒熱和莫耳生成熱 1. 介紹電池中的能量變化是由化學能轉變成電能 ; 電解電池中的能量變化是由電能轉變成化學能 2.1 介紹標準反應熱的意義, 並說明溫度 壓力 反應物的量和狀態會影響反應熱的值 反應物的量及狀態如何影響反應熱, 可以實例說明 2.2 實驗 : 測量強酸強鹼之中和熱及硝酸鉀溶於水之熱量變化 3. 利用赫斯定律, 由已知的熱反應方程式求出未知反應的反應熱 4. 說明莫耳燃燒熱和莫耳生成熱的定義 二 能量的形態與流動能量的形態與轉換測量反應熱教育部替代實驗 : 反應熱的測量

11. 反應熱的測量減量減廢 : 使用強酸強鹼濃度 1 M 100 ml, 降至使用強酸強鹼濃度 0.5 M 10 ml 危害物質替代 : 原使用強氧化劑硝酸鉀, 現改用硝酸銨 實驗安全 : 使用強酸強鹼濃度由 1 M 降低至 0.5 M

1. 物質 的分離 與鑑定 CCa-Ⅴa-1 混合物之純化方法與儀器操作原理 CCa-Ⅴa-2 常見物質的鑑定方法與原理 1.1 介紹分離及純化物質之方法, 包括過濾 蒸餾 傾析 萃取與層析等 1.2 實驗 : 硝酸鉀的再結晶 2.1 介紹物質的溶解度 密度 熔點及沸點等物理特性, 可作為鑑定純物質種類的依據 2.2 說明物質與其它物質發生化學反應時所展現的特性, 可以作為鑑定純物質種類的依據 1. 物質的分離與鑑定 硝酸鉀的再結晶教育部替代實驗 : 氯化鉀的溶解與結晶

2.2 說明亨利定律及其適用範圍 3.1 離子之沈澱 分離與確認可與 溶解度平衡與溶度積的關係 章節合併說明 3.2 以常見化合物的溶解情形歸納說明離子化合物的溶解規則 3.3 說明如何利用不同鹽類的溶解度差異, 將數種鹽類以逐次沉澱的方式, 加以分離及確認 3.4 離子之沈澱 分離與確認的教學策略, 可參考自然科學核心素養教學與評量示例 : 物質物質分離與鑑定 操作探究 - 定性篇 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 溶解度法則實驗之減量

師大附中王威傑 周秉滽廖靜宜溶解度法則實 驗之減量

.1 說明水的相變化 蒸氣壓與相對溼度 4.2 以實驗和粒子模型說明拉午耳定律 4.3 演示實驗 : 理想溶液與非理想溶液的差異 5.1 電解質與非電解質之非揮發性物質溶於水後, 沸點 熔點和滲透壓的變化 實驗 : 凝固點下降的測定現行版本

CJc-Ⅴa-1 常見氧化劑 還原劑的半反應式 CJc-Ⅴa-2 氧化數的規則及應用 CJc-Ⅴa-3 氧化還原反應與均衡 1. 以半反應式說明氧化還原反應 2. 說明氧化數的定義與判斷規則 3.1 以氧化數的變化, 介紹常見的氧化還原反應式 3.2 由自發反應的方向, 判斷氧化劑與還原劑的強弱 CJc-Ⅴa-4 氧化還原滴定原理與 4.1 實驗 : 氧化還原滴定定量分析 4.2 說明氧化還原滴定的原理, 並可由藉此分析未知物的濃度或含量 4.3 實驗 : 氧化還原滴定 CJc-Ⅴa-5 電化電池的原理 5. 以伏打電池和鋅銅電池為例, 說明電化電池的原理和表示方法 CJc-Ⅴa-6 標準還原電位與電化 6.1 電池半反應式與標準還原電位的訂定電池的電動勢 6.2 由標準還原電位計算電池電壓, 不涉及以涅斯特方程式計算電池電壓 CJc-Ⅴa-7 常見電池的原理與設計 7. 得以反應式說明日常生活中常見的電池, 不涉及定量計算 CJc-Ⅴa-8 電解與電鍍的原理 8.1 法拉第電解定律與其應用 8.2 實驗 : 電解電鍍和非電解電鍍 四 物質的反應 平衡與製造 1. 水溶液中的變化凝固點下降的測定 2. 氧化與還原反應 氧化還原滴定 電解電鍍和非電解電鍍 教育部替代實驗 : 氧化還原之滴定綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 魔術變變變 碘的氧化還原滴定實驗 教育部替代實驗 : 簡單電解實驗 3. 酸鹼反應 酸鹼滴定 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 驀然回首, 綠肥卻在廢液暫存處

明道中學陳鈺珊 呂芝儀蔡玟錦魔術變變變 碘的氧化還原 滴定實驗 本次實驗設計利用麵條作為指示劑, 藉由已知濃度含碘的碘化鉀水溶液滴定未知濃度的硫代硫酸鈉水溶液, 當達到滴定終點時, 麵條會由米色轉變為紫色, 即可計算未知濃度硫代硫酸鈉的體積莫耳濃度

