學測試題解析:離子晶體中異電荷離子的靜電引力是否等於同電荷離子的靜電斥力 施建輝 國立新竹科學園區實驗高級中學教育部高中化學學科中心schemistry0120@gmail.com n 91年學測自然科第26題試題與解析 一、 試題 26. 下列有關氯化鈉晶體的敘述,何者正確? (A) NaCl分子是氯化鈉晶體的最小單位。 (B) 晶體中Na+與Cl−的電子數,恰好一樣多。 (C) 晶體中的Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目。 (D) 氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力,故十分穩定。 標準答案為(C)。 二、 解析 (A) NaCl分子是氯化鈉晶體的最小單位解析:NaCl為離子化合物,不以分子的狀態存在,因此沒有最小單位,故(A)錯誤。 (B) 晶體中Na+與Cl−的電子數,恰好一樣多。解析:由於11Na的電子有11個,因此11Na+的電子數為10;由於17Cl的電子有17,因此17Cl−的電子數為18。兩者不相等,故(B)錯誤。 (C) 晶體中的Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目。解析:由於11Na的電子排列方式為2,8,1,因此11Na+的電子排列方式為2,8,與惰性氣體Ne相同;由於17Cl的電子排列方式為2,8,7,因此17Cl−的電子排列方式為2,8,8,與惰性氣體Ar相同。Na+與Cl−均擁有惰性氣體原子的電子數目,故(C)選項正確。 (D) 氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力,故十分穩定。解析:從題幹來看,此選項的敘述「似乎」正確,引力總要等於斥力才能維持平衡,也才能穩定。很多化學老師這樣想,想不通時就想到物理老師對作用力比較了解,因此也與物理老師討論過,物理老師的答覆是:「當然引力要等於斥力才能穩定」,這一來就造成困惑了,因為此題是單選題,若(C)選項是絕對正確的,則(D)應該是錯誤的。那到底錯在哪裡呢?不少化學老師與我討論過這個問題,我經過仔細思考與查閱相關書籍後,我將解答提供給這幾位老師們參考,他們都覺得這樣的解釋是合理而且可以接受。但之後還是有老師們繼續問起這個問題,我覺得不如藉著此一專欄將我的解釋寫出來,供化學老師們參考,此題的解釋內容請參考下段文字敘述。 n 氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力是否等於同電荷離子的靜電斥力? 一、 以「離子鍵的生成」這個概念來思考這個問題,會讓多數老師誤以為(D)選項:「氯化鈉晶體中異電荷離子的靜電引力恰等於同電荷離子的靜電斥力,故十分穩定」是正確的。在正式解釋原因前,我們先來看與這段文字敘述有密切相關的概念:Na+與Cl−形成離子鍵的過程中,其異電荷離子的靜電引力與兩離子斥力的變化過程。圖1是Na+與Cl−位能與原子核間距離關係圖。 圖1:Na+與Cl−形成離子鍵過程的位能(Potential energy)與原子核間距離(Internuclear distance)關係圖 (圖片來源:http://goo.gl/PGO32i) 在圖1中,引力與斥力之敘述如下: 1. 圖中位能與原子核間距離關係,綠色曲線為靜電引力造成的結果,紅色曲線為斥力造成的結果,紫色曲線則為引力與斥力合計造成整體的能量變化結果。 2. 當Na+與Cl−距離無窮遠時(r = ∞),兩者幾乎不會交互作用,故引力與斥力皆近乎零。 3. 當Na+與Cl−逐漸接近時,陰陽離子會以靜電引力相吸,而使位能下降。此時,引力 > 斥力,因此兩者會繼續接近。 4. 當Na+與Cl−更接近,且r = r0時, 從紫色曲線可看出Na+與Cl−此一離子對(ion pair)位能最低,亦即達到最穩定狀態。以Na+與Cl−而言,其r0 = 236 […]
