"碳的結構與性質" 修訂間的差異

於 2019年6月19日 (三) 08:27 的最新修訂

原始設計者：彰師大

製造幾種結構相異的碳，探討這些碳的性質。

實驗材料:

1.活性碳
2.木碳
3.備長碳
4.塑膠杯
5.蠟燭
6.打火機
7.雞蛋
8.夾子
9.滴管
10.餘氯指示劑
11.布手套

12.色素
13.線香
14.瓶子
15.茶袋
16.湯匙
17.色素
18.白紙一張
19.棉花棒
20.檸檬
21.烤箱

1.現象說明

活性碳、木碳及備長碳其功能相當多，可應用於日常生活中，不同種類的碳也應用在不同的地方，透過各種不同製備方式的碳，經由實驗來探究碳的性質。

2.探究問題

製造結構相異的碳，探討這些碳的性質。

2.1 碳原子能否以多種不同的形式存在?
2.2 奈米尺度是多大?
2.3 奈米尺度的碳材料其物理及化學性質與巨尺度的碳材料有何不同?

3.實作項目

3.1 各種碳外觀、功能之比較

1.觀察各種碳之外觀有何不同?
2.敲敲看木碳與備長碳聲響有何不同?

3.2 碳顆粒黑珍珠的生成

1.每人戴上布手套取一湯匙在蠟燭上慢慢燻黑，用滴管取水慢慢在湯匙滴上一滴水。
2.將水珠慢慢裹上一層碳顆粒(要裹均勻不可有縫隙)即可生成碳顆粒黑珍珠。
3.再將碳顆粒黑珍珠輕輕置入水中觀察看看是否可以在水中漂浮？(留意碳顆粒與水的接觸面)

3.3黑金雞蛋的誕生

1.每組用夾子取一雞蛋在酒精燈上加熱將蛋殼表面燻黑。
2.再將黑雞蛋放入水中，觀察在水中看到的雞蛋與原先的雞蛋有何不同?

3.4比較活性碳、備長碳與木碳的除色功能

1.將三個塑膠杯中的自來水加入碘酒，分別將備長碳、活性碳與木碳加入，觀察溶液變化。

(說明:留意加入碳一段時間之後，溶液會恢復清澈，且剛放入時，碳的毛細孔會不斷冒出氣泡，注意三種碳的差別。)

2.再分別將活性碳與木碳放入兩杯紅色色素水中，另一杯為對照組，一段時間後觀察哪一杯顏色變淡了?
3.取上述效果較佳的碳分別在紅、藍、綠三杯色素水中，比較看看去除哪一種顏色的色素水效果較佳?

3.5比較活性碳、備長碳與木碳的空氣淨化的功能

1.分別將活性碳、備長碳與木碳裝入茶袋中。
2.分別將線香點燃後放入四個瓶子中。
3.再將裝入茶袋中的活性碳、備長碳與木碳分別快速塞入三個瓶中蓋上瓶蓋，另一瓶子為對照組。
4.觀察看看哪一瓶子的煙量減少了?

3.6c比較活性碳、備長碳與木碳的淨水的功能

(1)水中餘氯之去除

1.分別將四杯含有氯的自來水加入氯指示劑，使其出現顏色方便觀察。
2.分別將活性碳、備長碳與木碳放入兩杯水中，另一杯為對照組。
3.攪拌後靜置，並觀察顏色變化，哪一杯顏色變淡了？

(2)水中懸浮物及雜質之去除

1.取水溝的水置於四塑膠杯中，並分別加入活性碳、備長碳與木碳於三杯水中，另一杯為對照組。
2.攪拌後靜置，並觀察顏色變化，哪一杯水變乾淨了？

3.7自製過濾器

1.取一50毫升的針筒，在其下方鋪上一層棉花，輕塞於洞口。
2.將活性碳鋪於上方，重複二至三次。
3.再將髒水從上方到下，下方用一塑膠杯接收過濾水並觀察。

3.8無字天書

1.首先先將檸檬切開擠出汁液至於杯中。
2.用棉花棒沾檸檬汁在白紙上書寫或畫畫，放置乾燥。
3.將放置乾燥的白紙置於烤箱中烘烤，直至書寫內容出現為止。
4.觀察在烘烤過程中，書寫的文字是慢慢浮現還是烘烤立刻出現?

