金門地區第 56 屆中小學科學展覽會作品說明書 科別 : 化學科組別 : 國小組作品名稱 : 燒到 氧 處 氧 樂多關鍵詞 : 氧氣 排水集氣法 雙氧水 ( 最多 3 個 ) 編號 :( 由主辦單位填寫 ) 製作說明 : 1. 說明書封面僅寫科別 組別 作品名稱及關鍵詞 2. 編號由國立臺灣科學教育館統一編列 3. 封面編排由參展作者自行設計
摘要 : 燒到 氧 處 氧 樂多 本研究利用排水集氣法, 成功地收集胡蘿蔔和雙氧水作用後產生的氧氣 同時透過實驗控制可清楚的找出影響胡蘿蔔與雙氧水製氧量的因素, 結果我們發現當雙氧水的條件維持不變, 則胡蘿蔔的表面積大小, 新鮮度和溫度會影響雙氧水的放氧量, 而當胡蘿蔔的條件維持不變, 則雙氧水的濃度與容量與製氧量的多寡成正比 同時也發現了生活中有很多物質可以代替胡蘿蔔和雙氧水作用產生氧氣, 像是菜市場小販所剝下來的菜葉或是校園中隨手可得的植物樹葉等, 都是不錯的材料, 運用這些物質不但可達到廢物利用的效能, 同時在實驗中我們也發現它們的製氧量非同凡響, 在相同的反應時間內, 發現地瓜葉 榕樹葉加入定量的雙氧水, 製氧量竟領先群雄, 高居冠亞軍, 果真是出乎意料之外 最後, 我們再深入探究反應過程中的氧氣到底從哪裡來, 結果發現所加入的物質在整個反應過程中是擔任 催化劑 的角色, 氧氣來自於雙氧水 壹 研究動機 : 我們都知道, 生物生存的三個要件是陽光 空氣和水, 我們每天都在呼吸空氣, 雖然空氣佔有空間卻沒有固定形狀, 既看不見也摸不著 而且空氣中不是只有一種氣體, 而是由許多不同的氣體混合而成的, 其中有一種氣體就是氧氣, 氧氣約占空氣中的五分之一, 其他還有氮氣 氬氣 二氧化碳等氣體 在康軒版三年級上學期的自然與生活科技第三單元 空氣與風的課程中, 有提到空氣的流動會形成風, 證明了空氣的存在 ; 而在五下的自然領域 燃燒與生鏽 單元中, 我們進一步認識了空氣家族裡的氧和與二氧化碳, 並且進行了氧與二氧化碳的 DIY, 也知道了燭火在空氣中會燃燒, 這是因為空氣中含有氧氣, 當玻璃杯蓋住燭火後, 燃燒的蠟燭消耗掉杯子中的氧氣後, 燭火就熄滅了, 由此可知蠟燭燃燒線香 木炭燃燒都需要空氣中的氧氣 然而在課程過後, 我們都覺得興致高昂, 總覺得只是進行了課本中簡單的製造與檢驗, 好像還是不太過癮, 大家都很想進一步了解紅蘿蔔與雙氧水的結合能夠製造出多少的氧氣? 哪些因素會影響製氧量的多寡呢? 除了胡蘿蔔與雙氧水之外, 還有哪些物質可以代替胡蘿蔔, 加入雙氧水中製造出氧氣呢? 它們的製氧量大小又有何差異呢? 而整個反應的過程中, 氧氣到底是從哪裡跑出來的呢? 於是我們就在老師的指導下, 進行了這個研究 1
貳 研究目的 : 一 能實際 成功的製造氧氣, 並察覺製造過程中的反應現象二 找出哪些因素會影響胡蘿蔔與雙氧水的製氧量 三 找出哪些物質能代替胡蘿蔔, 和雙氧水作用而產生氧氣 四 找出和雙氧水作用後能迅速產生大量氧氣的物質 五 能比較各種物質的製氧量 六 找出氧氣從哪裡來 參 研究設備與器材 : 一 器材類 : 天平 錐形瓶 玻璃板砧板 小刀 線香 打火機 雙氧水 量杯 廣口瓶 塑膠水盆 塑膠尺 記錄紙 塑膠管 橡皮塞 二 材料類 :( 如表一 ) 表一 實驗的材料種類 種類 內容 水果類 蘋果 香蕉 橘子 蓮霧 奇異果 西瓜 葉菜類 A 菜 地瓜葉 高麗菜 小白菜 根莖類 地瓜 薑 胡蘿蔔 蘿蔔 馬鈴薯 肉品 豬肉 雞肉 豬肝 雞肝 豆類 紅豆 綠豆 黑豆 黃豆 澱粉類 太白粉 麵粉 地瓜粉 校園植物 桑葉 榕樹葉 樟樹葉 九重葛葉 熟食類 油豆腐 豬肉 白蘿蔔 白飯 實驗設備 各種不同規格大小的篩板 2
實驗材料 準備就緒開始進行實驗 肆 研究過程或方法 : 一 文獻探討 : * 如何製造氧氣? ( 一 ) 網路資料 --http:// chemedu.pu.edu.tw/oxidation/situation/o2/o2-1a-2b.htm: 在日常生活中, 雙氧水可用來消毒殺菌, 但未加蓋的雙氧水, 置於空氣中太久後, 它卻漸漸失去效用了 因為它會分解成 [ 氧 ] 和 [ 水 ] 在實驗室內, 我們如果想要製造備氧, 可將二氧化錳加入雙氧水中, 以加速雙氧水的分解而得氧 1 製造氧氣的裝置 2 一開始先在錐形瓶內放入少許的二氧化錳, 再由薊頭漏斗上方慢慢地滴入雙氧 水, 接著氧氣就被製造出來了 它的反應式如下 : 3