大學入學考試與化學評量: 學測和指考的現況、挑戰與省思 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw n 學測和指考 大學入學考試中心(以下簡稱大考中心或本中心)受大學招生聯合會(招聯會)委託,依據《大學法》辦理學科能力測驗(簡稱學測)、指定科目考試(簡稱指考)與高中英語聽力測驗(簡稱英聽)三種考試。學測的考試科目包括:國文、英文、數學、社會、及自然。其中,社會考科與自然考科為綜合性科目,社會考科的內容包括:歷史、地理、公民與社會;自然考科的內容包括:物理、化學、生物、及地球科學。指定科目考試的科目為國文、英文、數學甲、數學乙、歷史、地理、公民與社會、物理、化學、及生物十考科。 臺灣從2002年開始,大學入學制度已由過去聯考的單一方式,改變為多元的入學管道。新的入學方式稱為「大學多元入學新方案」,此項入學的方案經由多年的演變,以目前而言,分成繁星推薦、個人申請與考試入學三種不同的入學管道。這些不同的入學管道,是以學測與指考的成績,作為主要的入學依據。就大考中心所辦理的學測與指考而言,學測主要使用於繁星推薦與個人申請入學這兩種進入大學的管道,指考則於考試分發入學管道使用。不論是考生本身、考生家長、高中教師乃至於大學端,對於這兩種考試成績相當重視,這也說明學測和指考,在大學人才選拔扮演重要的角色。 n 與化學相關的考科 這兩種考試與化學相關的考科是學測自然考科和指考的化學考科。學測自然考科為一綜合科目,化學為其中的四分之一,整份試卷68題中,化學有17題。學測是測驗考生進入大學的基本知能,全體考生皆須報考五考。化學部分的測驗範圍包括基礎化學(一)與基礎化學(二)的課程。這兩項課程皆屬於必修課程。相較於學測,指考則是屬於較為進階的測驗,其測驗範圍除了上述的基礎化學(一)、基礎化學(二)之外,還包括基礎化學(三)、選修化學(上)與選修化學(下),即高中化學的所有內容。除了測驗範圍的不同外,指考化學考科的題型題數與學測自然考科的化學部分有所不同:指考包括23~26題的選擇題和二~三大題的非選擇題,非選擇題的設計有助於評量考生主動表達的能力。 n 招生制度的挑戰 學測是屬於基本型或門檻型的測驗,而指考是屬於進階或精熟型的測驗設計,招生制度和少子化的改變受到相當的挑戰。 一、甄選入學比例不斷升高 不管是申請入學或是近年才興起的繁星推薦,以這兩種合稱為甄選入學管道進入大學比例的學生逐年提升,在104學年就有可能超過考試分發入學管道,成為高中生進入大學的主要管道。在這種情況下,所衍生的問題是,以化學而言,超過50%的高中生是以基楚化學(一)和基楚化學(二)測驗的成績進入大學,反而是完整學習高中所有化學課程的學生為少數。對於這種現象,存有兩種不同的看法:有人認為學測原本就是基本門檻的設計,學生只要擁有基本知能,即使測驗的範圍少,但不管繁星或申請,都需要有高中在校成績,這種在校成績的提供,可以彌補學測測驗範圍的不足,大學校系亦可招收適合的學生。另一種看法則是,若是有超過一半的學生並未完整學習高中課程而進入大學,這對所有的科目都存在相同情況,高中三年課程的設計意義為何?又將如何與大學進行銜接? 在這個討論過程,有專家學者建議:如果將入學考試的時間延後,讓高中課程完整學習之後,即高中課程結束之後,再舉辦大學入學考試以及繁星、申請或分發的作業,這樣或可舒緩高中教學或學習的相關問題。但是,若是綜觀目前的入學考試與入學制度的設計,除了提供學生學測考不好,還可以拼指考的兩次入學考試機會外,還可以藉由繁星或申請了解自我的興趣、性向之後,再由這些資料準備、面試過程,逐漸認識、了解大學校系之後,選擇理想校系就讀。如果將學測、指考合併舉行,考生得到所有的成績之後,再進行相關的申請、分發作業,這樣是否會剝奪了學生兩次考試的機會呢? 二、少子化逐漸衝擊高等教育 以104年度的進入大學,當年的出生人口數約為32萬5千人左右;六年之後,110年度進入大學的出生人口數約為23萬7千人左右。短短六年之間,約少了8萬人。少子化的現實面馬上就會衝擊到臺灣的高等教育。對照目前少子化的現象,愈來愈多的大學在甄選入學比例逐漸提高,如果沒有任何的設限,這種情況會逐漸惡化。