(說明: 檸檬汁在紙上書寫後放於火上，會使檸檬汁中的檸檬酸碳產生化學變化，進而變色，形成白紙上出現文字的現象。)

4.分析與討論

4-1活性碳與備長碳的孔洞結構有助於吸收汙染物。

4-2加入碳一段時間之後，溶液會恢復清澈，且剛放入時，碳的毛細孔會不斷冒出氣泡，三種碳的速率不同。

4-3檸檬汁在紙上書寫後放於火上，會使檸檬汁中的檸檬酸碳產生化學變化，進而變色，形成白紙上出現文字的現象。

4.4自製的活性碳過濾器多次使用效果變差。

5.教學目標

5.1 學生能了解碳原子以多種不同的形式存在。
5.2 學生能對奈米尺度有初步概念。
5.3 學生能理解奈米尺度的材料其物理及化學性質都會與巨尺度的相同物質不同。

6.參考文獻

6.1參考文獻

1. 關於活性碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD

2. 關於備長碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%82%99%E9%95%B7%E7%82%AD

6.2 進階知識

自然界中的蓮花葉子，具有所謂的「蓮葉效應」（Lotus effect），亦即由於蓮葉表面有奈米級的纖毛結構，而使水滴不會附著在葉子上的疏水性質（Hydrophobicity）。也因此蓮葉具有「自我淨潔」（self-cleaning）的功能，因為水滴不容易吸附在葉子表面，容易滾動滑落，會將灰塵一起帶著離開葉面。
本實驗的湯匙在酒精火焰上或將雞蛋表層烤黑，會吸附一層很微小，達到奈米尺度的黑色碳微粒，於是如同蓮葉效應顯現出疏水性，水滴無法附著在湯匙上。
隨著水滴的滾動將疏水性的碳顆粒均勻的裹在表面，將其置入水中後便不會被分散，而是浮在水面上。雞蛋表層附著了奈米級結構的碳微粒具有疏水性，因此放入水中之後，水與微粒碳之間有一層很細微的空氣層。當水中四面八方的光線入射到雞蛋時，入射角比較小的光線（下圖藍色箭頭）可以折射進入空氣層，再照射到黑色碳被吸收（黑色物體不反射光線）。
但是入射角比較大的光線（紅色箭頭）則發生「全反射」（即沒有折射），反射至水面再折射進入空氣，因此在水面上方可以看到光線，看起來就亮亮的。（註：水發生全反射的臨界角度是49度）