2H 2 O 2 ( 雙氧水 ) 2 H 2 O( 水 ) 十 O 2 ( 氧氣 ) 3 在這裡我們所加入的二氧化錳是一種黑色的粉末, 主要是用來當作催化劑, 它可以加速反應的進行, 促使雙氧水分解出氧氣 但是最後二氧化錳的質量並不會減少, 因為它並沒有參與反應 所以沒有加二氧化錳, 還是會產生氧氣, 只是速度會比較慢 二氧化錳量的多寡並不影響氧氣的產量, 它是催化劑並沒有參與反應 ( 二 ) 維基百科 : 實驗室小規模製氧一般會加熱氯酸鉀和催化劑二氧化錳的混合物, 生成氧氣和氯化鉀 ; 化學方程式為 2KClO3 2KCl+3O2, 用此方法制得的氧氣通常混有少量刺激性氣味的氣體 -- 氯氣 也有人用過氧化氫 ( 雙氧水 ) 稀溶液加二氧化錳的方法, 製得氧氣和水 工業上普遍利用氮氣 氧氣沸點的不同, 用低溫分餾的方法大量製備氧氣 ( 三 ) 康軒版自然與生活科技第六冊第二單元 燃燒與生鏽 : 製造氧氣的實驗是利用胡蘿 蔔丁 馬鈴薯丁或豬肝丁等含有一種 酶 能將雙氧水分解為氧和水 ( 四 ) 中華民國第三十九屆中小學科學展覽會優勝作品專輯 -- 替身 現身 ~ 尋找更好的放 氧 孩子 : 只要生物組織 ( 含有酵素者 ) 都可當成雙氧水的催化劑製造氧氣 * 氧氣的收集 ( 一 ) 氧氣微溶於水但溶解的速率很慢, 所以可以利用排水集氣法來收集氧氣 當我們用排水集氣法來收集時, 因為氧氣此空氣重, 所以收集後的瓶子應蓋上玻璃片並 [ 正立 ] 於桌子上, 這樣才能使氧氣沉澱在瓶子的底部, 可以減少氧氣的逸失 ( 二 ) 排水集氣法我們知道氧氣是利用排水集氣法來收集的 但是並不是所有的氣體都是這樣收集的, 不同的氣體有不同的收集方法 一般我們在實驗室收集氣體多是以置換法來收集, 也就是利用我們所製造出來的氣體, 把瓶子內的水或空氣給置換出來 除了排水集氣法, 還有向上排氣法和向下排氣法 4
1 排水集氣法 : 適用於難溶於水的氣體, 如氧 氫 二氧化碳等 2 向上排氣法 : 適用於易溶於水的氣體, 且密度比空氣大的氣體, 也就是比空氣重的氣體, 如氯化氫 氯等 3 向下排氣法 : 適用於易溶於水的氣體, 且密度比空氣小的氣體, 也就是比空氣輕的氣體, 如氨等 二 研究過程 步驟 : [ 研究一 ] 如何製造氧氣呢? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 將錐形瓶 (50ml) 套上橡皮塞, 並在橡皮塞上打一個洞 ( 洞的大小與橡皮水管口徑一致 ), 將打好的洞接上塑膠軟管, 連接於水盆裡的量筒中, 其裝置如右圖 橡皮水管 量筒 雙氧水 紅蘿蔔 2 將胡蘿蔔先洗乾淨, 在天平上秤出 10 克, 放在砧板上切成小塊, 可先將胡蘿蔔切成一條一條的再切成絲狀, 最後切成小碎塊, 將切好的蘿蔔丁放入錐形瓶當中 3 將 25 毫升的雙氧水 ( 濃度 30%) 倒入錐形瓶中, 避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服上, 迅速蓋上橡皮塞, 防止氣體逸出 4 利用上圖的裝置, 以排水集氣法收集胡蘿蔔與雙氧水接觸後產生的氣體, 並仔細觀察胡蘿蔔和雙氧水接觸產生交互作用以後的反應情形 5 紀錄在不同的時間內 (1 分鐘 5 分鐘 15 分鐘 30 分鐘 ), 量筒中氣體的體積 6 用玻璃板蓋住量筒口, 將量筒移出水盆, 正立於桌上, 測量收集氣體的體積 7 最後將點燃的線香放入量筒中, 觀察線香燃燒的情形 8 實驗觀察結果, 紀錄如下表二 : 5
表二 胡蘿蔔丁加入雙氧水交互作用 時 間 觀察項目 1 分鐘 5 分鐘 15 分鐘 30 分鐘 瓶子的 溫度 瓶身涼涼的熱溫微溫 瓶底涼涼的溫溫涼涼的 氣泡上端有白色泡沫氣泡型些許泡沫 泡沫減少 無 無 態大量透明氣透明氣泡泡產生 有 有 有 產生氧氣體積 (ml) 32 50 60 65 線香變化 - - - 燒得火紅 起火燃燒 9 在各段時間內所收集到的氣體體積折線圖如下 : 70 60 50 40 30 20 10 0 1 分鐘 5 分鐘 15 分鐘 30 分鐘 氧氣體積 ( 二 ) 我們的發現 : 1 將雙氧水倒入胡蘿蔔丁以後, 馬上在胡蘿蔔的表面上產生大量透明氣泡, 接著會有大量白色泡沫浮在透明氣泡上方, 衝至錐形瓶口, 大約 2 分鐘過後, 白色泡沫慢慢變少, 此時胡蘿蔔表面仍充滿透明氣泡, 同時在瓶壁上也開始聚集附著很多透明的氣泡, 直到 5 分鐘後, 反應趨溫和, 氣泡數量也慢慢變少 2 將雙氧水倒入胡蘿蔔丁以後, 水盆中的量筒開始將水排出, 顯示反應產生的氧氣經過塑膠軟管進入量筒中, 由於空氣佔有空間, 將原本量筒中的水擠壓出去 3 反應過程中, 錐形瓶的溫度會隨著反應的激烈程度而變化, 一開始瓶身與瓶底並無明顯的溫熱狀況, 但隨著反應變激烈, 瓶身開始變熱, 瓶底也溫溫的, 而隨著 6