在生員不足的情況下,不論是頂尖大學、公立大學、私立大學,無不卯足全力在第一階段先搶學生。按照上述人口減少的事實,未來的高中生幾乎都可以上大學,高中教育幾乎已是大學教育的預備教育,學生進入高中接受教育,是完全為進入大學作準備,換言之,高中教育的獨立性幾乎已經不存在。 n 未來入學制度可考量的方向 就入學考試而言,如果是人人都有大學可就讀的情況,入學考試的簡化勢難避免,加上學生的高中在校成績可以看到學生的長期表現,亦應作為入學考量的一部分。此外,為避免甄選入學名額對高中教學所造成的干擾,適當限縮繁星與申請入學的名額也應是政策上可以考量之處。就長遠而言,入學考試與入學制度或可考量以下幾點方向: 一、簡化入學考試和入學制度 目前的入學考試,除了學測五科、指考十科之外,還包括英聽測驗,這其中,有些科目是重複,如:國文、英文、數學,是否需要短時間之內考兩次相同的科目,可再斟酌。就入學制度而言,或可考量一般大學與頂尖大學採取不同的策略,一般大學使用較少的入學考試科目,而頂尖大學則是使用較多較複雜的科目組合。 二、甄選入學招生名額比例宜審慎評估 繁星與申請進入大學比例大幅提高,已造成高中教學現場困擾,故短時間之內,不宜再提高甄選入學名額比例,宜維持一定比例一段時間後,觀察這些不同管道進入大學的學生,表現是否有明顯差異,藉由較長期的研究與評估,才能進行下一步的政策建議。 三、建立入學考試與招生政策的長期研究 目前,不論是入學考試或招生政策,幾乎是各抒己見,很難找到具共識的焦點。有人主張:恢復以前的聯考,以減輕學生負擔,保障弱勢;有人主張:延後入學考試,以使高中教學完整;有人主張:維持學測與指考,使學生有兩次入學管道的機會;有人主張:宜納入高中在校成績,以了解學生長期的表現。不論是何種發言,其背後的立論證據,都是相當薄弱。這也突顯在教育政策的研究,似乎缺乏實證研究的立論基礎。如何建立以證據為基礎的研究,從研究之中找出適合高等教育可長可久的政策,雖然,這可能會是一條漫長之路,但這卻是能夠突破目前困境唯一之路。
大學入學考試與化學評量: 學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(上) 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw n 前言 大學入學考試是學生進入大學的重要依據,其測驗內容對高中教學的影響十分深遠。就高中化學的教學而言,通常可分為課本的講解和實驗操作兩部分。實驗部分因各種因素考量,又可分為演示實驗和動手操作實驗。不論是課本或實驗的內容,皆是屬於課綱規範的內容,都是大學入學考試(大考)學科能力測驗(學測)和指定科目考試(指考)的命題範圍。本文藉由大考之中的化學實驗相關試題,分析學生的表現、對高中教學的影響以及實驗內容命題的相關限制。 目前的大考可分為學測、指考及英語聽力測驗(英聽),與化學相關的考科有學測的自然考科和指考的化學考科。學測自然考科共有68題,化學方面有17題,皆為選擇題;指考化學考科包括選擇題和非選擇題,選擇題題數有23~26題之間,非選擇題是二~三大題,每一大題又可細分為3~4小題。學測自然考科的測驗範圍是基礎化學(一)和基礎化學(二),指考化學考科的測驗範圍則是除了上述基礎化學(一)和基礎化學(二)之外,再加上基礎化學(三)、選修化學(上)、及選修化學(下)。這些測驗範圍,除了教科書的內容外,也包含實驗的內容,由於各教科書版本的實驗內容受教育部所頒布課程綱要的規範,其內容大致相同,因此在命題上不會受到某一版本內容不同而有所限制。 n 課程綱要的實驗內容 大考的命題需符合課綱的規範以免產生超綱情形,此稱為「不超綱」,此為大考命題的重要原則之一。就課綱中化學實驗的相關內容如下,其中表一是屬於學測化學實驗命題的相關內容;表一加上表二則是指考化學實驗命題的相關內容。 表一:基礎化學(一)和基礎化學(二)的實驗內容 實驗編號 實驗名稱 基礎 化學 (一) 1 物質的分離 2 硝酸鉀的溶解與結晶 3 化學反應熱 4 化學電池 基礎 化學 (二) 5 示範實驗:常見化學反應的形態 6 示範實驗:分子在三度空間的模型 7 有機物質的一般物性 8 界面活性劑的效應 由於學測的命題範圍較小,涵蓋的實驗內容只有8個,因此在命題時有相當的侷限。 相對於學測的實驗內容,指考的試題內容加深加廣許多。表二是基礎化學(三)和選修化學的實驗內容,這二個部分的實驗共計有13個,指考的實驗命題較有發揮的空間。 表二:基礎化學(三)和選修化學的實驗內容 實驗編號 實驗名稱 基礎 化學 (三) 9 秒錶反應 10 平衡常數與勒沙特列原理 11 溶度積測定 選修 化學 實驗 1 […]