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+<s4e>
+pid=252
+show=原始設計者;簡介
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-<div style="float:left;">
+<div style="float:left; width:750%;"><font color="black" size="5">製造幾種結構相異的碳，探討這些碳的性質。</font></div>
-<font color="black" size="4">製造幾種結構相異的碳，探討這些碳的性質。 &emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;&emsp;<br></font><br>
+<div style="float: right; border:black 1px solid; width:20%;">
-<br><br>
-</div>
-<div style="float: right; border:black 1px solid;">
 <font color="blue">實驗材料: </font>
+----
+<table>
+<tr>
+<td>
 *1.活性碳
 *2.木碳
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 *10.餘氯指示劑
 *11.布手套
+</td>
+<td>
 *12.色素
 *13.線香
@@ 行 30： / 行 36： @@
 *20.檸檬
 *21.烤箱
+</td>
+</tr>
+</table>
 </div>
-==1.現象說明： ==
-<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/0c/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B1.png'/>
-<br><br>
-==2.初探與假說：（此為引導，學習者必須要提出合理的假說） ==
-*2.1思考點波源在水中如何形成水波。
-*2.2思考毛細波與繩波的共通點。
-*2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。
+==1.現象說明 ==
+<div id="a1"></div>
+活性碳、木碳及備長碳其功能相當多，可應用於日常生活中，不同種類的碳也應用在不同的地方，透過各種不同製備方式的碳，經由實驗來探究碳的性質。
+<br><br>
+==2.探究問題 ==
-*2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。
+製造結構相異的碳，探討這些碳的性質。
+*2.1	碳原子能否以多種不同的形式存在?
+*2.2	奈米尺度是多大?
+*2.3	奈米尺度的碳材料其物理及化學性質與巨尺度的碳材料有何不同?
 <br><br>
-==3.設計實驗與執行 ==
+==3.實作項目 ==
-*3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。
+*3.1 各種碳外觀、功能之比較
+:*1.觀察各種碳之外觀有何不同?
+:*2.敲敲看木碳與備長碳聲響有何不同?
-:*3.1.1實驗數據圖
-<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/e/ef/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B2.png'/>
-:*3.1.2分析實驗結果
-*3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力
-:*3.2.1 實驗數據圖
-<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fa/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B3.png'/>
-:*3.2.2分析實驗結果
 <br><br>
-==4.分析與結論 ==
+<hr style="width:60%;">
+*3.2 碳顆粒黑珍珠的生成
-*4-1 能藉由觀察公式來推論並分析出相關趨勢線。
+:*1.每人戴上布手套取一湯匙在蠟燭上慢慢燻黑，用滴管取水慢慢在湯匙滴上一滴水。
+:*2.將水珠慢慢裹上一層碳顆粒(要裹均勻不可有縫隙)即可生成碳顆粒黑珍珠。
-*4-2 能從所記錄數據與繪製的數據圖中，瞭解還有需要設計實驗與執行的項目。
+:*3.再將碳顆粒黑珍珠輕輕置入水中觀察看看是否可以在水中漂浮 ？(留意碳顆粒與水的接觸面)
+<img style="width:25%;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/d/d6/%E7%A2%B3%E9%A1%86%E7%B2%92%E9%BB%91%E7%8F%8D%E7%8F%A0%E7%9A%84%E7%94%9F%E6%88%90.png'/>
+<br><br>
+<hr style="width:60%;">
+*3.3黑金雞蛋的誕生
+:*1.每組用夾子取一雞蛋在酒精燈上加熱將蛋殼表面燻黑。
+:*2.再將黑雞蛋放入水中，觀察在水中看到的雞蛋與原先的雞蛋有何不同?
+<br><br>
+<hr style="width:60%;">
+*3.4比較活性碳、備長碳與木碳的除色功能
+:*1.將三個塑膠杯中的自來水加入碘酒，分別將備長碳、活性碳與木碳加入，觀察溶液變化。
+::(說明:留意加入碳一段時間之後，溶液會恢復清澈，且剛放入時，碳的毛細孔會不斷冒出氣泡，注意三種碳的差別。)
+:*2.再分別將活性碳與木碳放入兩杯紅色色素水中，另一杯為對照組，一段時間後觀察哪一杯顏色變淡了?
+:*3.取上述效果較佳的碳分別在紅、藍、綠三杯色素水中，比較看看去除哪一種顏色的色素水效果較佳?
+<br><br>
+<hr style="width:60%;">
+*3.5比較活性碳、備長碳與木碳的空氣淨化的功能
+:*1.分別將活性碳、備長碳與木碳裝入茶袋中。
+:*2.分別將線香點燃後放入四個瓶子中。
+:*3.再將裝入茶袋中的活性碳、備長碳與木碳分別快速塞入三個瓶中蓋上瓶蓋，另一瓶子為對照組。
+:*4.觀察看看哪一瓶子的煙量減少了?
+<br><br>
+<hr style="width:60%;">
+*3.6c比較活性碳、備長碳與木碳的淨水的功能
+<font color="black" size="3">(1)水中餘氯之去除 </font>