反應趨於溫和, 瓶底瓶身又變涼了, 由瓶子溫度的變化情形, 推測在胡蘿蔔與雙氧水作用產生氧氣的過程中, 會有放熱的情形產生 4 在收集氧氣的量筒內, 放入點燃的線香, 發現一開始線香會發紅發熱, 最後甚至會起火燃燒起來, 推測製造出來的氧氣使燃燒更旺盛, 表示氧氣可以幫助燃燒 5 本研究試圖突破教科書的內容, 利用自製的裝置以排水集氣法收集氧氣, 並得到量化的數據, 然而在實驗過程中, 我們卻也產生了一些疑惑,10 克的胡蘿蔔丁加上 25ml 的雙氧水經過 30 分鐘後會產生 65ml( cm 3 ) 的氧氣, 如果實驗過程中, 其他的因素改變了, 結果還會如此嗎? 於是我們想進一步探討到底哪些因素會影響胡蘿蔔與雙氧水的製氧量呢? 因此我們以實驗控制的方法, 設計了研究二 取用胡蘿蔔丁 排水集器的設備 泡泡出現了 氧氣使線香起火燃燒 7
研究二 哪些因素會影響胡蘿蔔與雙氧水的製氧量呢? 本研究以胡蘿蔔 雙氧水二者, 為實驗設計的面向, 若以胡蘿蔔為操作變因時, 分別就胡蘿蔔丁的表面積大小 重量 新鮮度 溫度等四個子題, 進行了四個實驗 ; 另外, 若以雙氧水為操作變因時, 則就雙氧水的容量與濃度, 進行了二個實驗, 企圖由這六個面向, 找出胡蘿蔔和雙氧水的最佳製氧量 實驗 2-1: 比較不同表面積大小的胡蘿蔔丁, 在一定時間內, 與雙氧水接觸後, 製氧量有沒有不一樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 將胡蘿蔔先洗乾淨, 分別用大 中 小三種不同規格的篩板, 篩出不同粗細的胡蘿蔔條, 再將各種規格的胡蘿蔔條橫切成丁狀, 分別各秤出 10 克, 將切好的胡蘿蔔丁依其大小分別放入錐形瓶 ( 編號 A B C) 當中 2 將 25 毫升的雙氧水 ( 濃度 30%) 倒入錐形瓶中, 此時應避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服上, 之後迅速橡皮氣球, 裝置如下圖 : 3 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表三 : 表三 不同表面積大小的胡蘿蔔丁加入雙氧水交互作用不同表面積 A( 大 ) B( 中 ) C( 小 ) 觀察項目 瓶子 的溫 度 瓶身溫溫熱 瓶底涼涼涼 氣泡數量 3 2 1 製氧量大小 3 2 1 線香變化 線香發紅發亮線香發紅發亮線香發紅發亮起火燃燒起火燃燒起火燃燒 註 : 以數字 1.2.3 來表示製氧量大小與氣泡數量的排名,1 表示製氧量最大 氣泡最 多 8
( 二 ) 我們的發現 : 1 胡蘿蔔切得越小, 與雙氧水接觸的表面積的越大, 產生的氧氣越多, 裝置中的氣球膨脹得越大 2 10 分鐘後, 將氣球取下, 再各錐形瓶中放入點燃的線香, 發現各瓶中線香皆會繼續發紅發亮且有短暫起火燃燒的現象 3 因為研究一收集氧氣的方法為排水集氣法, 實驗過後發覺較為費時費力, 所以在研究二中並未採用, 而改在錐形瓶口放置氣球, 以氣球膨脹的大小來定義製氧量的多寡, 氣球膨脹得越大, 表示製氧量越高 各種大小不同的篩孔 不同表面積大小的胡蘿蔔丁 迅速套上氣球, 氧氣使氣球鼓起來了 實驗結果明顯 9
泡沫與氣泡同時產生 放入線香起火燃燒了 實驗 2-2: 比較不同重量的胡蘿蔔, 在一定時間內, 與雙氧水接觸後, 製氧量有沒有不一 樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 將胡蘿蔔先洗乾淨, 用小規格的篩板篩出細條的胡蘿蔔條, 再將胡蘿蔔條橫切成丁 狀, 分別各秤出 10 克 20 克 30 克, 再將各種重量的胡蘿蔔丁依其重量分別放入 錐形瓶 ( 編號 D E F) 當中 2 將 25 毫升的雙氧水 ( 濃度 30%) 倒入錐形瓶中, 避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或 衣服上, 迅速套上橡皮氣球 3 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表四 : 表四 不同重量的胡蘿蔔丁加入雙氧水交互作用 不同重量觀察項目 D(10 克 ) E(20 克 ) F(30 克 ) 瓶子 瓶身 溫 溫 溫 的溫度 瓶底 涼 涼 涼 氣泡數量 - - - 製氧量大小 - - - 線香發紅發亮線香發紅發亮線香變化起火燃燒起火燃燒註 : - 表示沒有明顯的差異, 無法做 1.2.3 的排序 線香發紅發亮 起火燃燒 10