CJd-Ⅴa-1 酸和鹼的命名 CJd-Ⅴa-2 布 - 洛酸鹼學說 CJd-Ⅴa-3 弱酸或弱鹼的游離常數 : 酸鹼的 K a K b CJd-Ⅴa-4 酸鹼指示劑的原理與應用 CJd-Ⅴa-5 酸鹼滴定原理與定量分析 CJd-Ⅴa-6 鹽的種類與性質 CJd-Ⅴa-7 同離子效應與緩衝溶液的定義 製備與功用 1. 酸與鹼的命名原則 2. 布 - 洛酸鹼學說, 並說明共軛酸鹼對的概念 由反應的趨勢, 比較方程式兩側酸 ( 鹼 ) 的強弱 3. 弱酸 ( 鹼 ) 的解離反應式方程式之平衡常數, 及其與酸 ( 鹼 ) 的強弱之關係 4. 酸鹼指示劑之選擇與應用 5.1 酸鹼滴定之原理 計算和滴定曲線之意義 5.2 實驗 : 酸鹼滴定 6.1 鹽可分為正鹽 酸式鹽及鹼式鹽, 及其命名 6.2 鹽類水溶液的酸鹼性, 不涉及水解的計算 7.1 同離子效應及其影響 7.2 緩衝溶液之配製法及用途 7.3 緩衝溶液是利用同離子效應使 ph 保持穩定 3. 酸鹼反應 酸鹼滴定 綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 驀然回首, 綠肥卻在 廢液暫存處

復旦高中賴怡安莊桂琴驀然回首, 綠肥卻在廢液 暫存處 1. 以低濃度的硫酸溶液與氨水進行酸鹼滴定實驗, 觀察較低濃度滴定實驗的可行性, 並收集實驗後硫酸銨廢液做為液態氮肥 2. 以低濃度的硝酸溶液與氨水進行酸鹼滴定實驗, 觀察較低濃度滴定實驗的可行性, 並收集實驗後硝酸銨廢液做為液態氮肥

CJe-Ⅴa-1 反應速率定律式 CJe-Ⅴa-2 反應能量圖 CJe-Ⅴa-3 碰撞學說解釋影響反應速率的因素 CJe-Ⅴa-4 催化劑與酵素的性質及其應用 CJe-Ⅴa-5 勒沙特列原理 CJe-Ⅴa-6 平衡常數的定義與計算 CJe-Ⅴa-7 溶解度平衡與溶度積的關係

四 物質的反應 平衡與製造 4. 化學反應速率與平衡 平衡的移動 ( 勒沙特列原理 ) 教育部替代實驗 : 平衡常數與勒沙特列原理綠色化學創意競賽獲獎實驗 : 利用氯化亞鈷取代二氧化氮與鉻酸根的化學平衡實驗 勒沙特列原理與平衡移動 平衡常數 MgC 2 O 4 的溶度積的測定

有機化合 物的製備 與反應 CJf-Ⅴa-1 有機化合物組成 CJf-Ⅴa-2 有機化合物的命名 結構和官能基的檢驗 烴 鹵化烴 醇 酚 醚 酮 醛 有機酸 酯 胺與醯胺 CJf-Ⅴa-3 常見有機化合物的重要反應與其用途 CJf-Ⅴa-5 常見聚合物的構造與製備 1. 元素分析與有機化合物的組成 2.1 有機化合物的中文系統命名法, 但不超過六個碳, 環烷取代基以甲基為限且不超過兩個 2.2 以通性簡介其結構 特性 重要反應 2.3 演示實驗 : 常見官能基的檢驗 2.4 實驗 : 醇 醛 酮的性質 3.1 烯 : 加成反應如氫化 鹵化 ( 檢驗 ) HX 與 H 2 O, 聚合反應, 僅以乙烯 氯乙烯 苯乙烯為例 3.2 炔 : 電石製備乙炔, 加成反應, 氧化與鹵化 3.3 苯 : 磺化 芳香族與烯類 (C=C) 的差異 ( 不與 Br 2 作用 ) 3.4 醇 : 發酵製備 ( 介紹其用途, 未來能源 ) 及工業製備 ( 水煤氣 ), 甲 乙醇氧化成醛 ; 醇氧化成醛 酮 酸 3.5 醛 : 氧化反應 銀鏡 ( 與葡萄糖, 還原醣單元連結 ) 3.6 酸與酯 : 酯化 皂化 3.7 胺 : 酸鹼反應 3.8 阿斯匹靈的製程與用途 3.9 實驗 : 製備阿司匹靈 5. 有機化合物的製備與反應 醇 醛 酮的性質化學合成 製備阿司匹靈 耐綸的製備 教育部替代實驗 : 醇 醛 酮性質之探討

科學在生活中的應用 CMc-Ⅴa-1 氫氣和稀有氣體的性質 製取與用途 CMc-Ⅴa-2 常見金屬及重要的化合物之製備 性質與用途 1. 僅介紹氫氣和稀有氣體的性質 製取與用途 2.1 以生活中的重要實例介紹主族金屬元素 ( 鈉 鎂 鋁 ), 與電解法製備鋁 2.2 以生活中的重要實例介紹過渡元素 ( 鐵 銅 銀 鋅 ) 2.3 以葉綠素和血紅素說明配位化合物, 不涉及混成軌域及結構 2.4 演示實驗 : 錯合物的形成 3. 介紹 K 金 鋁合金 鋼等合金的性質與用途 https://www.youtube.com/watch?v=hzdhrfwdhda

環境汙 染與防 治 CMe-Ⅴa-1 水汙染之檢測方法 CMe-Ⅴa-2 大氣汙染物之檢測方法 1.1 實驗 : 水汙染的檢測 ( 濁度 酸鹼度 導電度及溶氧度等 ) 1.2 教學策略可參考探究與實作 : 科學與生活 - 如何進行水質調查? 可融入空氣 水溶液 土壤等日常生活相關的主題 實例應簡明扼要