大學入學考試與化學評量: 學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(下) 吳國良 大學入學考試中心 kl0001@ceec.edu.tw 【承〈學測和指考化學實驗試題與學生表現之探討(上)〉】 二、指考化學考科 相對於學測自然的化學部分,指考化學的範圍加廣、內容加深,屬於進階的考試。指考化學考科是為理工科系所設計,其報考的考生是以第二、三類考生為主。指考從91年施測至今已有13年,本文受限於篇幅,僅以103學年度指考試題作為討論範圍。103學年度的指考化學考科共有26題選擇題,其中與化學實驗相關的試題共有5題,分別是第8、15、16、18與24題,以下就這些試題來探討學生的表現。 【103學年度指考—第8題】 8. 下列哪一種聚合物所製成的樹脂可直接填充於淨水系統的管柱中將硬水軟化? 答案:B 得分率(答對率):P = 43% 選項分析:A: 1 %、B: 43%、C: 21%、D: 20%、E: 15%。 試題分析:本題屬於選修化學實驗中的硬水的檢測軟化法,實驗內容有特別說明是利用離子交換法軟化硬水。一般實驗課本都會以圖示方式,說明硬水通過陽離子交換樹脂後,可使硬水軟化,如圖三所示。本題的離子交換樹脂以結構式的方式表示,可能使部分考生產生混淆。另外,有不少考生選選項(C)、(D),是對陰離子與陽離子交換樹脂的定義有所誤解,選(E)的考生則是不了解硬水的定義。本題答對率43%,屬於中間略偏難的試題。本題主要是屬於定義與結構式的認識,不涉及化學實驗的操作。 圖三:離子交換樹脂使硬水軟化的示意圖 (圖片來源:高中選修化學(上)實驗活動手冊,康熹文化,p.17) 【103學年度指考—第15-16題】 15-16題為題組 根據上列實驗步驟,回答15-16題: 16. 在步驟5中溶液混合後的消失速率(M/s)為何? 答案:15. D;16. D 得分率(答對率):15. P = 66%;16. P = 31% 選項分析:15. A: 7%、B: 15%、C: 10%、D: 66%、E: 2%。 16. A: 31%、B: 16 %、C: 18%、D: 31 […]
大學入學考試與化學評量: 學測試題融入化學App的開發與教學 陳昭錦*、江青釗、廖靜宜 國立臺灣師範大學附屬高級中學 *t35116@ntnu.edu.tw n 「化學尋寶」與學測試題 「化學尋寶」是常見的定性分析實驗,最早出現於遠哲科學趣味競賽中,經國立臺灣師範大學化學系蕭次融教授的研發並積極推廣,屢見於各校或各區的化學能力競賽中,也有許多化學教師發展實驗試題,應用於教學現場中的實作評量。「化學尋寶」這類實驗題材,涉及陰、陽離子的沉澱反應和鑑定分析,有助於刺激學生活用既有的化學知識,並培養學生分析和解決問題的能力。在高中化學或是國中科學奧林匹亞的國手訓練營中,也常列入「化學尋寶」和離子鑑定分析為培訓課程。「離子沉澱反應」是現行高中課綱中《基礎化學》的必修內容,103學年度以前,編於《基礎化學(一)》,屬於學科能力測驗(簡稱學測)自然科第一部分之命題範圍。自103學年度起,因應課綱微調,編於《基礎化學(二)》,屬於學測自然科第二部分之命題範圍。回顧歷年的學測自然科試題,「離子沉澱反應」出現的頻率相當高,單題或題組型式都有,測驗的內容不限於基礎知識,透過命題者的巧思,不僅測驗考生基本的科學知識和概念,進而測驗考生分析、應用與推理的能力。 以93年和104年學測自然科試題中兩個代表性題組為例,其試題內容如下「學測化學試題舉隅」所示。