( 二 ) 我們的發現 : 1 不同重量的胡蘿蔔丁與等量的氧氣作用後, 產生的氧氣量並沒有明顯的不同,D E F 三瓶的氣球在 20 分鐘之後, 各瓶的氣球膨賬體積並沒有顯著的差異性 2 由此實驗, 可以推測胡蘿蔔的數量多少, 不會影響雙氧水的放氧量 實驗一開始有些許差異 幾分鐘之後, 差異變小, 沒有明顯的不同 實驗 2-3: 比較不同新鮮度的胡蘿蔔, 在一定時間內, 與雙氧水接觸後, 製氧量有沒有不一樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 利用家中所種植的紅蘿蔔, 分別以 7 天 5 天 3 天前和當天採收的胡蘿蔔為實驗材料, 將各種不同新鮮度的胡蘿蔔以實驗 2-2 之方法切碎, 分別秤取 10 克, 放入錐形瓶 (G H I J) 中 2 將 25 毫升的雙氧水 ( 濃度 30%) 倒入錐形瓶中, 避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服上, 迅速套上橡皮氣球 3 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表五 : 11
表五 不同新鮮度的胡蘿蔔丁加入雙氧水交互作用不同新鮮度 G(7 天前 ) H(5 天前 ) I(3 天前 ) J( 當天 ) 觀察項目 瓶子 的溫 度 瓶身溫溫熱熱 瓶底涼涼涼涼 氣泡數量 4 3 2 1 製氧量大小 4 3 2 1 線香變化 線香發紅發亮線香發紅發亮線香發紅發亮線香發紅發亮起火燃燒起火燃燒起火燃燒起火燃燒 註 : 以數字 1.2.3 來表示製氧量大小與氣泡數量的排名,1 表示製氧量最大 氣泡最 多 ( 二 ) 我們的發現 : 1 不同新鮮度的胡蘿蔔丁與等量的氧氣作用後, 在一定時間內, 新鮮度較高的胡蘿蔔 和雙氧水作用, 產生的氧氣量較多, 氣球膨脹的體積最多 2 由此實驗, 可以推測胡蘿蔔的新鮮度和製氧量成正比 將胡蘿蔔以隔水加熱的方式放在不同溫度的 水中 溫度 70 的錐形瓶破掉了, 氧氣也洩掉了 12
胡蘿蔔溫度與製氧量成正比 收集到的氧氣可以使線香起火燃燒 實驗 2-4: 比較不同溫度的胡蘿蔔, 在一定時間內, 與雙氧水接觸後, 製氧量有沒有不一樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1. 將實驗 2-2 所切的胡蘿蔔丁, 秤出四份, 每份 10 克, 以隔水浸泡的方式分別泡入溫度為 (5 25 40 70 ) 的水中, 各浸泡 5 分鐘 2. 將各種溫度的胡蘿蔔, 分別快速放入錐形瓶中 ( 編號 K L M N) 3. 將 25 毫升的雙氧水 ( 濃度 30%) 倒入錐形瓶中, 避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服 上, 迅速套上橡皮氣球 4. 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表六 : 表六 不同溫度的胡蘿蔔丁加入雙氧水交互作用 不同溫度觀察項目 K(5 ) L(25 ) M(40 ) N(70 ) 瓶子的 瓶身 涼 溫 熱 溫度 瓶底 涼 溫 熱 氣泡數量 3 2 1 數秒後錐形瓶瓶身出現 製氧量大小 3 2 1 小破洞, 無法再觀察 線香變化 線香發紅發亮起火燃燒 線香發紅發亮起火燃燒 線香發紅發亮起火燃燒 註 : 以數字 1.2.3 來表示製氧量大小與氣泡數量的排名,1 表示製氧量最大 氣泡最 多 13
( 二 ) 我們的發現 : 1. 將胡蘿蔔浸泡在 70 的熱水 5 分鐘後, 再進行實驗, 結果加入雙氧水後, 不到幾秒, 錐形瓶出現破洞, 推測是因為反應過程中的放熱加上瓶子的熱度, 高溫讓玻璃瓶破掉, 好在實驗前老師曾提醒果我們這一點, 所以我們有特別注意, 才沒有發生危險 2. 雖然 80 的那一瓶破掉了, 無法觀察, 但我們由剩下的三瓶, 卻可明顯的看出, 不同溫度度的胡蘿蔔丁與等量的氧氣作用後, 在一定時間內, 溫度較高的胡蘿蔔和雙氧水作用, 產生的氧氣量較多, 氣球膨脹的體積最多 3. 由此實驗, 可以推測胡蘿蔔的溫度和製氧量成正比 實驗 2-5: 比較不同容量的雙氧水, 在一定時間內, 與胡蘿蔔接觸後, 製氧量有沒有不一樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1. 將胡蘿蔔先洗乾淨, 用小規格的篩板篩出細條的胡蘿蔔條, 再將胡蘿蔔條橫切成丁狀, 秤出四份, 每份重量皆為 10 克, 將各份胡蘿蔔丁分別放入錐形瓶 ( 編號 P Q R S) 2. 