+:*1.分別將四杯含有氯的自來水加入氯指示劑，使其出現顏色方便觀察。
+:*2.分別將活性碳、備長碳與木碳放入兩杯水中，另一杯為對照組。
+:*3.攪拌後靜置，並觀察顏色變化，哪一杯顏色變淡了？
+<br><br>
+<font color="black" size="3">(2)水中懸浮物及雜質之去除 </font>
+:*1.取水溝的水置於四塑膠杯中，並分別加入活性碳、備長碳與木碳於三杯水中，另一杯為對照組。
+:*2.攪拌後靜置，並觀察顏色變化，哪一杯水變乾淨了？
+<br><br>
+<hr style="width:60%;">
+*3.7自製過濾器
+:*1.取一50毫升的針筒，在其下方鋪上一層棉花，輕塞於洞口。
+:*2.將活性碳鋪於上方，重複二至三次。
+:*3.再將髒水從上方到下，下方用一塑膠杯接收過濾水並觀察。
 <br><br>
-==5.教學目標與評量 ==
+<hr style="width:60%;">
+*3.8無字天書
-*5-1 理解並應用光學繞射光柵原理。
+:*1.首先先將檸檬切開擠出汁液至於杯中。
+:*2.用棉花棒沾檸檬汁在白紙上書寫或畫畫，放置乾燥。
-*5-2 利用現有器材資源，與學習到的知識。考驗學生能否融會貫通，以及取適當物理量來實驗分析。
+:*3.將放置乾燥的白紙置於烤箱中烘烤，直至書寫內容出現為止。
+:*4.觀察在烘烤過程中，書寫的文字是慢慢浮現還是烘烤立刻出現?
-*5-3 讓學生學習科學素養，即探究現象，最後精緻化結果。
+::(說明: 檸檬汁在紙上書寫後放於火上，會使檸檬汁中的檸檬酸碳產生化學變化，進而變色，形成白紙上出現文字的現象。)
 <br><br>
-==6.參考資料： ==
+==4.分析與討論 ==
-<br><br><br><br><br><br><br>
-==7.參考說明 ==
-*<b>2.1思考點波源在水中如何形成水波。 </b>
+*4-1活性碳與備長碳的孔洞結構有助於吸收汙染物。
-:*藉由示範影片中以常見的點波源去擾動水面形成水波，再進而引導學生認識到水波的形成主要原因，主要是因為水分子彼此間之吸引力所引起的表面張力。
+*4-2加入碳一段時間之後，溶液會恢復清澈，且剛放入時，碳的毛細孔會不斷冒出氣泡，三種碳的速率不同。
+*4-3檸檬汁在紙上書寫後放於火上，會使檸檬汁中的檸檬酸碳產生化學變化，進而變色，形成白紙上出現文字的現象。
-*<b>2.2思考毛細波與繩波的共通點。 </b>
+*4.4自製的活性碳過濾器多次使用 效果變差。
+<br><br>
+==5.教學目標 ==
-:*手拉動繩子產生繩波，如同這實驗的漆包線拉動水波表面產生水波，表面張力波其實就類似水面上的漣漪，產生原因也包含表面張力，如同上下振動繩子產生繩波一般，繩波波速和繩張力、線密度相關，漣漪的波速也和表面張力、液體密度相關。
+*5.1	學生能了解碳原子以多種不同的形式存在。
+*5.2	學生能對奈米尺度有初步概念。
+*5.3	學生能理解奈米尺度的材料其物理及化學性質都會與巨尺度的相同物質不同。
+<br><br>
+==6.參考文獻 ==
+*6.1參考文獻
+:*1. 關於活性碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E6%B4%BB%E6%80%A7%E7%82%AD
-*<b>2.3思考當雷射光照射到毛細波表面後光線會如何前進。 </b>
+<br><br>
+:*2. 關於備長碳: https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%82%99%E9%95%B7%E7%82%AD
-:*讓學生觀察水波表面的構造，先詢問出光行進的性質後再進而引導出光還有干涉和繞射之特性，最後讓學生知道雷射光會將水波作為反射式光柵然後繞射。
+*6.2 進階知識
-*<b>2.4思考不同頻率繞射點間距會如何改變。 </b>
-:*因為V=λf所以當波傳遞的介質都是水時波速就為定值，因此當頻率增加水波的波長就會減少，光程差為d(sinψ − sinφ) = mλ，其中ψ為入射角φ為繞射角，所以當ψ=φ會形成第零階的繞射亮紋，當ψ≠φ就會造成1、2、3…階的亮紋，所以當d變小時又因光程差必須相同 ，因此繞射亮紋間距就會增加。
-*<b>3.1設計一項實驗，探討雷射光入射角度θ與雷射入射點到屏幕的距離(L)和屏幕上的第零階繞射亮點高度(H)的關係。 </b>
-:*3.1.1實驗數據圖
-<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/6d/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B4.png'/>
-:*3.1.2分析實驗結果
-:*改變不同L的值後去測量其相對應的H值，再用H-L做一回歸直線，由於第零階繞射點到水平面的夾角為tan−1(HL)=θ，所以的到θ值為0.0418(弧度)。
-*<b>3.2試著取適當的物理量，線性回歸出表面張力 </b>
-:*3.2.1 實驗數據圖
-<img style="height:300px;" src='https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/a/a8/%E5%88%A9%E7%94%A8%E5%8F%8D%E5%B0%84%E5%BC%8F%E5%85%89%E6%9F%B5%E6%8E%A2%E8%A8%8E%E8%A1%A8%E9%9D%A2%E5%BC%B5%E5%8A%9B5.png'/>
-:*3.2.2分析實驗結果
-:*表面張力實驗值= 0.0712 N/m，30°C 條件下理論值=0.0710 N/m，誤差0.28%
+*自然界中的蓮花葉子，具有所謂的「蓮葉效應」（Lotus effect），亦即由於蓮葉表面有奈米級的纖毛結構，而使水滴不會附著在葉子上的疏水性質（Hydrophobicity）。也因此蓮葉具有「自我淨潔」（self-cleaning）的功能，因為水滴不容易吸附在葉子表面，容易滾動滑落，會將灰塵一起帶著離開葉面。
+*本實驗的湯匙在酒精火焰上或將雞蛋表層烤黑，會吸附一層很微小，達到奈米尺度的黑色碳微粒，於是如同蓮葉效應顯現出疏水性，水滴無法附著在湯匙上。
+*隨著水滴的滾動將疏水性的碳顆粒均勻的裹在表面，將其置入水中後便不會被分散，而是浮在水面上。雞蛋表層附著了奈米級結構的碳微粒具有疏水性，因此放入水中之後，水與微粒碳之間有一層很細微的空氣層。 當水中四面八方的光線入射到雞蛋時，入射角比較小的光線（下圖藍色箭頭）可以折射進入空氣層，再照射到黑色碳被吸收（黑色物體不反射光線）。
+*但是入射角比較大的光線（紅色箭頭）則發生「全反射」（即沒有折射），反射至水面再折射進入空氣，因此在水面上方可以看到光線，看起來就亮亮的。（註：水發生全反射的臨界角度是49度）