這兩個題組分屬兩種類型的化學尋寶,第一種是藉由外加物質(如酸鹼試紙或指示劑等)與未知溶液反應後,從反應結果尋找線索並歸納推理,綜合各項發現完成鑑別。第二種類型則是不使用任何外來物質,純粹由未知溶液彼此相互反應,由反應結果進行推理,此類型較注重對實驗者對各未知溶液性質的掌握及解題策略的有效性。 n 學測化學試題舉隅 【93年學測自然科–58-60為題組】 58-60. 有一已磨成粉末的混合物試樣,是由下列六種物質中的數種等量組成: (A)NaCl (B)KCl (C)CaCl2 (D)CuSO4(無水) (E)Na2SO4 (F)Na2CO3 為了要確定該粉末試樣的成分,王同學先查了資料後,自己研擬了一個檢驗粉末試樣的流程圖,並請李老師指導。李老師認為整個實驗都相當安全,基於鼓勵學生多做「探究學習」,同意王同學在化學實驗室中進行實驗,並要求王同學確實記錄實驗過程,並檢討每一實驗的必要性。以下是報告的一部份: 實驗一:用燒杯取粉末試樣約2克,加蒸餾水約100毫升,攪拌後形成無色的透明溶液X。 實驗二:在溶液X中加了鹽酸,則見在溶液中陸續產生氣泡,至溶液不再冒氣泡,溶液仍為無色透明(貼上標籤Y)。 實驗三:在無色透明的溶液Y中,滴加BaCl2溶液,即見白色沈澱。 實驗四:繼續滴加BaCl2溶液,至白色沈澱不再產生後,過濾分離出白色沈澱,得到透明的無色濾液Z。 實驗五:在濾液Z中,滴入AgNO3溶液,則見白色沈澱,加入稀硝酸,沈澱不溶解。 58. 根據上述報告,原粉末中一定沒有哪兩種物質?(從(A)-(F)中選兩項)。正解:CD。 59. 原粉末中,一定含有哪兩種物質?(從(A)-(F)中選兩項)。正解:EF。 60. 若王同學只需回答問題58與59,你認為王同學不需要做哪兩個實驗?(應選兩項)。正解:DE。 (A)實驗一 (B)實驗二 (C)實驗三 (D)實驗四 (E)實驗五 【104年學測自然科–9-10為題組】 9-10. 濃度均為0.1 M的五種水溶液,其溶質為、、、、。這五種溶液彼此間的關係如圖2。圖中每條連線表示兩端的溶液可以發生化學反應,產生沉澱或氣體,均以肉眼就可辨識。請先確定代號1~5是什麼溶液後,回答9與10題。 9. 已知與溶液2的反應,可以產生氣體或沉澱,則溶液2的溶質是什麼化合物?正解:D。 (A) (B) (C) (D) (E) 10. 已知與溶液4的反應皆為沉澱反應,且其中有一種沉澱的顏色為黃色,則溶液4的溶質是什麼化合物?正解:E。 (A) (B) (C) (D) (E) n 學測試題融入化學App的開發 93年學測試題出現的題組屬於第一類型,在當時令人耳目一新,解題關鍵有二,其一是實驗一中混合物溶於水且呈無色,由此可排除有色離子及共存後會沉澱的組合,其二則是混合物可與酸反應產生氣泡。題目的設計確實能鑑別學生是否具備基本化學概念,進而探測其分析及推理能力。104年學測的題組屬於第二類型,五種未知溶液彼此相互反應,其中一種可與其他四種發生肉眼可見的化學變化,此題組成功將化學尋寶實驗轉化為學測考題,一方面滿足學測試題要求的鑑別度,另一方面則展現引導高中實驗教學的企圖。因應學測自然科試題中實驗題型的多樣化,化學教師除了加強學生的化學知識和實驗技能外,更關心的是,如何協助學生能將課堂所學的化學知識與能力正確地展現在升學考試上。大考中心對學測試題中實驗題型的積極研發,促使教學現場的教師體認實作評量的必要,並亟思如何克服實驗教學的限制。 相信高中化學教師都認同培養實作能力和真實性評量的重要性,然而受限於課綱編製的食譜式實驗與教學時數,且各校提供教師的實驗支援程度不一,再者綠色化學對實驗室藥品減量呼聲日切,有心發展這類能提升學生應用、分析與推理能力實驗教學的老師們,很可能心有餘力不足。有鑑於此,國立臺灣師大附中自然科教學團隊與校內資訊中心合作,102學年度在「信望愛文教基金會」的贊助下,自行研發三款以陰、陽離子沉澱反應為主軸,可供免費下載的化學App,分別為化學尋寶、沉澱查詢機及快打沉澱表,並在103學年度修訂完成後公開上架,參見圖一~圖七。 […]