用燒杯分別量取 5 10 25 35 毫升的雙氧水 ( 濃度皆為 30%), 再分別倒入錐形瓶 O P Q R 中, 過程中要避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服上, 倒入後迅速套上橡皮氣球, 避免氣體逸出 3. 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表七 : 表七 不同容量的雙氧水加入胡蘿蔔丁交互作用不同容量 O(5 ml) P(15ml) Q(25ml) R(35ml) 觀察項目 瓶子 的溫 度 瓶身溫溫熱熱 瓶底涼涼溫溫 氣泡數量 4 3 2 1 製氧量大小 4 3 2 1 線香變化 線香發紅發線香發紅發線香發紅發線香發紅發亮亮亮亮起火燃燒起火燃燒 註 : 以數字 1.2.3 來表示製氧量大小與氣泡數量的排名,1 表示製氧量最大 氣泡最 多 14
( 二 ) 我們的發現 : 1. 不同容量的雙氧水與等量胡蘿蔔丁作用後, 產生的氧氣量有明顯的不同,O P Q R 四瓶的氣球在 10 分鐘之後, 各瓶的氣球膨賬體積大小是 R>Q>P>O, 也就是說各瓶中氧氣體積大小是 R>Q>P>O 2. 由此實驗, 可以推測雙氧水的容量, 加入定量的胡蘿蔔作用, 在一定的時間內, 與製氧量成正比, 也就是說, 雙氧水容量越大, 製氧量越多 實驗 2-6: 比較不同濃度的雙氧水, 在一定時間內, 與胡蘿蔔接觸後, 製氧量有沒有不一樣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1. 將胡蘿蔔先洗乾淨, 用小規格的篩板篩出細條的胡蘿蔔條, 再將胡蘿蔔條橫切成丁狀, 秤出四份, 每份重量皆為 10 克, 將各份胡蘿蔔丁分別放入錐形瓶 ( 編號 S T U V) 2. 用燒杯分別量取 25 毫升 ( 濃度 30%) 的雙氧水四杯, 在這四杯中分別加入 0 50 100 200 毫升的水, 形成四種不同的濃度, 並在這不同濃度的四杯雙氧水中, 各取 25ml, 分別倒入錐形瓶 S T U V 中, 過程中要避免雙氧水流到瓶外或沾到身體或衣服上, 倒入後迅速套上橡皮氣球, 避免氣體逸出 3. 10 分鐘後, 觀察各錐形瓶上氣球的膨脹情形, 將結果紀錄如下表八 : 表八 不同濃度的雙氧水加入胡蘿蔔丁交互作用不同濃度 S T U V 觀察項目 瓶子 的溫 度 瓶身熱溫溫溫 瓶底熱溫涼涼 氣泡數量 1 2 3 4 製氧量大小 1 2 3 4 線香變化 線香發紅發亮起火燃燒 線香發紅發亮起火燃燒 線香發紅發亮起火燃燒 線香發紅發亮起火燃燒 註 : 以數字 1.2.3 來表示製氧量大小與氣泡數量的排名,1 表示製氧量最大 氣泡最 多 15
( 二 ) 我們的發現 : 1. 不同濃度的雙氧水加入等量的胡蘿蔔丁作用後, 產生的氧氣量與雙氧水的濃度有明顯的關係存在,S T U V 四瓶的氣球在 10 分鐘之後, 各瓶的氣球膨賬體積大小為 S>T>U>V 2. 由此實驗, 可以知道雙氧水的濃度和製氧量成正比, 也就是說雙氧水的濃度越高, 加入胡蘿蔔丁後, 作用較為激烈, 產生的氧氣量比較多 研究三 哪些物質能代替胡蘿蔔和雙氧水作用產生氧氣? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 取材料類中各物質, 分別取 10 克, 再用刀子切成碎片 ( 豆類除外 ), 置於錐形瓶 (250ML) 中 2 豆類先泡冷水 30 分鐘, 再加入雙氧水 25ml, 迅速以鋁箔紙封住瓶口, 待各類材料與 雙氧水充分反應後, 放入點燃的線香於錐形瓶中 3 豆類交互作用的時間為 40 分鐘, 各類物質和雙氧水作用後的反應情形, 分別紀錄如 下表 9 至 16 表九 水果類加入雙氧水的反應 種類項目 蘋果 香蕉 蓮霧 橘子 奇異果 西瓜 瓶子的 瓶身 溫 溫 涼 涼 溫 溫 溫度 瓶底 溫 涼 涼 涼 涼 涼 氣泡型 白色泡沫 - 有 - - 有 有 態 透明氣泡 有 - 有 有 - - 反應速率 慢 快 中 中 快 慢 線香變化 起火然燒 有 有 有 有 有 有 16
以各種水果加入雙氧水 水果表面會出現泡沫或氣泡 表十 葉菜類加入雙氧水的反應 種類項目 A 菜 高麗菜 地瓜葉 大白菜 瓶子的溫度 瓶身 熱 涼 熱 溫 瓶底 熱 涼 熱 涼 氣泡型態 白色泡沫 - - 有 - 透明氣泡 有 有 - 有 反應速率 快 慢 快 中 線香變化 起火然燒 有 有 有 有 各種葉菜類加入雙氧水 葉子表面會出現泡沫或氣泡 17
倒入 25ml 的雙氧水 產生的氧氣可幫助線香起火燃燒 表十一 根莖類加入雙氧水的反應 種類項目 馬鈴薯 地瓜 蘿蔔 薑 瓶子的溫度 瓶身 涼 涼 涼 涼 瓶底 涼 涼 涼 涼 氣泡型態 白色泡沫 有 有 有 - 透明氣泡 - 有 有 有 反應速率 快 快 快 快 線香變化 起火然燒 無 起火燃燒 發紅 發紅 表十二 肉品與內臟類加入雙氧水的反應 種類項目 豬肉 雞肉 雞肝 豬肝 瓶子的溫度 瓶身 摸起來都涼涼的 瓶底 白色泡沫 氣泡型態 透明氣泡 都產生白色泡沫 反應速率 中 中 快 快 線香變化 起火然燒 都能起火燃燒 其他發現 肉品與內臟反應後都變成白色 18
表十三 豆類加入雙氧水的反應 種類項目 綠豆 紅豆 黃豆 黑豆 瓶子的溫度 瓶身 涼 涼 涼 涼 瓶底 涼 涼 涼 涼 氣泡型態 白色泡沫 - 有 ( 少量 ) - - 透明氣泡 有 有 有 有 反應速率 慢 慢 中 中 線香變化 起火然燒 無 無 無 無 其他發現 黑豆表皮黑色褪色 表十四 校園植物加入雙氧水的反應 種類項目 風鈴木葉 桑葉 榕樹葉 樟樹葉 瓶子的溫度 瓶身 溫 溫 涼 涼 瓶底 涼 涼 涼 涼 氣泡型態 白色泡沫 有 有 有 有 透明氣泡 有 有 有 有 反應速率 快 快 慢 中 線香燃燒亮度 暗 亮 暗 暗 表十五 煮熟食物加入雙氧水的反應 種類項目 豬肉 油豆腐 蘿蔔 白飯 瓶子的溫度 瓶身 涼 涼 涼 涼 瓶底 涼 涼 涼 涼 氣泡型態 白色泡沫 有 有 有 有 透明氣泡 無 無 無 無 反應速率 慢 慢 慢 慢 線香變化 慢 慢 慢 慢 19
表十六 澱粉粉沫加入雙氧水的反應種類項目 麵粉 太白粉 地瓜粉 瓶子的溫度 瓶身 涼 涼 涼 瓶底 涼 涼 涼 氣泡型態 白色泡沫 無 無 無 透明氣泡 無 無 無 反應速率 無 無 無 線香燃燒亮度 暗 暗 暗 ( 二 ) 我們的發現 : 1 我們發現有的材料反應很劇烈, 加入雙氧水後馬上產生白色的泡沫, 有的慢慢才產生透明的氣泡 2 有些材料產生氣泡的部份瓶子會微微發熱, 瓶底則沒有變化 3 錐形瓶上的保鮮膜有的會鼓起, 有些物質產生的大量氣泡會衝破鋁箔紙, 將點燃的線香置於氣泡附近, 會燒得更旺 4 香蕉 奇異果的反應快, 馬上就產生白色泡沫, 結果非常清楚, 特別是香蕉, 反應後還有特殊香味, 蘋果的反應則較溫和, 但放入線香後, 卻以蘋果的燃燒反應較明顯 5 綠色蔬菜的反應迅速且較溫和, 又以 A 菜 地瓜葉的反應較好 6 根莖類蔬菜普遍反應都很好, 其中又以地瓜 蘿蔔的效果最快 7 肉品類和雙氧水作用後反應非常快速而激烈, 大量白色的泡沫往上溢出, 尤其以豬肝和雞肝的效果最快, 但大約 1 分鐘過後, 反應即停止 反應過後, 雞肉 豬肉和豬肝都出現白色煮熟的樣子 8 各種豆類和雙氧水作用後均能產生氧氣, 但反應後都被雙氧水漂白, 紛紛褪色了, 在反應中, 冒出的氣泡處為種皮破裂處, 或表面白色的部份, 以冒出氣泡多少的速率來說, 黃豆最快, 其次為黑豆 綠豆和紅豆 9 在各類校園植物中, 榕樹葉和風鈴木葉的反應最激烈 10 煮熟的食物, 皆無明顯的反應現象 11 含有澱粉粉沫的物質和雙氧水作用後都無明顯的變化, 而且最後會有沉澱物產生 20
各種根莖類蔬菜加入雙氧水 出現泡沫或氣泡 有些物質加入雙氧水產生的氧氣量太少無 法使線香燃燒起火 採集各類校園植物 各種肉品加入雙氧水 澱粉類與豆類 21
豆類的製氧量不佳 豆類的製氧量不佳 [ 研究四 ] 在一定的時間內, 哪些物質能和雙氧水作用產生大量氧氣呢? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 參考 研究三 的實驗結果, 選取蘋果 地瓜葉 A 菜 豬肝 榕樹葉 風鈴木葉 蘿蔔 地瓜 雞肝等與雙氧水反應較為劇烈的物質為材料, 每種物質各取 10 克切碎後成丁狀放入 50ml 的錐形瓶當中 2 再加入 25ml( 濃度 30%) 的雙氧水, 利用 研究一 的裝置, 但要將量筒換成集氣瓶, 以排水集氣法收集各種物質加入雙氧水作用後, 所產生的氧氣 3 10 分鐘後測量各集氣瓶中的氧氣量, 然後將裝置移開, 再把點燃的線香放入錐形瓶當中, 觀察線香的變化情形, 紀錄如下表十七 : 表十七 不同材料加入雙氧水作用的製氧量不同材料地瓜榕樹風鈴 A 菜蘋果蘿蔔地瓜豬肝雞肝觀察項目葉葉木葉瓶瓶子熱熱熱溫微溫溫熱熱熱身的溫瓶度熱熱熱溫涼溫溫溫熱底氧氣體積 225 350 330 86 120 118 225 145 200 (ml) 起火起火起火起火發紅起火起火起火起火線香變化燃燒然燒燃燒燃燒發亮燃燒燃燒燃燒燃燒 22
( 二 ) 我們的發現 : 1 在所選用的九類材料加入雙氧水作用,10 分鐘後其製氧量由大到小, 依序為地瓜葉 > 榕樹葉 >A 菜 地瓜 > 雞肝 > 豬肝 > 蘋果 > 蘿蔔 > 風鈴木葉 2 所產生的氧氣量越多, 瓶子的溫度就越高, 顯示製氧量和放熱量成正比 3 豬肝和雞肝的反應非常快速, 應快速蓋上橡皮塞, 避免氣體逸出 4 泡沫或氣泡數量的多寡和製氧量的多寡並沒有一定的關係, 像蘿蔔 風鈴木葉的氣泡數量都比地瓜葉多, 但製氧量都小於地瓜葉 找出最佳製氧的組合 迅速上升的泡沫, 顯示反應的激烈 經過多次實驗, 對於排水集氣法我們已經 駕輕就熟 線香起火燃燒了 23
研究五 找出氧氣從哪裡來呢? 在研究二當中, 我們發現, 不管胡蘿蔔的量如何增加, 都不會影響氧氣的製造量, 於是我們就很疑惑, 到底實驗中物質和雙氧水結合後產生的氧氣到底是從哪裡來的呢? 為了尋求問題的答案, 因此我們用蘋果 ( 其反應較為溫和, 製氧量屬中等 ), 來當做實驗的材料, 分別做了以下二個實驗 實驗 5-1 蘋果和雙氧水作用後, 氧從哪裡來? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 準備十塊重量相等, 表面積相等 ( 約 32cm 2 ) 的蘋果 ( 重 4 公克 ), 與 100ml(30%) 的雙氧水作用後, 每隔 1 分鐘夾出一塊, 並秤其重量 2 得其結果紀錄如表十八 : 表十八 蘋果每隔一分鐘重量測量結果 時間 ( 分 ) 重量 ( 克 ) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 >4 >4 4.5 >4.5 >4.5 >4.5 >5 >5 >5.5 >5.5 ( 二 ) 我們的發現 : 1 剛開始時, 作用很快, 最後較緩和 2 由折線圖可知, 在反應過程中, 蘋果的重量不但沒有減少, 反而有小幅增加的驅勢, 由此大膽推測, 氧氣不是來自於蘋果, 而是來自於雙氧水 3 於是, 我們又想到了, 當蘋果加入雙氧水之後, 蘋果的重量不會減少, 而反應過程中, 蘋果與雙氧水的總重量又是如何呢? 如果在不同反應時間中, 二者的總重量不變的話, 那麼我們便可大膽推測, 氧氣來自於雙氧水, 為了證實這個推論, 我們又做了下一個實驗 24
將蘋果切成每塊面積一致重量相仿 倒入 100ml 的雙氧水 倒入 100ml 的雙氧水 每一分鐘夾出一塊蘋果, 秤秤看重量有沒有 改變 實驗 5-2 觀察蘋果與雙氧水作用後產生氧氣, 反應過程中, 不同時間蘋果與雙氧水總重量的變化情形是如何呢? ( 一 ) 實驗步驟 : 1 取三個錐形瓶 (125ml, 編號ㄅ ㄆ ㄇ ), 分別裝入表面積相同的蘋果丁 10 克和雙氧水 25ml 2 每隔 5 分鐘, 測量蘋果與雙氧水的總重量 3 20 分鐘後, 得其結果紀錄如下表十九 : 25
表十九 不同反應時間, 蘋果與雙氧水總重量變化情形 編號 重量 (g) 甲乙丙 時間 ( 分 ) 5 分鐘 134 128 130 10 分鐘 134 128 130 15 分鐘 134 128 130 20 分鐘 134 128 130 平均 134 128 130 ( 二 ) 我們的發現 : 1 在不同的反應時間內, 蘋果與雙氧水的總重量都不變 2 由實驗結果可以證實前述的推論, 也就是說雙氧水是從氧氣裡放出來的, 因此我們 可以用一個數學式來表示反應前後的數量關係 : 蘋果 + 雙氧水 水 + 氧 + 蘋果 總重量 = 總重量 不同反應時間總重量會不會改變? 秤秤看, 答案就出現了 26
伍 研究結果 : 一 在研究一當中, 我們利用排水集氣法, 成功地收集胡蘿蔔和雙氧水作用後產生的氧氣 由於氧氣難溶於水, 所以當錐形瓶當中的胡蘿蔔加入雙氧水產生的氧氣經過塑膠水管跑進量筒中時, 因為空氣佔有空間, 就會將量筒中的水擠壓出來, 反應過程中, 錐形瓶的溫度會隨著反應的激烈程度而變化, 一開始瓶身與瓶底並無明顯的溫熱狀況, 但隨著反應變激烈, 瓶身開始變熱, 瓶底也溫溫的, 而隨著反應趨於溫和, 瓶底瓶身又變涼了, 由瓶子溫度的變化情形, 推測在胡蘿蔔與雙氧水作用產生氧氣的過程中, 會有放熱的情形產生 二 而透過研究二, 我們更可清楚的找出影響胡蘿蔔與雙氧水製氧量的因素, 整個研究我們皆以實驗控制的方式, 一次只改變一個變因, 而將其他可能改變的因素都控制在相同的條件下, 我們分別以胡蘿蔔 雙氧水二者, 為實驗設計的面向, 當以胡蘿蔔為操作變因時, 就胡蘿蔔丁的表面積大小 重量 新鮮度 溫度等四個子題, 進行了四個實驗 ; 另外, 以雙氧水為操作變因時, 則就雙氧水的容量與濃度, 進行了二個實驗, 由這六個面向, 找出胡蘿蔔和雙氧水的最佳製氧條件, 結果我們發現胡蘿蔔的表面積大小, 新鮮度和溫度會影響雙氧水的放氧量, 而當胡蘿蔔的條件維持不變, 則雙氧水的濃度與容量與製氧量的多寡成正比 三 研究三, 我們進一步去探討, 可以代替胡蘿蔔的物質, 結果我們發現到所選用的八類物質當中, 有六類確定可以與雙氧水反應產生氧氣, 可見生活周遭處處都有實驗的材料, 尤其是校園當中很多綠色植物的樹葉, 都可以加入雙氧水, 產生氧氣 四 而研究四是研究三的延伸, 我們以研究三當中反應較為激烈的物質為實驗對象, 一共有九種物質, 將這八種物質加入雙氧水, 利用排水集氣法收集氧氣, 比比看哪一種物質加入雙氧水之後, 在相同的時間內, 誰的製氧量最高, 結果發現地瓜葉 榕樹葉的製氧量最高, 其次為 A 菜 地瓜 雞肝 豬肝 蘋果 蘿蔔, 最差的是風鈴木葉 五 利用研究五, 我們追根溯源, 企圖探究氧氣到底從哪裡來, 結果發現當蘋果加入雙氧水之後, 在不同的反應時間內, 氧氣雖然產生了, 但蘋果的重量卻沒有減少, 甚至還有些微增加的趨勢, 可見氧氣不來自於蘋果, 更進一步來說, 整個實驗過程中, 錐形瓶的總重量也沒有改變, 在總重量不變的情況下, 我們可知, 反應中產生的氧氣來自於雙氧水, 雙氧水才是 放氧 的孩子 27
陸 討論與建議 : 一 在研究一, 當我們要利用排水集氣法來收集氧氣時, 一開始實驗的設計上, 我們遭遇到很多失敗的經驗, 我們原先是使用 500 ml 的廣口瓶, 在廣口瓶上的橡皮賽鑽了兩個洞, 一個洞接 25ml 的注射筒, 另一個洞接塑膠水管, 真正進行集氣時, 發現根本收集不到氧氣, 但是當我們把線香放到廣口瓶中時, 線香的燃燒反應卻是相當激烈, 表示胡蘿蔔丁和雙氧水確實產生的氧氣, 可是, 為什麼我們收集不到氧氣呢? 於是我們逐一檢視整個實驗的設計, 將可能影響的因素一一列出, 最後終於找到答案了, 那就是我們所使用的廣口瓶太大了, 胡蘿蔔丁與雙氧水作用所產生的氧氣都沒辦法將充滿廣口瓶的空間了, 更不用說會有足夠的量透過塑膠管進入量筒中, 所以我們立刻改變設計, 改用體型較小的錐形瓶, 從 250ml 125ml 50ml 最後才發現 25ml 的效果最好, 當我們看到水盆中的量筒發出 啵! 啵! 的氣泡聲時, 所有人全都歡呼的大叫起來 二 透過實驗, 我們尋找能代替胡蘿蔔的物質, 結果發現到只要是生物組織 ( 含有酵素者 ), 都可以當成雙氧水的催化劑, 將雙氧水分解成氧和水 但如果是煮熟了或是經過加工製造的物質, 因為加熱和人工加工製造的過程都會破壞生物組織, 也就是酵素被摧毀破壞了, 因此使它較不易幫雙氧水放出氧, 這樣的實驗結果, 讓我們不禁聯想到, 是否可以利用這樣的特性來檢驗蔬果是否新鮮 有沒有含有農藥, 肉類是否浸泡了不明的物質, 關於這一點, 是意外的聯想, 也是一個值得探討的主題 三 由整個研究, 讓我們知道大自然當中的物質相當多, 我們身邊隨手可得的東西, 都是實驗中非常好的材料, 尤其是校園植物取得容易, 是實驗時方便的好材料, 如果不是做這個研究, 我們又怎麼知道, 原來榕樹葉加入雙氧水後, 催化出的氧氣量竟然如此驚人, 這一點大大地顛覆了教科書所使用的胡蘿蔔丁, 我們應該將這一點傳承給以後的學弟學妹, 等到他們進行到這個課程時, 只要利用校園中的榕樹樹葉就可以了 四 這個研究讓我們對於實驗的控制有了更深一層的認識與學習, 只有將各種變因控制好, 實驗才能精確 像研究中, 透過實驗控制得知物質的表面積大小 新鮮度 溫度 份量及雙氧水的容量和濃度, 容器的大小 形狀 及反應的時間等均是影響製氧量的重要因素, 所以我們在研究三 四當中, 就必須將這些變因維持不變, 才不會影響實驗的結果 五 由於研究中使用到很多雙氧水, 因此在研究終了的善後工作, 就必須將這些為數不少的雙氧水加以處理, 因為反應過後, 雙氧水大都已分解成為氧和水了, 殘留的雙氧水應該已經不多了, 但為了避免造成環境污染, 我們還是先將這些實驗過後的垃圾用水加以稀釋, 然後再處理掉, 儘量不要因為實驗而造成環境的破壞, 這樣才符合環保科學的精神 28
六 這個研究讓我們體會到分工合作的重要性, 小組中每一個成員的專長不同, 當我們能做 妥善的分工, 每個人都能各司其職, 就能發揮最大的效果 柒 參考資料 : 一 康軒版自然與生活科技第一冊第三單元 空氣與風 二 康軒版自然與生活科技第六冊第二單元 燃燒與生鏽 三 康軒國小自然通訊 (2003,12 月號 ) 四 鄭書皓 楊堅望 (1995) 新綜合科學, 台北 : 台灣珠海 五 米山正信等人 (1993) 牛頓科學研習百科, 台北 : 牛頓 六 中華民國第三十九屆中小學科學展覽會優勝作品專輯國小組 ( 民 88) 國立科學教育館 29